主動式車輛限速方法研究＊

吳鐵民 沈國嬌 陸 建

（東南大學(xué)交通學(xué)院1） 南京 210096） （安徽江淮汽車股份有限公司2） 合肥 230601）

0 引 言

目前國外主動式限速器的研制工作剛剛開始，一些西方的發(fā)達(dá)國家根據(jù)自己國家交通的特點已展開研究．例如英國倫敦交通局定于2009年11月啟動一項“汽車自動限速器”測試計劃，部分出租車、公務(wù)車和公共汽車將在接下來的6個月中試用這種新型限速裝置．國內(nèi)關(guān)于主動式限速器的開發(fā)也提出過多種構(gòu)想，大部分也集中在“主動限速”的方案中［1－3］，但是存在著諸多的不足，集中體現(xiàn)在以下幾方面：（1）車速控制的形式太簡單，使得快速行駛中的車輛實現(xiàn)有困難．該類設(shè)計方案的油路控制方法是直接斷開燃油泵的繼電器開關(guān)，這樣在具體的車輛行駛中控速方面過于單一；（2）存在一定的安全隱患．某些司機懷著僥幸的心理把車速一直保留在限速值附近，造成繼電器開關(guān)的反復(fù)開合，最終導(dǎo)致燒壞繼電器開關(guān)．因此在研究一種主動式車輛限速方法具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景．

1 設(shè)計原理

1.1 設(shè)計思路

根據(jù)系統(tǒng)運作的設(shè)想，本系統(tǒng)由ZigBee通信部分和車載響應(yīng)部分組成．由控制中心通過以太網(wǎng)電纜向安裝有ZigBee通信模塊的發(fā)射塔發(fā)送限速信息，車輛行駛至限速區(qū)附近時，車內(nèi)車載響應(yīng)部分接受到發(fā)射塔發(fā)射的限速信息，進行相應(yīng)的分析之后進行動作，從而達(dá)到限速的目的．

控制中心將根據(jù)具體天氣情況等因素確定限速路段的具體限速值．每個限速路段兩端均有3桿ZigBee發(fā)射器，車輛進入限速路段前，首先接收到限速值預(yù)報即車載接受模塊首先接收到一個標(biāo)識號，之后經(jīng)過第二個信號桿時會識別帶有相應(yīng)標(biāo)識號的限速值信號從而完成限速值信號的傳遞．

車輛在接收到信號后限速器就開始工作，車載數(shù)碼管顯示器上就會顯示該路段限速值以提醒司機主動控制車速，如果車速一直維持在安全車速之下，車載限速器不會干擾車速；若車速已超過限速值，車載語音警報器會警告司機，限速裝置CPU會不斷采集車速與限速值進行比較并計算超速程度，確定相應(yīng)的限速強度．在超速發(fā)生下，若司機已開始降速，則副節(jié)氣門轉(zhuǎn)動角度較小，限速緩慢；若司機在超速情況下繼續(xù)加速，限速器會加大副節(jié)氣門轉(zhuǎn)動角度，控制進氣量使主節(jié)氣門全開狀態(tài)下的進氣量的車速也只能維持在限速值以下，超速情況結(jié)束則解除警報．副節(jié)氣門對進氣量的控制分為6個不同程度，按照旋轉(zhuǎn)角度大小區(qū)分．

當(dāng)車輛駛出限速路段，首先接收到下一路段的標(biāo)識號，經(jīng)過第二個信號桿時得到帶有下一路段標(biāo)識號的限速值（若沒有限速要求，則將限速值設(shè)為一個足夠大的數(shù)值）．

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1．2．1 控制中心監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 控制中心通過相關(guān)監(jiān)控軟件系統(tǒng)對地圖上分布的限速路段進行主動式限速控制的開啟或者關(guān)閉，同時能夠特殊天氣條件和特殊節(jié)假日等對限速值進行調(diào)整．

1．2．2 ZigBee通信系統(tǒng)設(shè)計 發(fā)射桿內(nèi)的Zig－Bee通信模塊接收控制中心的限速信號后實時向外發(fā)射限速信息．

限速信號發(fā)射塔安裝結(jié)構(gòu)見圖1，采用了3塔發(fā)射結(jié)構(gòu)，具體如下：信號標(biāo)桿之間相距約100m，二號信號標(biāo)桿位于限速邊界，負(fù)責(zé)發(fā)送限速數(shù)據(jù)，報文中帶有標(biāo)識ID，例如在位于50km／h和30km／h的邊界信號標(biāo)桿，發(fā)送數(shù)據(jù)格式為：ID1：30；ID2：50．一號與三號信號標(biāo)桿分別負(fù)責(zé)發(fā)送駛向和駛離路段限速值的標(biāo)識ID，例如一號發(fā)送ID1，三號發(fā)送ID2．當(dāng)車輛從限速50km／h駛向30km／h時，率先受到一號信號標(biāo)桿發(fā)送的數(shù)據(jù)：ID1，這是當(dāng)車輛繼續(xù)向前行駛過程中收到二號信號標(biāo)桿數(shù)據(jù)根據(jù)表示ID是即可辨識出駛向路段限速值（30km／h）．同理當(dāng)車輛從限速50km／h駛向30km／h時，率先收到三號信號標(biāo)桿發(fā)送的數(shù)據(jù)：ID2，這是當(dāng)車輛繼續(xù)向前行駛過程中收到二號信號標(biāo)桿數(shù)據(jù)根據(jù)表示ID是即可辨識出駛向路段限速值（50km／h）．

