（光學(xué)工程專業(yè)論文）汽車避撞控制系統(tǒng)建模與仿真研究.pdf

碩i j 學(xué)化論殳 摘要 汽車工業(yè)的高速發(fā)展，給人類的生活帶來了巨大的方便，同時(shí)也給人類帶來 了嚴(yán)峻的交通安全問題。隨著社會(huì)的進(jìn)步，各國對(duì)交通安全問題越來越重視，以 避免事故發(fā)生為目的的主動(dòng)安全技術(shù)也成為了各國的研究重點(diǎn)。其中汽車避撞控 制系統(tǒng)的研究正成為國內(nèi)外汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。深入展，f ：汽牟避 掩控制系統(tǒng)的研究對(duì)于降低事故發(fā)生率，減少人員財(cái)產(chǎn)損失，促進(jìn)智能交通的發(fā) 展具有蕈要意義。 本文在總結(jié)國內(nèi)外汽車避撞控制系統(tǒng)的研究工作的基礎(chǔ)上，定義了汽車避撞 控制系統(tǒng)的總體方案，提出了系統(tǒng)的功能模塊，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求，規(guī)劃了汽 車避撞系統(tǒng)的總體方案、技術(shù)要求及其實(shí)現(xiàn)途徑。 借助于c a r s i m 軟件強(qiáng)大的建模功能，建立了求取期望節(jié)氣門丌度和期望制 動(dòng)壓力的逆車輛動(dòng)力學(xué)模型，為后面的汽車避撞控制系統(tǒng)研究做準(zhǔn)備。進(jìn)行了汽 車避掩控制系統(tǒng)的安全距離模型的研究，提出了預(yù)警臨界距離和制動(dòng)臨界距離兩 個(gè)模型，并進(jìn)行了避撞預(yù)警算法的研究；規(guī)劃了汽車追尾避撞的碰撞預(yù)警和碰撞 避免算法。針對(duì)汽車的強(qiáng)非線性，采用具有良好的自適應(yīng)性和參數(shù)自整定功能的 單神經(jīng)元p i d 控制策略，設(shè)計(jì)了汽車避撞控制系統(tǒng)的單神經(jīng)元p i d 下位控制器。 對(duì)具有強(qiáng)非線性的汽車制動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)油門進(jìn)行控制研究。 為了滿足汽車避撞控制系統(tǒng)的不同功能要求，分別設(shè)計(jì)了不同的上位控制器， 并基于m a t l a b 和c a r s i m 軟件環(huán)境進(jìn)行了聯(lián)合仿真，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的算法的準(zhǔn)確 性。仿真結(jié)果表明所提出的算法能夠符合汽車避撞控制系統(tǒng)的要求，可以為相關(guān) 研究提供參考和借鑒。 關(guān)鍵詞：汽車避撞；c a r sim 建模；安全距離；預(yù)警算法；單神經(jīng)元pid 下位控 制器；上位控制器 汽乍進(jìn)柿擰制系統(tǒng)繾 ：；! j 仿真研究 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb r o u g h tg r e a tc o n v e n i e n c et o h u m a nl i f e ，b u ta l s op o s e das e r i o u ss a f e t yp r o b l e mt oh u m a nb e i n g s w i t ht h e p r o g r e s so fs o c i e t y ，m o s to fc o u n t r i e sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h et r a f f i cs a f e t y t h e a c t i v es a f e t yt e c h n o l o g i e sw h i c hc a na v o i dt h ea c c i d e n ta r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t a u t o m o t i v ec o l l i s i o na v o i d a n c er e s e a r c hi sb e c o m i n go n eo ft h eh o ti nt h e f i e l do fa c t i v es a f e t yr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h ed e p t hs t u d yo fa u t o m o t i v e c o l l i s i o na v o i d a n c ei si m p o r t a n tt or e d u c et h ea c c i d e n tr a t e ，t or e d u c ep r o p e r t yl o s s e s ， a n dt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c hw o r kf o rv e h i c l ec o l l i s i o na v o i d a n c e s y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rd e f i n e st h eo v e r a l ls c h e m eo fv e h i c l ec o l l i s i o n a v o i d a n c ec o n t r o ls y s t e m ，a n dp u t sf o r w a r dt h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l e a c c o r d i n gt o t h ef u n c t i o n so ft h es y s t e mr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rp l a n st h eo v e r a l ls c h e m e ，t h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa n di t sr e a l i z a t i o nw a y s b yc a r s i ms o f t w a r ep o w e r f u lm o d e l i n gf u n c t i o n s ，a ni n v e r s ed y n a m i c sm o d e lo f v e h i c l e sw h i c hc a l c u l a t e st h ee x p e c t e dt h r o t t l ev a l v ea n dt h ee x p e c t e db r a k ep r e s s u r e i se s t a b l i s h e d a b o v ew o r ki s p r e p a r e df o rt h ef o l l o w i n gs t u d yo fv e h i c l ec o l l i s i o n a v o i d a n c es y s t e m b e c a u s ev e h i c l ec o l l i s i o na v o i d a n c en e e d sas a f ed i s t a n c em o d e l ， s ot h es