基于智能交通系統的汽車行駛主動安全技術
摘要：汽車行駛主動安全技術是智能交通系統的重要研究內容之一。本文針對智能交通系統環境下車輛行駛主動安全所涉及的主要內容，研究了車輛運動中對周圍障礙物的感知技術和方法、車輛行駛危險或安全狀態的動態辨識方法、汽車主動避撞控制及執行技術等關鍵技術問題，并開發了相關系統。文中通過仿真及實驗結果驗證了各相關技術的正確性及合理性。
本文針對智能交通系統環境下車輛行駛主動安全技術所涉及的關鍵內容進行了研究。研究了車輛運動中對周圍障礙物的感知技術和方法，解決了探測雷達信號處理中的干擾和實時性問題；研究了車輛危險或安全狀態的動態辨識方法，提出了基于駕駛員感覺的安全距離確定方法；研究了汽車主動避撞控制技術及控制執行技術，針對車輛縱向控制系統中存在的問題，設計了控制算法及控制執行器系統。通過對各關鍵單元技術的研究，系統解決了智能交通系統環境下車輛行駛主動安全的關鍵技術問題。通過相應的仿真及實車實驗結果，對各關鍵技術的研究成果進行了驗證。
1 基于智能交通系統的汽車行駛主動安全系統
基于智能交通系統的汽車行駛主動安全系統指利用現代信息技術、傳感技術來擴展駕駛人員的感知能力，將感知技術獲取的外界信息（如車速、其它障礙物距離）傳遞給駕駛人員，同時在路況與車況的綜合信息中辨識是否構成安全隱患；在緊急情況下，能自動采取措施控制汽車，使汽車能主動避開危險，保證車輛安全行駛，也就是通常所說的汽車主動避撞系統。國內外對車輛行駛主動安全技術的研究主要集中于車輛行車信息感知及行車安全狀態辨識技術、車輛主動避撞系統控制技術及車輛控制執行技術等方面。系統中所涉及到的關鍵技術及相互關系如圖1 所示。
2.1 車輛行車信息感知及安全狀態動態辨識技術
車輛行車信息感知及安全狀態動態辨識技術，就是利用安裝于汽車上的各種傳感器，實時的對車輛運行參數進行檢測，并通過必要的信號處理及信息融合獲得車輛的行車安全狀態的動態信息。測距雷達信號處理技術和行車安全距離動態算法是其中最關鍵的技術。
2.1.1 測距雷達信號處理技術
經測距雷達傳來的目標物距離信號含有隨機誤差，必須要對原始數據進行處理，才可以在系統計算中應用。另外測距雷達傳來的只是車輛間的距離信息，必須從這些距離信息中比較準確的提取出車輛間的相對速度以及相對加速度信息。過去采用的辦法是直接對距離信號取微分，得相對速度值，再對相對速度值取微分得相對加速度值，這種方法經實踐證實是不可行的。問題主要有兩點：一是距離誤差對相對速度以及相對加速度的影響較大，實際計算得到的相對速度及相對加速度值難以應用。二是由于算法所限，系統實時性不好。在控制工程中常用的Kalman 濾波算法是一種實時濾波算法，并可以得到系統狀態向量的平滑估計，本研究將Kalman 濾波算法應用于汽車主動避撞系統的雷達信號處理，可以有效地彌補上述兩點不足。
圖2 是對一次試驗記錄數據的濾波結果對比圖。首先，Kalman 濾波由于是實時濾波，保證了系統處理的實時性。其次，從相對距離對比圖中可以非常直接的看出，經Kalman 濾波處理后，由測量誤差帶來的距離值的突變得到了有效地抑制。從相對速度對比圖可以看出，采用對距離值直接微分的方法得到的相對速度值波動非常巨大，實際計算中根本無法使用，而用Kalman 濾波方法得到的相對速度值則去掉了相對速度值的大的波動，反映了實際相對速度值的變化情況。
