汽车自适应巡航控制系统(ACC)的研究与发展 - 文章

汽车自适应巡航控制系统(ACC)的研究与发展

作者：吉林大学詹军郭孔辉

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[摘要] 汽车自适应巡航控制系统（ACC）能减轻驾驶员疲劳强度，增加汽车安全性，减小环境污染，是发展最快的驾驶员辅助系统之一。ACC 由测距雷达、ECU、作动器组成。文章介绍了用于ACC 系统的测距雷达的研制状况，ACC 中央系统控制器的研究，执行机构节气门作动器和制动作动器的研究。
关键词：自适应巡航控制测距雷达控制器作动器

1 前言

智能交通系统（ITS）最近几十年来得到快速发展[1]。由于驾驶员辅助系统可改进驾驶舒适性，提高汽车安全程度，受到研究者和汽车制造商的普遍关注。其中研究较多，受到汽车制造商普遍关注和用户认可的系统便是自适应巡航控制系统（ACC）[1,2,3]，它通过自动控制自车的加速度以保持自车与前车的车头距，从而大大减轻驾驶员在高速公路上旅行时的劳动强度，让驾驶员从频繁的加速和减速中解脱出来，享受更加舒适的驾驶，此外，它可增加汽车的主动安全，减小环境污染。本文将系统介绍汽车自适应巡航控制系统的研究和发展。

2 汽车自适应巡航控制系统（ACC）的原理与结构

汽车自适应巡航控制根据驾驶员设定的车间时距，通过控制自车的节气门和制动器来控制自车的速度和加速度，以实现设计的目标车头距，从而进行自适应巡航控制。自适应巡航控制是从传统巡航控制（Conventional Cruise Control）发展而来的，它工作的基本原理为：当自车通过雷达探测到前方没有汽车等其它障碍物时，汽车执行传统巡航控制，按驾驶员设定的速度行驶；当雷达探测到前方有汽车切入或减速行驶时，启动ACC 控制系统，按照驾驶员设定的车间时距，通过调节节气门作动器和制动作动器来控制自车的速度和加速度，以保证计算的车头净距。ACC 的组成[2]如图1 所示。

从ACC 的组成图可以看出，ACC 系统主要由测距传感器（雷达）、ECU 和作动器组成。测距传感器即雷达，用于测量自车与前车的相对距离、相对速度、相对加速度；中央控制单元ECU 进行控制计算，负责计算设定速度、实现车头净距控制的加速度，并发出控制指令，控制汽车速度和加速度的执行机构；作动器包括节气门作动器和制动作动器，用于调节汽车的加速度，以满足控制的要求。本文将对测距雷达、ECU、作动器的研究逐一介绍。

3 测距雷达的研究

在ACC 系统中，测距雷达用于测量自车与前方车辆的车头距、相对速度、相对加速度，是自适应巡航控制系统中关键设备之一，也是决定该系统造价的主要元件。它造价的高低直接影响该项技术的推广应用，因而在该项技术中占有重要地位。它包括发射天线、接受天线和DSP（数字信号处理）处理单元、数据线总成几部分。当前，测距雷达的研究主要集中在毫米波雷达和激光雷达上[6]。

毫米波雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。毫米波频率高、波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高。在汽车上应用毫米波雷达测距，有以下特点：①探测性能稳定。它不易受对象表面形状和颜色的影响，也不受大气流的影响。②环境适应性能好。雨、雪、雾等对之干扰小。作为车载雷达，目前适用的主要有脉冲多普勒雷达、双频CW 雷达和FM 雷达三种。应用雷达测距，需要防止电磁波干扰，雷达彼此之间的电磁波和其他通信设施的电磁波对其测距性能都有影响。

激光雷达是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是：从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。但当激光镜头被泥、雪等物质盖住后，或在强光干涉情况下，激光雷达工作将受到影响。

ACC 系统对雷达的基本要求为：外形体积（特别是天线）较小，适于在汽车上安装；测距范围大于100m；测量精度小于1m；接近速度在100km/h 以上；应能利用汽车的电源，消耗功率较小。当前世界主要生产测距雷达的厂家及雷达参数如表1 所示。