t u d yo ft h es a f ed i s t a n c em o d e li nt h ef o l l o w i n gi se s s e n t i a l a f t e rt h a t ，t h e p a p e rp r o p o s e sac r i t i c a lw a r n i n gd i s t a n c em o d e la n dac r i t i c a lb r a k i n gd i s t a n c em o d e l ， a n dt h e np l a n st h ew a r n i n ga l g o r i t h mo fv e h i c l ec o l l i s i o na v o i d a n c e a i m i n ga tt h e n o n l i n e a ro fv e h i c l e ，t h ep a p e rd e s i g n sas i n g l en e u r o np i dc o n t r o l l e rf o rv e h i c l e c o l l i s i o na v o i d a n c e b e c a u s et h es i n g l en e u r o np i dc o n t r o l l e rh a sg o o da d a p t a b i l i t y a n dp a r a m e t e rs e l f - s e t t i n gf u n c t i o n ，i ti su s e dt oc o n t r o lt h es t r o n gn o n l i n e a r a u t o m o b i l eb r a k es y s t e ma n dt h ee n g i n ea c c e l e r a t o r a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to fa u t o m o t i v ec o l l i s i o na v o i d a n c e ，t h e p a p e rh a sd e s i g n e dd i f f e r e n tu p p e rc o n t r o l l e rr e s p e c t i v e l y ，a n dh a sm a d es o m ej o i n t s i m u l a t i o n sb ym a t l a ba n dc a r s i mi no r d e rt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ea l g o r i t h m s p r e s e n t e da b o v e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e la n dt h ea l g o r i t h m s m e e tt h er e q u i r e m e n t si n t ov e h i c l ec o l l i s i o na v o i d a n c e ，a n dc a np r o v i d er e f e r e n c ef o r t h er e l a t e dr e s e a r c h k e yw o r d s ：c o l l i s i o na v o i d a n c es y s t e m ( c a s ) ； c a r s i mm o d e l i n g ； s a f e t y ，i 7 廣邂掩榨制系統(tǒng)矬模j 仿真研究 d i s t a n c e ；w a r n i n ga l g o r i t h m s ； s i n g l en e u r o np i dl o w e rc o n t r o l l e r ；u p p e r c o n t r o l l e r i v 順f 位論文 插圖索引 圖1 1典型的汽車避掩系統(tǒng)框圖3 圖1 2車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制7 圖2 1汽車避撞系統(tǒng)總體方案一1 l 圖2 2 汽車避撞控制系統(tǒng)總體方案1 2 圖2 3避撞控制系統(tǒng)工作過程示意圖一13 圖2 4實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)總體方案所必需的關(guān)鍵技術(shù)1 4 圖3 1汽車動(dòng)力學(xué)模型各總成之i 日j 的相互關(guān)系l6 圖3 2c a r s i m 軟件的組成1 7 圖3 3c a r s i m 整午模型所包括的子系統(tǒng)1 8 圖3 4發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性曲線圖19 圖3 5車輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)19 圖3 6定車速車輛減速度曲線2 0 圖3 7節(jié)氣門和制動(dòng)控制切換邏輯框圖一2 1 圖3 8車輛受力分析圖2 2 圖3 9液力變矩器扭矩特性曲線一2 2 圖3 1o k ，的計(jì)算框圖2 3 圖3 11期望節(jié)氣門開度汁算框圖2 4 圖3 1 2期望制動(dòng)壓力計(jì)算框圖2 5 圖3 13避撞控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型框圖2 5 圖3 1 4c a r s i m 簡單駕駛員模型2 6 圖4 1車輛制動(dòng)過程分析圖3 2 圖4 2逐級(jí)指示燈顯示3 6 圖5 1下位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一3 8 圖5 2模擬p i d 控制系統(tǒng)原理框圖3 9 圖5 3人工神經(jīng)元模型4 0 圖5 4單神經(jīng)元p i d 控制器結(jié)構(gòu)框圖4 2 圖6 1定速巡航比列控制器4 6 圖6 2定速巡航控制系統(tǒng)原理框圖一4 7 圖6 3定速巡航控制系統(tǒng)4 7 圖6 4縱向速度仿真曲線4 8 圖6 5縱向加速度曲線4 8 圖6 6節(jié)氣門開度曲線4 8 圖6 7制動(dòng)壓力曲線4 9 v i i 汽下進(jìn)掩托；制系統(tǒng)址f ；! j 仿真研究 圖6 8 圖6 9 圖6 10 圖6 1 1 圖6 12 圖6 13 圖6 1 4 圖6 15 圖6 16 圖6 17 圖6 18 圖6 19 圖6 2 0 圖6 2 1 圖6 2 2 圖6 2 3 圖6 2 4 圖6 2 5 圖6 2 6 圖6 2 7 圖6 2 8 圖6 2 9 期望加速度曲線4 9 縱向速度仿真曲線5 0 實(shí)際加速度曲線5 0 節(jié)氣門丌度曲線5 0 制動(dòng)壓力曲線5l 自適應(yīng)巡航控制上位控制器5 2 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)原理框圖5 3 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)5 3 自仃車運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)置曲線5 4 兩車速度變化曲線5 4 兩牟距離變化d l i 線5 5 兩車位移，變化曲線5 5 制動(dòng)臨界距離模型5 6 避撞模式上位控制器5 6 避撞模式控制系統(tǒng)原理框圖5 7 避撞模式控制系統(tǒng)5 7 安全距離變化曲線5 8 兩車實(shí)際距離變化曲線5 8 兩車位移變化曲線5 9 前車速度變化曲線5 9 自車速度變化曲線5 9 自車期望減速度變化曲線6 0 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其它個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：孳譜鐳嗍矽口7 年月1 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密團(tuán)。