傳感器正確獲取車輛行車信息之后，需要進行各種信號的融合，進行車輛危險或安全狀態的實時辨識。需要確定的是當前情況下的行車安全距離。本研究提出了一種基于駕駛員模型的安全距離確定方法。實際行車時，駕駛員總是要對車輛的運行進行一下預測，以決定當前的操作[7>，本系統所采用的駕駛員模型以此行為為基礎。駕駛員預測t 秒后車間距離，將此車間距離與駕駛員認為的界限車間距離Xlim 進行比較，如認為車間距離將小于Xlim，則在當前時刻制動，當前時刻的車間距離即為極限安全距離。即
2.2 汽車主動避撞控制技術
縱向汽車主動避撞系統對車輛進行控制的目的是將自車到前車的距離保持在安全水平。整個汽車主動避撞系統控制結構由上位控制器和下位控制器兩部分構成，如圖3 所示。要進行上位和下位控制的研究，建立車輛縱向動力學模型是基礎，因此，車輛主動避撞控制技術包括車輛模型的建立、上位控制及下位控制策略的確定。
車輛控制方法的評價是基于系統仿真及實驗的結果，作為仿真評價的基礎，首先需要建立比較準確的車輛動力學模型。本研究使用的實驗車輛是某型自動變速器轎車，發動機排量1.8L。汽車縱向動力學總成包括：發動機、液力耦合器、自動變速器及車輛驅動系。各總成的特性參數及相互間的動力傳遞如圖4所示。針對車輛縱向動力學各單元總成的特性，運用混合建模技術，得到整車縱向動力學仿真模型。基于Matlab/Simulink 軟件平臺的車輛模型如圖5 所示。此模型的輸入量有兩個：節氣門位置和制動壓力，輸出量是車輛速度和加速度。
目前，國內外對上位控制器的設計已經做了很多工作[8>[9>，PID 方法、LQ 理論，滑模理論以及模糊理論都被應用于上位控制器的設計，但基于以上方法的上位控制器基本以提高系統某一性能為目標，未能使控制精度和響應時間兩方面都得到改善。本研究提出了基于混合策略的上位控制器設計方法，理論分析和仿真試驗結果表明，該方法滿足主動避撞系統對安全性和駕駛舒適性兩方面要求的同時，降低了系統的響應時間。
所謂基于混合策略的上位控制器是指結合了LQ 方法和基于時間－能量最優控制方法優點的控制器。控制規律如圖7 所示。基于LQ 方法的上位控制器取狀態誤差和控制量的二次型作為性能指標，所以該控制器的穩態誤差小，控制過程中加速度也相對較小，但是由于性能指標沒有直接體現系統的響應時間，所以系統響應相對較慢。基于時間－能量最優的上位控制器以響應時間和控制量的大小作為性能指標，較基于LQ 方法的上位控制器響應速度有所提高，但是該控制器不能穩定在原點。基于混合策略的上位控制器將LQ 控制穩態誤差小和基于時間－能量最優控制響應速度快的特點結合，獲得了較好的控制效果。
由于車輛制動、驅動力特性中含有強烈的非線性，同時車輛質量變動、道路坡度及風阻等外部干擾因素的存在，車輛下位控制器設計時控制系統的魯棒跟隨性和魯棒穩定性往往不能得到兼顧[10>。針對這一問題，本研究設計了基于模型匹配方法的二自由度控制器來實現車輛主動避撞系統下位控制的控制性能。 控制器結構如圖9 所示。此處的二自由度控制器是指參考輸入信號和控制對象的輸出信號情報分別獨立使用，就是既有反饋又有前饋的控制器。此控制器的特征是閉環目標值應答特性可以通過反饋特性的設計來獨立設定。在這種情況下，利用前饋補償器設定目標值的應答特性即模型匹配特性，利用反饋補償器的設計實現反饋特性即系統的魯棒跟隨特性和魯棒穩定特性。