圖1 限速信號發(fā)射塔安裝結(jié)構(gòu)圖

1．2．3 車載響應(yīng)部分設(shè)計 車內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)部分硬件設(shè)計具體如下：通過單片機的脈寬捕獲模塊，采集車速傳感器的信號，計算出當(dāng)前車速，并與ZigBee模塊接收到的限速值進行實時比較如果超速將動作節(jié)氣門并語音報警，短暫延時后，減小副節(jié)氣門的開度．如果車速已經(jīng)降到限速值以下，駕駛員仍可通過油門踏板控制車速．硬件部分結(jié)構(gòu)圖見圖2．

圖2 車內(nèi)響應(yīng)部分硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 為電噴車輛油路控制系統(tǒng)及副節(jié)氣門（節(jié)氣門組件）安裝位置，將節(jié)氣門安裝在發(fā)動機上，用來控制進入氣缸燃燒的進氣量，發(fā)動機原有的管理控制單元則根據(jù)測量到的進氣量，調(diào)整每個循環(huán)的噴油量，從而實現(xiàn)節(jié)氣門開度越大，進入氣缸的空氣量越多，也就是燃油混合氣越多，發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩越高．這樣，可以通過改變節(jié)氣門的開度，從而達(dá)到控制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)對車輛速度的控制．

圖3 車輛油路控制系統(tǒng)示意

圖4 是車輛行駛過程中不同車速下限速器工作時節(jié)氣門的工作狀態(tài)：（1）未超過限速，副節(jié)氣門開度為0；（2）超過限速，副節(jié)氣門開度增大，直至車速降到限速值以下，并保持適當(dāng)時間，這期間即使車速進一步下降也不立即減小開度，直至限速值和實際車速的差值已經(jīng)超過一個閥值，才逐步減小副節(jié)氣門的開度．另外，副節(jié)氣門的安裝位置要盡可能靠近發(fā)動機．

圖4 不同車速下副節(jié)氣門工作形式

為了優(yōu)化副節(jié)氣門的響應(yīng)特性，避免副節(jié)氣門控制的波動，同時也為了使車速的控制更平順，避免車速驟降和驟升，采用模糊控制理論［4－6］作為節(jié)氣門開度控制策略．實現(xiàn)一步模糊控制算法的過程：單片機經(jīng)過中斷采樣獲取車輛行駛速度的精確值，然后將此值與給定值（限速值）比較得到誤差信號e．然后計算出誤差信號e的變化率ec．通過一定的模糊規(guī)則分別對e和ec進行模糊化，得到模糊量E和EC．通過查詢模糊控制查詢表得到模糊輸出量，即節(jié)氣門的位置模糊量．然后通過一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成精確值輸出．

設(shè)偏差值的模糊量為E，偏差值變化率的模糊值為EC．偏差值的精確量的取值范圍是［－10，10］（單位：m／s），偏差值變化率的精確量的取值范圍是［－5，5］（單位：m／s2），輸出量為節(jié)氣門的角度u，取值范圍是［－90，90］（單位：（°））．將他們劃分為13個等級，即｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝．則偏差量e的量化因子為10／6＝1．67，偏差量變化率的量化因子為5／6＝0．84，輸出量的量化因子為90／6＝15，程序流程見圖5．

圖5 模糊控制流程圖

2 Matlab仿真

Matlab仿真框圖及結(jié)果示意圖分別見圖6～7．本控制系統(tǒng)利用模糊控制器代替PD控制，用偏差E和偏差變化率EC這2個量作為模糊控制器的輸入，模糊控制器有一個輸出，通過Matlab仿真出較好的波形．

在圖7中，速度隨著節(jié)氣門開度的變化規(guī)律符合我們限速的設(shè)計思路．A時刻實驗開始，此時由于未接受到任何限速信號，車載限速裝置處于未工作狀態(tài)，副節(jié)氣門開度最大；B時刻系統(tǒng)接收到限速信號，并檢測到超速狀態(tài)，副節(jié)氣門開度迅速減小，車速在短暫的過度后開始降低；C時刻副節(jié)氣門開度達(dá)到了最小，此時車速還沒有降到限速值，車速經(jīng)過一段時間后（D～C）達(dá)到了穩(wěn)定的限速值，D時刻節(jié)氣門也穩(wěn)定于相應(yīng)于限速值的某個開度．

圖6 Matlab模糊控制仿真框圖

圖7 仿真結(jié)果示意圖

3 結(jié) 論

1）該主動式限速器將無線通信與節(jié)氣門控制有機結(jié)合，車輛的限速不再依賴司機主觀意識與地面的減速帶，將車輛的限速從傳統(tǒng)的被動式進步到主動式，在遏制超速方面具有較大的現(xiàn)實意義．

2）系統(tǒng)使用模糊策略控制來控制節(jié)氣門進而限制車速，能夠滿足在不同超速下對車輛進行較柔和的控制，使得限速過程變的比較平穩(wěn)，增加了安全性．

3）結(jié)合限速值的可調(diào)節(jié)性，系統(tǒng)可以和城市交通管理網(wǎng)結(jié)合，可根據(jù)實際路況需求，隨時調(diào)整道路的管制．

雖然本系統(tǒng)經(jīng)過仿真驗證是合理有效的，但由于沒有在實車上進行試驗，在實際使用中仍有可能存在一些問題．

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于因超速造成的事故率高、事故果嚴(yán)重的工地大貨車和長途大卡車，這類車輛可管理性較強，將該系統(tǒng)改裝此類車輛可明顯減少由超速造成的特大事故，從而在保證人民安全和減少國家經(jīng)濟損失具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景．相信隨著交通安全越來越受到關(guān)注，該主動式車輛限速系統(tǒng)將會被越來越廣泛的應(yīng)用在各個交通領(lǐng)域．

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