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 孿j 掘 日期：仂口7 年 同期：彳年 日日 ，虧 咱卵 碩上學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 本文研究背景和意義 1 1 1 研究背景 行車安全歷來是人們關(guān)心的問題之一，隨著汽車保有量的增長和公路等級(jí)的 不斷提高，特別是高速公路的飛速發(fā)展，汽車的行駛速度越來越快，車流量也越 來越大，汽車碰撞事故越來越多，行車安全問題也越來越受到人們的重視。據(jù)統(tǒng) 計(jì)，全世界每年死于道路交通事故的人數(shù)估計(jì)超過5 0 萬人，傷1 0 0 0 萬人【l ，2 】，全 世界范圍內(nèi)平均每分鐘至少有一人死于交通事故。我國更是世界上交通事故最嚴(yán) 重的國家，隨著我國汽車保有量以每年大約1 5 的速度遞增，交通事故發(fā)生數(shù)也 呈逐年遞增趨勢(shì)，由公安部交通管理局統(tǒng)計(jì)分析【3 】，2 0 0 6 年全國共發(fā)生道路交通 事故3 7 8 8 7 1 起，造成8 9 4 5 5 人死亡、4 3 1 1 3 9 人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失1 4 9 億元。 面對(duì)嚴(yán)峻的交通安全問題，各國政府和企業(yè)紛紛制定研究計(jì)劃，并加大了這 方面的研究力度。目前，已研究了很多被動(dòng)性安全措施來減小事故發(fā)生后的人員 傷亡，如安全氣囊、安全帶和吸能車體等，這些措施在一定程度上減輕了事故的 傷害程度，但不能完全避免事故的發(fā)生和降低道路安全事故的發(fā)生率。所以，以 事故避免為目的的汽車主動(dòng)安全技術(shù)已得到各國政府和企業(yè)的重視。 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，汽車主動(dòng)安全技術(shù)獲得了快速的發(fā)展，主動(dòng)安全裝備 也越來越先進(jìn)，從最初的a b s 、e s p 到a c c 自適應(yīng)巡航系統(tǒng)到近來的車道偏離 預(yù)警系統(tǒng)、停車輔助系統(tǒng)等。以上主動(dòng)安全裝備可在一定程度上提高汽車的安全 性，但不能從根本上降低碰撞事故發(fā)生率，所以有必要開展汽車避撞系統(tǒng)的研究。 作為智能交通的重要項(xiàng)目之一，碰撞預(yù)警碰撞避免系統(tǒng)已成為各國的研究重點(diǎn)之 一。國外一些汽車公司、大學(xué)在政府的支持下，已經(jīng)開展了這方面的研究與開發(fā) 工作，例如：日本政府主導(dǎo)的由各大汽車公司及大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)參與的先進(jìn)安全 汽車a s v ( a d v a n c e ds a f e t yv e h i c l e ) 項(xiàng)目，通過概念設(shè)計(jì)、單元技術(shù)實(shí)用化及系統(tǒng) 綜合技術(shù)研究開發(fā)、試驗(yàn)車制作、實(shí)車試驗(yàn)的實(shí)施等步驟，已于2 0 0 0 年取得實(shí)用 化成果【4 】；美國交通部主導(dǎo)的自動(dòng)公路系統(tǒng)( a h s ) 開發(fā)項(xiàng)目結(jié)束后，于1 9 9 8 年開 始了以避撞系統(tǒng)c a s ( c o l l i s i o na v o i d a n c es y s t e m ) 為中心的智能汽車 i v i ( i n t e l l i g e n tv e h i c l ei n i t i a t i v e ) 項(xiàng)目，并取得階段成果【5 】。 1 1 2 研究意義 美國國家高速公路安全委員會(huì)( n h t s a ) 的調(diào)研表明，在道路交通致死事故 中，因駕駛員過失( 如判斷失誤，決策失誤) 造成的約占7 0 9 0 1 6 j 。如果能 ，夠在事故發(fā)生前提醒駕駛員注意并在緊急狀況下幫助駕駛員采取安全措施，就可 汽車避攛控制系統(tǒng)建模與仿真研究 以大大降低交通事故的發(fā)生率，減輕事故的傷害程度，汽車避撞控制系統(tǒng)正是實(shí) 現(xiàn)這一功能的技術(shù)途徑之一。 在一些非常緊急情況，如前方車輛緊急制動(dòng)、前方車輛由于發(fā)生碰撞事故而 原地停止等情況，應(yīng)用避撞控制系統(tǒng)對(duì)于降低道路交通事故發(fā)生率、提高車輛主 動(dòng)安全性具有重要意義。研究表明，借助于汽車避撞控制系統(tǒng)，追尾碰撞降低率 可達(dá)6 2 【7 】，無事故發(fā)生時(shí)可大大降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 汽車避撞控制系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來擴(kuò)展駕駛?cè)藛T的感知能力， 將外界信息( 如車速、與其它障礙物距離) 傳遞給駕駛?cè)藛T，同時(shí)避撞中央控制 系統(tǒng)依據(jù)自車傳感系統(tǒng)獲取的行車信息，判斷車輛當(dāng)前運(yùn)行的安全狀態(tài)，在緊急 情況下系統(tǒng)能自動(dòng)采取措施控制汽車，避免碰撞事故的發(fā)生，保證行車安全或最 大可能的減小事故的傷害程度。汽車避撞控制系統(tǒng)使汽車具備了主動(dòng)安全性，能 減少交通事故的發(fā)生率，是一種防患于為未然的裝備，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 汽車避撞控制系統(tǒng)作為汽車主動(dòng)安全領(lǐng)域一個(gè)研究課題，所涉及的各關(guān)鍵技 術(shù)方面還有許多尚未解決的問題，需要對(duì)其進(jìn)一步深入研究。國內(nèi)對(duì)于汽車避撞 控制系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究尚處于起步階段，開展汽車避撞系統(tǒng)研究，對(duì)于提 高我國道路交通的安全水平，降低交通事故發(fā)生率，促進(jìn)智能交通系統(tǒng)在我國的 發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。 1 2 汽車避撞控制系統(tǒng)的定義 本文所研究的汽車避撞控制系統(tǒng)是指主動(dòng)安全范疇的車輛智能避撞控制技 術(shù)。系統(tǒng)可定義為：利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來擴(kuò)展駕駛員的感知能力，將 傳感器獲取的信息( 如自車車速、前車車速、與前車距離等) 傳遞給駕駛員，同 時(shí)中央控制系統(tǒng)在路況與車況的綜合信息中判斷是否構(gòu)成安全隱患，事故發(fā)生前 進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警無效則自動(dòng)進(jìn)行避撞控制，最大限度降低事故發(fā)生率和事故傷害 度。 