汽車主動避撞系統所用執行器有兩個：節氣門伺服執行器和制動作動器。對于節氣門伺服執行器，采用脈寬調制（PWM）控制的直流電機來實現。對于制動作動器由于制動系統的好壞直接關系到駕駛員的生命安全，所以要求自動制動系統響應要快，可靠性要高；由于目前汽車內可用空間較好，所以要求自動制動系統體積盡量小；為能夠直接、迅速、廣泛地在國內轎車上得到應用，要求自動制動系統對原車的改動要盡量小。在汽車行駛過程中，仍然以人為主，只當汽車間距小于安全距離而人又沒有采取措施時自動制動系統才會起作用。在自動制動作用過程中，只要人一踩制動或加速踏板，則控制權便交給駕駛員，自動制動系統不起作用。所以在自動制動系統和原制動系統之間應當有電控切換裝置。本研究設計的自動制動系統采用液壓系統，原理圖如圖11 所示。本系統輸出壓力的控制采用高速開關閥結合脈寬調制（PWM）
控制來實現。
使汽車具有主動安全性，集信息感知、動態辨識、控制等技術與方法于一體是ITS 的主要研究內容之一。世界各大汽車公司，都在開展這方面的研發，目前日本、歐美汽車企業在汽車主動避撞技術方面已取得實用化成果。這些技術雖然其理論研究成果可以借鑒，但涉及具體技術屬于公司保密范圍，國內企業難以得到具體技術資料，且中國的道路及駕駛習慣與國外不同，不能直接引進使用國外技術。本研究在車輛運動中對周圍障礙物的感知技術和方法、車輛行駛危險或安全狀態的動態辨識方法、汽車主動避撞控制及執行技術等關鍵技術問題的研究方面取得了一定的突破和創新，為解決智能交通系統研究開發過程中的汽車行駛安全問題，提供了理論及技術支撐。
本文針對智能交通系統環境下車輛行駛主動安全技術所涉及的關鍵內容進行了研究。研究了車輛運動中對周圍障礙物的感知技術和方法，解決了探測雷達信號處理中的干擾和實時性問題；研究了車輛危險或安全狀態的動態辨識方法，提出了基于駕駛員感覺的安全距離確定方法；研究了汽車主動避撞控制技術及控制執行技術，針對車輛縱向控制系統中存在的問題，設計了控制算法及控制執行器系統。通過對各關鍵單元技術的研究，系統解決了智能交通系統環境下車輛行駛主動安全的關鍵技術問題。通過相應的仿真及實車實驗結果，對各關鍵技術的研究成果進行了驗證。
1 基于智能交通系統的汽車行駛主動安全系統
基于智能交通系統的汽車行駛主動安全系統指利用現代信息技術、傳感技術來擴展駕駛人員的感知能力，將感知技術獲取的外界信息（如車速、其它障礙物距離）傳遞給駕駛人員，同時在路況與車況的綜合信息中辨識是否構成安全隱患；在緊急情況下，能自動采取措施控制汽車，使汽車能主動避開危險，保證車輛安全行駛，也就是通常所說的汽車主動避撞系統。國內外對車輛行駛主動安全技術的研究主要集中于車輛行車信息感知及行車安全狀態辨識技術、車輛主動避撞系統控制技術及車輛控制執行技術等方面。系統中所涉及到的關鍵技術及相互關系如圖1 所示。
圖1 汽車主動避撞系統關鍵技術
2.1 車輛行車信息感知及安全狀態動態辨識技術
車輛行車信息感知及安全狀態動態辨識技術，就是利用安裝于汽車上的各種傳感器，實時的對車輛運行參數進行檢測，并通過必要的信號處理及信息融合獲得車輛的行車安全狀態的動態信息。測距雷達信號處理技術和行車安全距離動態算法是其中最關鍵的技術。
2.1.1 測距雷達信號處理技術
