汽車防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陶新武

摘要：科學(xué)技術(shù)的飛速提升，為新時期汽車工業(yè)的發(fā)展提供了充足的動力。目前汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷慕煌üぞ?，如何保障汽車行駛安全一直以來都是人們關(guān)注的熱點問題。對汽車防碰撞控制系統(tǒng)進(jìn)行研究可以大幅度的降低交通事故發(fā)生的風(fēng)險，避免生命財產(chǎn)損失。本文將就汽車防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)進(jìn)行深入的探討。

關(guān)鍵詞：汽車防碰撞;系統(tǒng)設(shè)計;縱向;轉(zhuǎn)向

近些年來，隨著我國汽車數(shù)量的增加，交通事故數(shù)量也呈現(xiàn)出增長的趨勢，據(jù)統(tǒng)計分析，絕大部分交通碰撞事故都是因駕駛?cè)藛T反應(yīng)不及時造成的，很多情況下，當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方存在障礙物時已經(jīng)無法做到有效規(guī)避^[1]。基于此，有必要依托先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，研發(fā)汽車主動避讓系統(tǒng)，防止交通碰撞事故的發(fā)生，從而有效的保障人們的生命財產(chǎn)安全。

1汽車防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1明確設(shè)計目標(biāo)

在進(jìn)行汽車防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計的過程中，首先要做的就是對設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行明確，這樣才能有計劃、有針對性的開展設(shè)計工作。結(jié)合汽車防碰撞系統(tǒng)的功能，其設(shè)計目標(biāo)應(yīng)該分為兩個方面，首先在汽車安全行駛的情況下，通過控制車輛駛進(jìn)的方式為駕駛員提供輔助，從而實現(xiàn)對駕駛員疲勞程度的有效調(diào)節(jié)^[2]。其次在汽車危險行駛的情況下，自動控制車輛進(jìn)行安全避讓，提高行車安全性。

1.2規(guī)劃設(shè)計思路

在汽車防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)明確后，要在此基礎(chǔ)上對設(shè)計思路進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃，本文主要研究的是汽車防碰撞控制系統(tǒng)的縱向制動以及轉(zhuǎn)換車道兩種方式，因此需要基于這兩種方式制定相應(yīng)的決策機制，通過決策指標(biāo)體系的建立為行車過程中合理避撞方式的選擇提供依據(jù)。在駕駛員無法針對交通安全隱患做出及時有效的反應(yīng)時，汽車的縱向制動避撞系統(tǒng)可以通過自動控制盡可能的避免碰撞，或是最大程度的減輕碰撞。在無法做到有效躲避障礙物的情況下，則選擇換道的方式躲避障礙物。

1.3汽車防碰撞控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所研究設(shè)計的汽車防碰撞控制系統(tǒng)主要包括傳感器、控制器以及執(zhí)行器三個部分。其中傳感器的功能是對汽車自身及外部信息進(jìn)行獲取，具體包括汽車行駛速度、車輛位置、前方障礙物距離等?？刂破鞯墓δ苁歉鶕?jù)傳感器獲取到的相關(guān)信息，經(jīng)過一定的處理分析后選擇最合理的行駛路徑。執(zhí)行器的功能是執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時將外部交通環(huán)境的變化情況反饋到傳感器中^[3]。

結(jié)合上述內(nèi)容，汽車防碰撞控制系統(tǒng)所涉及到的技術(shù)環(huán)節(jié)主要有四個：其一，信息感知環(huán)節(jié)，即通過傳感器對車輛自身及其周邊的交通信息進(jìn)行獲取，對其所處的交通環(huán)境進(jìn)行實時掌握。其二，信息判斷環(huán)節(jié)，即傳感器將獲取到的交通信息傳遞到中央控制系統(tǒng)，通過車載計算機進(jìn)行處理分析。其三，車輛建模環(huán)節(jié)，即綜合車輛和障礙物相關(guān)信息參數(shù)，構(gòu)建汽車動力學(xué)模型，為系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)提供依據(jù)。其四，控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，在汽車動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用一定的控制算法對汽車轉(zhuǎn)向和加速度進(jìn)行控制。需注意的是，在本環(huán)節(jié)所選的控制算法應(yīng)該盡可能的做到簡單易行。

2汽車縱向避撞控制系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1總體設(shè)計方案

在汽車縱向避撞控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，首先要對系統(tǒng)功能進(jìn)行明確。汽車防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)是通過車輛運行的自動控制，實現(xiàn)駕駛員疲勞程度的有效調(diào)節(jié)，輔助駕駛員安全行駛，避免交通碰撞事故的發(fā)生，基于此，縱向避撞系統(tǒng)的功能即是通過控制汽車縱向的運動狀態(tài)，使其和其他車輛之間始終保持安全距離，以此避免碰撞事故。汽車縱向避撞系統(tǒng)設(shè)計方案主要由傳感器、中央控制器依據(jù)執(zhí)行器三部分構(gòu)成。傳感器用于對車輛自身及前車行車信息進(jìn)行的獲取，現(xiàn)如今比較常見的傳感器為車載雷達(dá)。該系統(tǒng)對汽車縱向運動狀態(tài)的控制主要涉及到加速、減速以及勻速三個方面，具體是通過對車輛發(fā)動機節(jié)氣門開度以及控制系統(tǒng)壓力兩個方面的控制來實現(xiàn)的。