汽車避撞控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上，主要可以分為環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)、狀態(tài)判斷子系 統(tǒng)、控制執(zhí)行子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)主要功能是： 環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)：識(shí)別車外道路上的其它車輛、道路標(biāo)志信號(hào)以及前方行人、 障礙物等，并測(cè)出相對(duì)速度信息；運(yùn)用傳感器技術(shù)獲取自車的實(shí)時(shí)車速信號(hào)、節(jié) 氣門開度信號(hào)、加速度信號(hào)等，完成對(duì)車內(nèi)外環(huán)境的識(shí)別功能。 狀態(tài)判斷子系統(tǒng)：利用環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果，對(duì)汽車所處狀態(tài)進(jìn)行判 斷，對(duì)車輛當(dāng)前的危險(xiǎn)程度進(jìn)行計(jì)算，確定當(dāng)前車輛所適用的狀態(tài)判斷模型，并 對(duì)控制執(zhí)行子系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令。 控制執(zhí)行子系統(tǒng)：接受狀態(tài)判斷子系統(tǒng)的判斷結(jié)果，當(dāng)危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，告警系 統(tǒng)對(duì)駕駛員發(fā)出警報(bào)，如果駕駛員在一定時(shí)問內(nèi)未做出任何反映，則系統(tǒng)自動(dòng)采 2 碩上學(xué)位論文 取措施控制車輛運(yùn)行，以保證行車安全。 典型的汽車避撞系統(tǒng)如圖1 1 所示【8 】。 道路狀況 傳感器 車輪轉(zhuǎn)速 傳感器 覆隔 傳感器 轉(zhuǎn)向角傳 感器 行車環(huán)境傳感器| 卜_ 一 掃描雷達(dá) 中央控制器 危險(xiǎn)安全狀態(tài)判斷 報(bào)警裝置 節(jié)氣門 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 制動(dòng)、轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu) 圖1 1典型的汽車避撞系統(tǒng)框圖 目前研究開發(fā)的汽車避撞系統(tǒng)主要有以下四種類型： ( 1 ) 車輛避撞報(bào)警c w s ( c o l l i s i o nw a r n i n g ) 系統(tǒng)，它是針對(duì)減輕車輛碰撞 危害研發(fā)的，此系統(tǒng)對(duì)探測(cè)到的危害情況給出警報(bào)，美國已經(jīng)在一些重型卡車和 公交車輛上實(shí)現(xiàn)商用 9 , 1 0 】。 ( 2 ) 車輛白適應(yīng)巡航控制a c c ( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r 0 1 ) 系統(tǒng)，其主要目 的是主動(dòng)避撞，安裝有此系統(tǒng)的車輛可以實(shí)現(xiàn)簡單交通情況下的主動(dòng)避撞及巡航 控制，一些汽車公司在高檔車型上已經(jīng)開始采用a c c 技術(shù)【1 1 】。 ( 3 ) 復(fù)合型車輛智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)復(fù)雜交通情況，特別是市區(qū)交通 環(huán)境，采用a c c 系統(tǒng)輔以車輛停走( s t o p & g o ) 系統(tǒng)【l2 1 ，提高車輛智能控制的 實(shí)用性。 ( 4 ) 將a c c 與避撞控制系統(tǒng)集成的一體化的安全系統(tǒng)【1 3 】，根據(jù)駕駛時(shí)自車 減速度的不同將實(shí)際行車過程分為三種模式：即舒適模式、大的減速度模式、緊 急制動(dòng)模式。自車減速度的確定通過大量駕駛員的實(shí)際駕駛數(shù)據(jù)總結(jié)出來。三種 模式可以自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)了全速度域的安全自動(dòng)駕駛。 本文所研究汽車避撞系統(tǒng)主要有三項(xiàng)功能：一是前方?jīng)]有車輛的交通情況下， 按照駕駛員的設(shè)定，自動(dòng)控制車輛進(jìn)行定速巡航控制，降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度； 二是在前方有車輛，交通流比較密集的情況下，使自車與前車進(jìn)行車間距保持運(yùn) 動(dòng)，即進(jìn)行自適應(yīng)巡航控制；三是在前車緊急剎車等非常緊急情況下避免碰撞事 故的發(fā)生或減小碰撞劇烈程度，降低碰撞帶來的損害。 1 3 避撞控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 汽車避撞控制系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)由傳感器、控制器 和執(zhí)行器三部分組成。為實(shí)現(xiàn)避撞的功能，汽車縱向避撞系統(tǒng)主要包括以下幾項(xiàng) 關(guān)鍵技術(shù)：行車信息獲取、車輛安全狀態(tài)判斷、車輛動(dòng)力學(xué)建模和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 汽車避掩控制系統(tǒng)建模，+ j 仿真研究 1 3 1 行車信息獲取 汽車行駛過程中周邊和自車的信息獲取是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，包括目標(biāo)識(shí)別、 自車到目標(biāo)車的距離信息、自車與目標(biāo)車間的相對(duì)速度信息、自車速度、加速度、 節(jié)氣門位置、制動(dòng)踏板動(dòng)作、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)回路油壓信息等，所用的傳感器 主要包括：距離測(cè)量傳感器、車速傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、制動(dòng)踏板、加速 踏板及離合器動(dòng)作傳感器、車輛加速度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器以及制動(dòng)油壓 傳感器等。行車信息獲取中的關(guān)鍵技術(shù)是車間距離的測(cè)量。 目前的距離測(cè)量采用的技術(shù)手段有超聲波測(cè)量、紅外線測(cè)距、激光測(cè)量、機(jī) 器視覺( 如c c d 攝像機(jī)) 和雷達(dá)技術(shù)。超聲波測(cè)距和紅外線測(cè)距雖然結(jié)構(gòu)簡單， 價(jià)格低廉，但容易受到惡劣氣象條件干擾，無法確保測(cè)距精度。