經測距雷達傳來的目標物距離信號含有隨機誤差，必須要對原始數據進行處理，才可以在系統計算中應用。另外測距雷達傳來的只是車輛間的距離信息，必須從這些距離信息中比較準確的提取出車輛間的相對速度以及相對加速度信息。過去采用的辦法是直接對距離信號取微分，得相對速度值，再對相對速度值取微分得相對加速度值，這種方法經實踐證實是不可行的。問題主要有兩點：一是距離誤差對相對速度以及相對加速度的影響較大，實際計算得到的相對速度及相對加速度值難以應用。二是由于算法所限，系統實時性不好。在控制工程中常用的Kalman 濾波算法是一種實時濾波算法，并可以得到系統狀態向量的平滑估計，本研究將Kalman 濾波算法應用于汽車主動避撞系統的雷達信號處理，可以有效地彌補上述兩點不足。
圖2 是對一次試驗記錄數據的濾波結果對比圖。首先，Kalman 濾波由于是實時濾波，保證了系統處理的實時性。其次，從相對距離對比圖中可以非常直接的看出，經Kalman 濾波處理后，由測量誤差帶來的距離值的突變得到了有效地抑制。從相對速度對比圖可以看出，采用對距離值直接微分的方法得到的相對速度值波動非常巨大，實際計算中根本無法使用，而用Kalman 濾波方法得到的相對速度值則去掉了相對速度值的大的波動，反映了實際相對速度值的變化情況。
圖2 Kalman 濾波結果對比圖
傳感器正確獲取車輛行車信息之后，需要進行各種信號的融合，進行車輛危險或安全狀態的實時辨識。需要確定的是當前情況下的行車安全距離。本研究提出了一種基于駕駛員模型的安全距離確定方法。實際行車時，駕駛員總是要對車輛的運行進行一下預測，以決定當前的操作[7>，本系統所采用的駕駛員模型以此行為為基礎。駕駛員預測t 秒后車間距離，將此車間距離與駕駛員認為的界限車間距離Xlim 進行比較，如認為車間距離將小于Xlim，則在當前時刻制動，當前時刻的車間距離即為極限安全距離。即
（1）
（2）
（3）
2.2 汽車主動避撞控制技術
縱向汽車主動避撞系統對車輛進行控制的目的是將自車到前車的距離保持在安全水平。整個汽車主動避撞系統控制結構由上位控制器和下位控制器兩部分構成，如圖3 所示。要進行上位和下位控制的研究，建立車輛縱向動力學模型是基礎，因此，車輛主動避撞控制技術包括車輛模型的建立、上位控制及下位控制策略的確定。
圖3 汽車主動避撞系統控制結構圖
圖4 車輛縱向模型
車輛控制方法的評價是基于系統仿真及實驗的結果，作為仿真評價的基礎，首先需要建立比較準確的車輛動力學模型。本研究使用的實驗車輛是某型自動變速器轎車，發動機排量1.8L。汽車縱向動力學總成包括：發動機、液力耦合器、自動變速器及車輛驅動系。各總成的特性參數及相互間的動力傳遞如圖4所示。針對車輛縱向動力學各單元總成的特性，運用混合建模技術，得到整車縱向動力學仿真模型。基于Matlab/Simulink 軟件平臺的車輛模型如圖5 所示。此模型的輸入量有兩個：節氣門位置和制動壓力，輸出量是車輛速度和加速度。
圖5 車輛仿真模型
表1 車輛模型驗證實驗條件表 
圖6 實車實驗結果與仿真結果對比圖
目前，國內外對上位控制器的設計已經做了很多工作[8>[9>，PID 方法、LQ 理論，滑模理論以及模糊理論都被應用于上位控制器的設計，但基于以上方法的上位控制器基本以提高系統某一性能為目標，未能使控制精度和響應時間兩方面都得到改善。本研究提出了基于混合策略的上位控制器設計方法，理論分析和仿真試驗結果表明，該方法滿足主動避撞系統對安全性和駕駛舒適性兩方面要求的同時，降低了系統的響應時間。