表1 世界汽车测距雷达生产情况

4 控制器ECU的研究

控制器ECU 是ACC 系统的中央处理器，是系统的核心部分。它负责将传感器送来的数据（包括相对距离、相对速度）进行处理，然后按照控制算法进行计算，最后形成指令控制作动器工作。它主要包含目标车头距计算，决定自车与前车的距离；车头距控制器，它计算获得目标车头距的车速、加速度命令；车速控制器，它决定制动作动器和节气门作动器的工作。它的结构框图[2]如图2 所示。

控制器的研究是整个系统研究的中心，是研究的重点，也是研究的主要内容。当前各研究单位研究的目标都集中在控制器上。研究采用各种方法，利用经典控制理论或现代控制理论，控制采用经典的PID 控制，也有采用LQ 最佳控制，LQG最佳控制，模糊控制，神经网络控制，混合控制等。研究围绕提高车流稳定性、改善乘坐舒适性、增大控制器带宽以适应城市停——走车况需要等多方面开展。但基本原理都相同。

首先，根据雷达测试结果判断前方是否存在汽车等障碍物，如果没有，进入传统巡航控制，按照驾驶员设定的车速控制汽车，汽车在设定速度上行驶。如果前方存在汽车，先判断自车与前车的车头净距是否大于期望车头距（期望车头距由前车速度乘上驾驶员选定的时间带，加上预先设定偏置距离），如果是，进入速度控制算法，采用跟随前车的策略，控制自车与前车的速度相同；如果不是，进入距离控制算法，严格控制车头距最终让车头距保持在期望值上。

汽车纵向控制的状态空间模型[5]可表示为：

5 作动器的研究

作动器是ACC 系统的执行机构。作动器包括节气门作动器和制动作动器。控制器ECU计算出汽车的加速度，再将控制命令传递到作动器，控制节气门作动器和制动作动器的动作，实现汽车的加速或减速。对节气门的控制根据发动机的图谱反算节气门的开度，再通过机械的方式来控制节气门的开度，从而控制发动机的输出转矩。对制动的控制可通过增加由PWM 电磁控制的电子真空助力器来实现。电子真空助力器与制动的真空助力器相连，其结构[4]示意图如图3 所示。控制器通过电磁铁控制电子真空助力器的气压输入，从而控制真空助力器的压力，实现制动装置的制动。

图3 真空助力器结构示意图

6 结论

汽车自适应巡航控制系统（ACC）因为具有减轻驾驶员疲劳强度，增加汽车安全性，减小环境污染等优点，最近几年得到迅速发展，是最受欢迎的驾驶员辅助系统之一。本文就ACC 系统的研究和发展进行了全面介绍，介绍了ACC 的组成、结构，用于ACC 系统的测距雷达的研究生产状况，ACC 中央系统控制器ECU 的研究，执行机构节气门作动器和制动作动器的研究。

参考文献
1 Takao Kubozuka. Perspective of ITS Technology: A Scenario. Proceeding of International Symposium on Advanced Vehicle Control, 2002
2 Kyongsy Yi, Hki Moon, Sukki Min at al. Vehicle Tests of Longitudinal Control Algorithm for Stop and Go Cruise Control. Proceeding of International Symposium on Advanced Vehicle Control, 2002
3 Yoshinori Yamamura, Yoji Seto, Hikaru Nishira at al. An ACC Design Method for Achieving Both String Stability and Ride Comfort. Proceeding of International Symposium on Advanced Vehicle Control 2002
4 Akira Higashimata, Kazutaka Adachi, Takenori Hashizume at al. Design of a headway distance control system for ACC. JSAE review 22(2001) 15-22
5 Kyongsu Yi, Sejin Lee, Joonwoong Lee. Modeling and control of an electronic-vacuum booster for vehicle-to-vehicle distance control. Proceeding of International Symposium on Advanced Vehicle Control 2000
6 LU Jing，LIU Zhaodu，SHI Kaibin，AN Wei．New Adaptive Cruise control Method． Journal of Beijing Institute of Technology，2000，(9)，4：428～433(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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