現(xiàn)階段，國外在 汽車避撞及智能交通領(lǐng)域應(yīng)用較多的距離測(cè)量技術(shù)是機(jī)器視覺技術(shù)和雷達(dá)技術(shù) ( 包括激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)) 。 基于機(jī)器視覺的車間距離測(cè)量研究【1 4 , 1 5 】是通過對(duì)視覺信號(hào)的實(shí)時(shí)處理獲得 車間距離值。視覺信號(hào)具有探測(cè)范圍寬、信息完整、符合人的認(rèn)知習(xí)慣等優(yōu)勢(shì)， 特別是在對(duì)道路及分道線的探測(cè)方面，視覺信號(hào)具有無法替代的優(yōu)勢(shì)。但機(jī)器視 覺測(cè)距應(yīng)用于汽車避撞環(huán)境時(shí)卻存在較大的不足：一是由于視覺信號(hào)處理的運(yùn)算 量大，距離測(cè)量的實(shí)時(shí)性較低；二是受攝像頭分辨率及視覺信號(hào)處理方法的限制， 基于機(jī)器視覺測(cè)得的車間距離精度較低。 與基于機(jī)器視覺的車間距離測(cè)量技術(shù)相比，雷達(dá)測(cè)量的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性較好。 按測(cè)量介質(zhì)不同，可以將車載雷達(dá)系統(tǒng)分為激光雷達(dá)和微波雷達(dá)兩種。激光雷達(dá) 和微波雷達(dá)作為兩種不同機(jī)制的傳感器，各有優(yōu)缺點(diǎn)。微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可 靠，測(cè)量性能受天氣等外界因素的影響較小，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。激光 雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量精度較高，缺點(diǎn)是測(cè)量性能易受環(huán)境因素干擾， 在雨、雪、霧等天氣情況下測(cè)量性能會(huì)有所下降。 在車載激光雷達(dá)系統(tǒng)研制及應(yīng)用方面，從二十世紀(jì)八十年代開始，日本的研 究人員針對(duì)車載應(yīng)用的要求，先后設(shè)計(jì)了單光束激光雷達(dá)、一維掃描式激光雷達(dá)、 用于潮濕環(huán)境距離測(cè)量的變功率一維掃描式激光雷達(dá)、用于彎道和坡道目標(biāo)車探 測(cè)的二維掃描式激光雷達(dá)、與轉(zhuǎn)向信號(hào)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)彎道目標(biāo)車輛探測(cè)的激光雷達(dá) 系統(tǒng)等，并獲得了較好的車載使用效果。德國維爾德黑布呂格公司光學(xué)傳感器分 部研制的m e a r 激光器測(cè)距離系統(tǒng)，安裝在車頭部的這種系統(tǒng)可向司機(jī)提供與其 它車輛和障礙物之間的距離及相對(duì)速度數(shù)據(jù)，同時(shí)提供視頻圖像；通用公司為探 測(cè)車頭正前方以外區(qū)域的障礙物，正在研究的避撞告警系統(tǒng)采用的是激光雷達(dá)技 術(shù)，可增加有效作用距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的最佳探測(cè)。 在車載微波雷達(dá)的研制及應(yīng)用方面，目前，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)是各國研究的重 點(diǎn)【l 引，并已開發(fā)出一些實(shí)用化產(chǎn)品。德國奔馳汽車公司、日本同產(chǎn)汽車公司等都 4 碩上學(xué)位論文 在自己的汽車避撞及自動(dòng)巡航系統(tǒng)的開發(fā)中應(yīng)用德國的a d c 公司生產(chǎn)的毫米雷 達(dá)系統(tǒng)。豐田汽車公司使用毫米波雷達(dá)和c c d 攝像機(jī)對(duì)前后車距進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)， 當(dāng)車距小于閥值時(shí)就報(bào)警。d e n s o 公司與日本豐田公司、三菱公司合作開發(fā)的電 子掃描式毫米波( e l e c t r o n i c a l l ys c a n n i n gm m w ) 雷達(dá)，采用調(diào)頻連續(xù)波測(cè)距方式， 結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾性能好。 1 3 2 車輛安全狀態(tài)判斷 在汽車避撞系統(tǒng)中，由環(huán)境識(shí)別子系統(tǒng)采集到的車輛狀態(tài)及行車信息傳遞給 汽車避撞系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)綜合各方面的信息，依據(jù)安全狀態(tài) 判斷邏輯進(jìn)行車輛行車安全狀態(tài)的判斷，并依據(jù)判斷結(jié)果對(duì)執(zhí)行器發(fā)出相應(yīng)的操 作指令。 國內(nèi)外的安全狀態(tài)判斷方面的研究主要可分為兩類，一類是通過計(jì)算兩車間 的碰撞時(shí)間與安全時(shí)間門檻值進(jìn)行比較，確定安全狀態(tài)，稱為安全時(shí)間邏輯算法。 但由于不同駕駛員的駕駛行為特性不盡相同，對(duì)安全時(shí)間門檻值的要求不一致， 因此，真正以安全時(shí)間邏輯算法進(jìn)行安全性判斷的系統(tǒng)很少。另一類是安全距離 邏輯算法，此類算法是目前的研究熱點(diǎn)。安全距離是指在汽車行使的當(dāng)前條件( 如 車輛減速能力、車速與路面附著條件等) 下，車輛避開與障礙物的碰撞需要保持 的車輛到障礙物的最小距離。目前國內(nèi)外的安全距離模型主要有基于車輛制動(dòng)過 程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的安全距離模型17 1 、考慮乘坐舒適性的安全距離模型【18 1 、基于車頭 時(shí)距的安全距離模型【19 1 、考慮駕駛員特性的安全距離模型等【2 0 2 1 1 ，且大多數(shù)都是 將縱向距離作為研究對(duì)象，其主要目的是建立車輛碰撞預(yù)警系統(tǒng)。 清華大學(xué)的候德藻基于車間距保持目的假設(shè)建立了新型車間距保持安全距離 模型【2 2 1 ，通過駕駛員試驗(yàn)確定了模型參數(shù)的取值，經(jīng)試驗(yàn)及仿真對(duì)比驗(yàn)證，該模 型滿足了控制系統(tǒng)的要求，具有適用交通狀況范圍廣，模型參數(shù)易于獲得及計(jì)算 結(jié)果符合駕駛員主觀感覺等特點(diǎn)。 1 3 3 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模 汽車避撞控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能需要通過對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的精確控制來實(shí) 現(xiàn)，建立合適的汽車動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型是控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和控制算法評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。 