所謂基于混合策略的上位控制器是指結合了LQ 方法和基于時間－能量最優控制方法優點的控制器。控制規律如圖7 所示。基于LQ 方法的上位控制器取狀態誤差和控制量的二次型作為性能指標，所以該控制器的穩態誤差小，控制過程中加速度也相對較小，但是由于性能指標沒有直接體現系統的響應時間，所以系統響應相對較慢。基于時間－能量最優的上位控制器以響應時間和控制量的大小作為性能指標，較基于LQ 方法的上位控制器響應速度有所提高，但是該控制器不能穩定在原點。基于混合策略的上位控制器將LQ 控制穩態誤差小和基于時間－能量最優控制響應速度快的特點結合，獲得了較好的控制效果。
圖7 基于混合策略的上位控制規律
a） 車間距離響應曲線 b）被控車速響應曲線 c）被控車加速度響應曲線
圖8 三種控制器的仿真曲線
由于車輛制動、驅動力特性中含有強烈的非線性，同時車輛質量變動、道路坡度及風阻等外部干擾因素的存在，車輛下位控制器設計時控制系統的魯棒跟隨性和魯棒穩定性往往不能得到兼顧[10>。針對這一問題，本研究設計了基于模型匹配方法的二自由度控制器來實現車輛主動避撞系統下位控制的控制性能。 控制器結構如圖9 所示。此處的二自由度控制器是指參考輸入信號和控制對象的輸出信號情報分別獨立使用，就是既有反饋又有前饋的控制器。此控制器的特征是閉環目標值應答特性可以通過反饋特性的設計來獨立設定。在這種情況下，利用前饋補償器設定目標值的應答特性即模型匹配特性，利用反饋補償器的設計實現反饋特性即系統的魯棒跟隨特性和魯棒穩定特性。
圖9 二自由度模型匹配控制器
表2 下位控制器性能驗證實驗條件表 
a）實驗1 結果對比圖 b）實驗2 結果對比圖
圖10 下位控制器控制效果對比圖
汽車主動避撞系統所用執行器有兩個：節氣門伺服執行器和制動作動器。對于節氣門伺服執行器，采用脈寬調制（PWM）控制的直流電機來實現。對于制動作動器由于制動系統的好壞直接關系到駕駛員的生命安全，所以要求自動制動系統響應要快，可靠性要高；由于目前汽車內可用空間較好，所以要求自動制動系統體積盡量小；為能夠直接、迅速、廣泛地在國內轎車上得到應用，要求自動制動系統對原車的改動要盡量小。在汽車行駛過程中，仍然以人為主，只當汽車間距小于安全距離而人又沒有采取措施時自動制動系統才會起作用。在自動制動作用過程中，只要人一踩制動或加速踏板，則控制權便交給駕駛員，自動制動系統不起作用。所以在自動制動系統和原制動系統之間應當有電控切換裝置。本研究設計的自動制動系統采用液壓系統，原理圖如圖11 所示。本系統輸出壓力的控制采用高速開關閥結合脈寬調制（PWM）
控制來實現。
圖11 液壓自動制動系統原理圖
使汽車具有主動安全性，集信息感知、動態辨識、控制等技術與方法于一體是ITS 的主要研究內容之一。世界各大汽車公司，都在開展這方面的研發，目前日本、歐美汽車企業在汽車主動避撞技術方面已取得實用化成果。這些技術雖然其理論研究成果可以借鑒，但涉及具體技術屬于公司保密范圍，國內企業難以得到具體技術資料，且中國的道路及駕駛習慣與國外不同，不能直接引進使用國外技術。本研究在車輛運動中對周圍障礙物的感知技術和方法、車輛行駛危險或安全狀態的動態辨識方法、汽車主動避撞控制及執行技術等關鍵技術問題的研究方面取得了一定的突破和創新，為解決智能交通系統研究開發過程中的汽車行駛安全問題，提供了理論及技術支撐。
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