2.2具體設(shè)計步驟

首先，構(gòu)建精準(zhǔn)的車輛動力模型。本文采用虛擬動力學(xué)仿真軟件完成車輛動力學(xué)系統(tǒng)模型的構(gòu)建，經(jīng)檢驗其該模型具有較好的完整性和精確性，可以對非線性的車輛動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行良好的描述，通過對車輛發(fā)動機特性參數(shù)的分析以及制動力和制動輪缸壓力之間的關(guān)系建立車輛逆動力學(xué)模型。

其次，構(gòu)建車輛安全距離模型。綜合考慮車頭距離、舒適性、路面附著系數(shù)以及駕駛員特性等多項因素，建立安全距離模型。

再次，設(shè)計控制器。在進(jìn)行控制器設(shè)計的過程中，本文采用分層方法，將其控制器分為上下兩個層次，上層主要是結(jié)合汽車行駛情況對期望加速度進(jìn)行計算。下層則是對車輛動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)減速、減速、勻速等功能。

如下圖所示，為汽車縱向避撞系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)，它由多個子模塊構(gòu)成，通過多項功能的協(xié)調(diào)配合達(dá)到防碰撞的目的。其中S和Y分別代表著期望安全距離以及車輛和前車之間的實際距離，V和V2為車輛期望速度和實際行駛速度，A和A2分別為車輛期望加速度和實際加速度、B為下層控制器控制量、K1和K2分別代表著車輛的期望節(jié)氣門開度和實際開度，P和P2分別代表著車輛期望制動壓力和實際制動壓力，W為車輛發(fā)動機加轉(zhuǎn)速^[5]。

在該系統(tǒng)下車輛行駛的過程中，系統(tǒng)會根據(jù)其前車的行駛狀態(tài)，對自車安全狀況做出分析判斷，實時計算出期望安全距離，將其與實際距離進(jìn)行對比，一旦后者低于前者，分層控制器就會作用于車輛動力學(xué)系統(tǒng)，通過節(jié)氣門開度和制動壓力的調(diào)節(jié)降低車輛行駛速度。

3轉(zhuǎn)向防避撞控制系統(tǒng)設(shè)計

汽車轉(zhuǎn)向防碰撞控制系統(tǒng)的功能是輔助駕駛員通過側(cè)向運動進(jìn)行換道，并保障這一過程中車輛行駛的穩(wěn)定性，最終達(dá)到防碰撞的目標(biāo)。該系統(tǒng)的設(shè)計步驟大體上和縱向防碰撞控制系統(tǒng)相同，具體包括以下內(nèi)容：首先，構(gòu)建轉(zhuǎn)向換道動力學(xué)模型，具體是結(jié)合魔術(shù)輪胎動力學(xué)模型獲得非線性車輛換到模型，在此基礎(chǔ)上將動力學(xué)模型引入到控制器中。其次，構(gòu)建換道最小安全距離模型。系統(tǒng)在控制車輛進(jìn)行換道時，為了保障其安全性，必須保持在最小安全距離以上。本文參考縱向避撞系統(tǒng)最小安全距離，對多種道路條件下的最小安全距離模型進(jìn)行了構(gòu)建。最后，模型預(yù)測控制轉(zhuǎn)向控制器。汽車轉(zhuǎn)向避撞控制系統(tǒng)系統(tǒng)中采用模型預(yù)測控制轉(zhuǎn)向控制器，基于控制器的計算結(jié)果制定轉(zhuǎn)向控制器，保障車輛能夠在保持穩(wěn)定舒適的前提下通過轉(zhuǎn)換車道達(dá)到防碰撞的目的。

在車輛行駛速度較高的情況下，一旦其前車出現(xiàn)緊急制動或是前方出現(xiàn)靜止障礙物的情況，就需要采用換道的方式實現(xiàn)避撞。在系統(tǒng)判斷需要進(jìn)行換道避撞時，首先是通過安全距離模型進(jìn)行計算和判斷，在此基礎(chǔ)上確定最佳的換道路徑，之后通過換道控制器控制汽車實現(xiàn)換道。

結(jié)語：

綜上所述，通過汽車防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用可以有效的降低交通碰撞事故發(fā)生的概率。本文基于設(shè)計目標(biāo)和思路，從縱向避撞和換道避撞兩個方面入手對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了深入研究闡述，希望可以為實際設(shè)計工作提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]郭東暉.汽車行駛中防碰撞智能控制系統(tǒng)設(shè)計[D].蘭州交通大學(xué)，2018.

[2]胡瑜.汽車防碰撞系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[J].機械工程與自動化，2010（04）：214-216.

（作者單位：杭州鑼卜科技有限公司）