在避撞控制系統(tǒng)中，依據(jù)系統(tǒng)功能計(jì)算所得的期望車輛加速度，需要通過車 輛逆縱向動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕墓?jié)氣門開度和制動(dòng)壓力，并將期望的節(jié)氣門開 度和制動(dòng)壓力輸入車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型，以控制車輛的加速、減速或勻速運(yùn)動(dòng)。 逆縱向動(dòng)力學(xué)模型的輸入量是期望的車輛加速度，輸出量是期望的節(jié)氣門開度和 期望制動(dòng)壓力?？v向動(dòng)力學(xué)模型的輸入量是節(jié)氣門開度和制動(dòng)壓力，輸出量是車 輛的速度、加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息。 汽車避掩擋制系統(tǒng)建模j 仿真研究 澳大利亞g r i f i t h 大學(xué)的h i r o f u m ip h t s u k a 、lv l a c i c 等在jk a r lh e d r i c k 提出 的四狀態(tài)車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型【2 3 】( 四狀態(tài)包括進(jìn)氣歧管進(jìn)氣量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制 動(dòng)力矩和車速) 的基礎(chǔ)上，充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，建立了針對(duì) 低速工況的車輛縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型 2 們。但該模型過于復(fù)雜，不利于控制器的設(shè) 計(jì)。 日本東京大學(xué)藤岡研究室在開展先進(jìn)安全車輛a s v ( a d v a n c e ds a f e t y v e h i c l e ) 計(jì)劃時(shí)進(jìn)行了車輛動(dòng)力學(xué)建模的研究【25 1 。藤岡研究室建立的用于車輛 縱向動(dòng)力學(xué)控制的車輛模型包括正向車輛模型和逆縱向車輛模型兩部分。在正向 車輛模型中，藤岡研究室模型忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，將節(jié)氣門輸 入量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速間的對(duì)應(yīng)關(guān)系做成了表格，以查表的方 式代替模型運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)運(yùn)算；制動(dòng)系統(tǒng)簡化為一線性模型，即制動(dòng)壓力與路面 制動(dòng)力成線性關(guān)系。在逆縱向車輛模型建立時(shí)，藤岡研究室模型首先由期望加速 度通過力學(xué)計(jì)算獲得期望發(fā)動(dòng)機(jī)力矩或期望制動(dòng)力，然后利用反查發(fā)動(dòng)機(jī)特性數(shù) 據(jù)表的方法獲得期望的節(jié)氣門開度值，或利用線性制動(dòng)系統(tǒng)模型反算獲得期望的 制動(dòng)壓力。該模型簡潔，參數(shù)獲取相對(duì)容易，但忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下的 非線性轉(zhuǎn)矩輸出特性。 韓國的k y i 等人在車輛走一停( s t o pa n dg o ) 系統(tǒng)研究時(shí)建立了車輛逆縱向 動(dòng)力學(xué)模型【26 1 ，所用方法與a s v 項(xiàng)目方法基本相同，當(dāng)切換為節(jié)氣門控制時(shí)， 先由期望加速度通過計(jì)算獲得期望發(fā)動(dòng)機(jī)力矩，由當(dāng)前車速反查液力變矩器特性 數(shù)據(jù)表獲得當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，利用期望力矩和當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值，反查發(fā)動(dòng)機(jī) 特性數(shù)據(jù)表獲得期望的節(jié)氣門開度；當(dāng)切換為制動(dòng)控制時(shí)，利用期望加速度反算 獲得期望路面制動(dòng)力，利用線性制動(dòng)系統(tǒng)模型反算獲得期望制動(dòng)壓力，再作用于 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。 針對(duì)常規(guī)線性建模方法的不足，德國斯圖加特大學(xué)的a l e xf r i t z 、w e r n e r s c h i e h l e n 等在研究車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)時(shí)，基于車輛動(dòng)力學(xué)原理，提出了一 種狀態(tài)空間方程描述的非線性車輛縱向動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制模型【2 7 2 9 1 。該模型建立了 從節(jié)氣門開度到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩最終到汽車行駛速度的非線性狀態(tài)空間方程，分析了 節(jié)氣門執(zhí)行系統(tǒng)的非線性特性影響和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 國內(nèi)開展的關(guān)于車輛動(dòng)力學(xué)建模的研究主要針對(duì)車輛的局部模型或車輛某一 特定系統(tǒng)的模型，例如王紅巖等人在研究車輛無級(jí)變速系統(tǒng)及其控制時(shí)建立了包 括發(fā)動(dòng)機(jī)、金屬帶式無級(jí)變速器及傳動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型 3 0 。2 】；石堅(jiān) 等人在進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車仿真研究時(shí)建立了簡化的車輛彎道行駛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 【3 3 1 ；章毅等人在進(jìn)行車輛動(dòng)力系統(tǒng)控制研究時(shí)建立了簡化的車輛傳動(dòng)系模型【3 4 1 。 目前，國外關(guān)于系統(tǒng)建模方面的研究都是針對(duì)具體的車輛特點(diǎn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn) 行的；而國內(nèi)的研究主要針對(duì)車輛的局部模型或某一特定系統(tǒng)的模型。由于應(yīng)用 6 碩j j 學(xué)位論文 對(duì)象不同，這些模型對(duì)于汽車避撞控制系統(tǒng)的研究并不適用。因此，有必要根據(jù) 避撞系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，采用新的方法建立滿足汽車避撞控制系統(tǒng)研究需要的車 輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型。 1 3 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目前，汽車避撞控制方式主要有直接式控制和分層式控制兩種。直接式控制 結(jié)構(gòu)用一個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制的目的，控制器的輸入量是期望的車 間距離或車輛速度，輸出量是期望的制動(dòng)壓力和節(jié)氣門開度，輸出量直接傳遞給 車輛的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制車輛的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)期望的控制結(jié)果。分層式控制結(jié)構(gòu) 將車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制的目的分為兩層實(shí)現(xiàn)，上位控制器輸入量是期望的車間距 離或車輛速度，輸出量是期望的車輛加速度或車輛速度，上位控制器的輸出量作 為下位控制器的輸入量，下位控制器的輸出量是期望的制動(dòng)壓力和節(jié)氣門開度。 直接式控制和分層式控制，控制結(jié)構(gòu)如圖1 2 所示【35 1 。 期望制動(dòng)壓力和實(shí)際距離 期望距離或速度廠節(jié)氣門開度廠 或速度 蘭竺蘭卜一蘭竺卜一 ( a ) 直接式控制結(jié)構(gòu) 期望制動(dòng) 期望! 巨宴 期望速度 曼壟和蔓 實(shí)際距離 竺蘭竺，廠：石磊；磊 竺竺蘭竺廠；磊；磊石f 1 苧! 蘭罵；磊_ 罄 叫上位控制器卜_ 叫下位控制器卜刊 車輛卜_ ( b ) 分層式控制結(jié)構(gòu) 圖1 2車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制 美國加州大學(xué)伯克力分校在進(jìn)行自動(dòng)公路系統(tǒng)的研究中采用的是直接式控制 結(jié)構(gòu)【36 1 。以加州大學(xué)伯克力分校研究為代表的車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，主 要用于車輛隊(duì)列行駛時(shí)的動(dòng)力學(xué)控制，被控車輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)及行使環(huán)境的變化是 控制系統(tǒng)的主要干擾源，控制的精度和車輛隊(duì)列控制的串穩(wěn)定性是控制器設(shè)計(jì)的 主要指標(biāo)。臺(tái)灣開展的a d v a n c e d f 項(xiàng)目應(yīng)用最優(yōu)控制的方法，設(shè)計(jì)了全速度 域的模糊自適應(yīng)巡航控制器，也是采用直接式控制結(jié)構(gòu)【3 7 , 3 8 】，在前車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變 化較少的情況下，能獲得較好的跟隨效果。但通過一個(gè)控制器的設(shè)計(jì)要滿足眾多 的控制要求比較困難，通用性和兼容性也不如分層控制好。 因此，自適應(yīng)巡航和避撞領(lǐng)域多采用分層控制思想。分層式控制結(jié)構(gòu)采用模 塊化設(shè)計(jì)，上、下位控制器分工明確，可以通過上下位控制器的分別設(shè)計(jì)和不同 組合，滿足不同的控制要求，比較適合于汽車避撞系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)。分層式避 撞控制系統(tǒng)沒計(jì)包括控制功能定義、上位控制器和下位控制器設(shè)計(jì)三部分。在避 7 汽車避掩擰制系統(tǒng)建模j 仿真研究 撞控制功能定義方面，文獻(xiàn)【1 7 】中候德藻等人在功能上從輔助駕駛模式和自動(dòng)模式 兩個(gè)方面給出了詳細(xì)的定義。 在分層控制上位控制器的設(shè)計(jì)上，國外已有學(xué)者給出較好的縱向上位控制器 模型【3 引，系統(tǒng)模型的輸入為駕駛員特性參數(shù)、基本環(huán)境信息、目標(biāo)車信息和自車 的各種傳感器信息，并對(duì)下位控制系統(tǒng)傳遞控制指令?？刂扑惴ㄓ心：刂坪蜕?經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 4 0 , 4 1 】，適合于非線性目標(biāo)的二階滑模變結(jié)構(gòu)控制算法【4 2 1 和 b a c k s t e p p i n g 方法【4 3 1 。此外，p i d 和l q 等控制方法也得到了應(yīng)用。 在下位控制器設(shè)計(jì)方面，日本日立公司的s a t o r uk u r a g a k i 等人設(shè)計(jì)了基于 p i d 控制的下位控制器【4 4 1 ，能夠控制車輛實(shí)現(xiàn)期望的速度；日本東京大學(xué)藤岡研 究室的大前學(xué)在19 9 9 年研究了車輛縱向動(dòng)力學(xué)控制器的分層式控制結(jié)構(gòu)，參照冢 子達(dá)等人在汽車自動(dòng)變速器控制器設(shè)計(jì)時(shí)采用的二自由度控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基 于二自由度控制器的車輛縱向動(dòng)力學(xué)下位控制器，在該控制器的設(shè)計(jì)中考慮了由 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來的系統(tǒng)延時(shí)干擾的影響，設(shè)計(jì)獲得的二自由度下位控制器具有 較好的魯棒性和控制穩(wěn)定性。韓國漢陽大學(xué)的k y i 等人設(shè)計(jì)了前饋和p i 反饋相 結(jié)合的下位控制器【45 1 ，可以控制車輛實(shí)現(xiàn)期望的加速度值，系統(tǒng)響應(yīng)快速性較好 但魯棒性較差。在我國，文獻(xiàn)【2 2 】中候德藻設(shè)計(jì)了模型匹配魯棒下位控制器，經(jīng)仿 真和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了良好的控制效果。 1 4 本文主要研究內(nèi)容及研究方法 本文以汽車縱向避撞控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，以車輛動(dòng)力學(xué)及控制理論為基礎(chǔ)， 對(duì)系統(tǒng)所涉及的汽車避撞總體方案設(shè)計(jì)、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模、安全距離模型及 預(yù)警算法、避撞控制系統(tǒng)下位控制器設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同功能的上位控制器設(shè)計(jì) 等方面的內(nèi)容展開了研究，具體研究內(nèi)容包括以下幾方面： ( 1 ) 第一章通過前期大量的相關(guān)國內(nèi)外文獻(xiàn)的閱讀，詳細(xì)歸納已有的汽車 避撞系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等，重點(diǎn)總結(jié)了行車信息獲取、車輛 安全狀態(tài)判斷、車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的發(fā)展現(xiàn)狀，并指出 了存在的問題及今后發(fā)展趨勢(shì)。 ( 2 ) 第二章依據(jù)汽車避撞系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)了汽車縱向避撞系統(tǒng)總 體方案，然后從動(dòng)力學(xué)控制角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了汽車避撞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案和實(shí)現(xiàn) 流程，并確定實(shí)現(xiàn)總體方案所必需的關(guān)鍵技術(shù)以及這些技術(shù)之間的相互關(guān)系。 ( 3 ) 第三章針對(duì)汽車避撞系統(tǒng)的特點(diǎn)，在c a r s i m 軟件中，建立能夠模擬 車輛運(yùn)行過程、反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性并能兼顧模型精確性的汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。 在此基礎(chǔ)上，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立其逆動(dòng)力學(xué)模型，包括節(jié)氣門開度求取 逆動(dòng)力學(xué)模型和制動(dòng)力壓力計(jì)算逆動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了避撞系統(tǒng)節(jié)氣門開度計(jì)算 和制動(dòng)壓力輸出計(jì)算，并設(shè)計(jì)了兩者切換的模型，以滿足不同工況的需要。 碩十學(xué)位論文 ( 4 ) 第四章介紹了國內(nèi)外安全距離模型的發(fā)展現(xiàn)狀，并在分析車輛實(shí)際制 動(dòng)過程的基礎(chǔ)上建立了保守的制動(dòng)臨界距離模型和預(yù)警臨界距離模型。提出了避 撞預(yù)警算法。 ( 5 ) 第五章針對(duì)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的強(qiáng)非線性，以及基于車輛動(dòng)力學(xué)分 層控制的思想，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)汽車避撞功能的單神經(jīng)元p i d 下 位控制器。 ( 6 ) 第六章汽車避撞系統(tǒng)的目的是保證行車安全，這一目的是通過對(duì)車輛 的動(dòng)力學(xué)控制來實(shí)現(xiàn)的，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是避撞系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，所以本章在 汽車縱向避撞系統(tǒng)功能定義的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車避撞控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)不同 的功能要求分別設(shè)計(jì)了不同的上位控制器，并分別與下位控制器一起構(gòu)成閉環(huán)仿 真系統(tǒng)進(jìn)行了典型工況仿真試驗(yàn)。 9 汽乍避樟摔制系統(tǒng)建模與仿真研究 2 1 引言 第2 章汽車避撞系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 汽車避撞系統(tǒng)作為一個(gè)新興的復(fù)雜控制系統(tǒng)，牽涉到諸多的關(guān)鍵技術(shù)。從目 前的研究來看，汽車避撞系統(tǒng)的定義各有差異，實(shí)現(xiàn)功能也各有不同。對(duì)已有的 研究進(jìn)行總結(jié)，重新定義一套合理的系統(tǒng)功能方案和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)于深入研究汽 車避撞控制系統(tǒng)具有非常重要的意義。 本章首先定義避撞系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，再設(shè)計(jì)汽車避撞系統(tǒng)的總體方案，最 后確定實(shí)現(xiàn)總體方案所必需的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)系統(tǒng)各關(guān)鍵技術(shù)問的關(guān)系做出規(guī)劃。 2 2 避撞系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 汽車避撞系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感技術(shù)來擴(kuò)展駕駛員的感知能力，將外 界信息( 如車速、與前車距離等) 傳遞給駕駛員的同時(shí)，綜合利用路況和車況信 息，判斷車輛當(dāng)前運(yùn)行的安全狀態(tài)，在緊急情況下能自動(dòng)采取措施控制汽車，使 汽車主動(dòng)避開危險(xiǎn)，保證車輛安全行駛或最大可能減小事故的傷害程度。 下面首先確定汽車縱向避撞系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能。本文研究的汽車避撞 系統(tǒng)共有三項(xiàng)功能：一是前方?jīng)]有車輛或障礙物的情況下，按駕駛員設(shè)定的速度 進(jìn)行自動(dòng)巡航控制，降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度；二是前方有車輛或有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，這 時(shí)可以根據(jù)駕駛員的設(shè)定和要求進(jìn)行速度跟蹤或車問距的自動(dòng)保持，即進(jìn)行a c c 自適應(yīng)巡航控制。這在車流比較密集，車速不是特別高的交通情況下比較適用； 三是在高速公路或是車速比較快的情況下，駕駛員可以選擇避撞模式控制汽車， 此時(shí)不需進(jìn)行車速或距離的跟蹤，而是以保證行車安全為主要目的。在這種模式 下，當(dāng)實(shí)際車距接近或小于安全距離時(shí)，要求系統(tǒng)能自動(dòng)控制車輛進(jìn)行剎車控制， 以避免碰撞的發(fā)生或者減輕碰撞的程度，降低事故傷害度。上述功能對(duì)于車輛智 能駕駛、降低道路交通事故發(fā)生率、提高車輛主動(dòng)安全性具有重要意義，本文后 續(xù)章節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是在上述定義的功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行展開的。 汽車避撞系統(tǒng)通過對(duì)自車縱向運(yùn)動(dòng)的控制使自車與目標(biāo)車保持安全的行車距 離，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。作為一個(gè)控制系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)包括傳感