自適應(yīng)控制學(xué)習(xí)心得（二）

1、自適應(yīng)控制學(xué)習(xí)心得 收稿日期：20210815基金項(xiàng)目：福特-中國研究與發(fā)展基金（50122148作者簡介：張景波（1975-，男，博士研究生，研究方向?yàn)槠囎赃m應(yīng)巡航控制系統(tǒng).文章編號：10094687（202102021406汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展張景波，劉昭度，齊志權(quán)，馬岳峰 （北京理工大學(xué)汽車動力性及排放測試國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京100081摘要：詳細(xì)敘述了汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)acc的組成、工作原理、所需要的關(guān)鍵技 術(shù)和存在的問題.介紹了近年來該系統(tǒng)在國內(nèi)外所取得的成果，對acc系統(tǒng)的未來發(fā)展 進(jìn)行了預(yù)測.關(guān)鍵詞：汽車;acc;發(fā)展中圖分類號：u467文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a1acc的組成

2、與原理 自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)acc（adaptivecruisecontrol是一種構(gòu)想于20世紀(jì)70年代末期的汽車安全性輔助駕駛系統(tǒng)1.它將汽車自動巡航控制系統(tǒng)ccs（cruisecontrolsystem和車輛前向撞擊報警系統(tǒng)fcws（forwardcollisionwarningsystem有機(jī)地結(jié)合起來2，既有自動巡航功能，又有防止前向撞擊功能.由于當(dāng)時傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、汽車電子技術(shù)以及交通設(shè)施等方面的因素阻礙了acc的發(fā)展，直到20世紀(jì)90年代中期，隨著各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步和對汽車行駛安全性要求的提高1，2，特別是對 有效地防止追尾碰撞要求的不斷提高，才使得acc迅速發(fā)展起來.acc

3、系統(tǒng)共有4種典型的操作，如圖1所示 .圖1acc的典型操作2021年第2期 車輛與動力技術(shù)vehicle&powertechnology總第90期 駕駛員可通過設(shè)置在儀表盤上的人機(jī)交互界面（mmi啟動或清除自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)acc.啟動acc系統(tǒng)時，要設(shè)定主車在巡航狀態(tài)下的車速和與目標(biāo)車輛間的安全距離，否則acc系統(tǒng)將自動設(shè)置為默認(rèn)值，但所設(shè)定的安全距離不可小于設(shè)定車速下交通法規(guī)所規(guī)定的安全距離. 當(dāng)主車前方無行駛車輛時，主車將處于普通的巡航行駛狀態(tài)，acc系統(tǒng)按照設(shè)定的行駛車速對車輛進(jìn)行勻速控制.當(dāng)主車前方有目標(biāo)車輛，且目標(biāo)車輛的行駛速度小于主車的行駛速度時，acc系統(tǒng)將控制主車進(jìn)行減速，確

4、保兩車間的距離為所設(shè)定的安全距離.當(dāng)acc系統(tǒng)將主車減速至理想的目標(biāo)值之后采用跟隨控制，與目標(biāo)車輛以相同的速度行駛.當(dāng)前方的目標(biāo)車輛發(fā)生移線，或主車移線行駛使得主車前方又無行駛車輛時，acc系統(tǒng)將對主車進(jìn)行加速控制，使主車恢復(fù)至設(shè)定的行駛速度.在恢復(fù)行駛速度后，acc系統(tǒng)又轉(zhuǎn)入對主車的勻速控制.當(dāng)駕駛員參與車輛駕駛后，acc系統(tǒng)將自動退出對車輛的控制.acc系統(tǒng)的基本組成如圖2所示.雷達(dá)用以探測主車前方的目標(biāo)車輛，并向acc ecu圖2acc系統(tǒng)的基本組成 提供主車與目標(biāo)車輛間的相對速度、相對距 離、相對方位角度等信息.accecu根據(jù)駕駛員所設(shè)定的安全車距及巡航行駛速度，結(jié)合雷達(dá)傳送來的信息

5、確定主車的行駛狀態(tài).當(dāng)兩車間的距離小于設(shè)定的安全距離時，accecu計算實(shí)際車距和安全車距之比及相對速度的大小，選擇減速方式;同時通過報警器向駕駛員發(fā)出警報，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施.2國外發(fā)展?fàn)顩r美國的伊頓（eaton公司自1971年就 一直從事這方面產(chǎn)品的開發(fā)和研制.eatonvorad-300是伊頓公司最新一代的產(chǎn)品，它采用241725ghz單脈沖雷達(dá)，可同時探測到主車正前方120m，左右偏移8b范圍內(nèi)的24個目標(biāo)車輛，以距離主車最近的車輛作為主目標(biāo)，當(dāng)兩車距離小于駕駛員所設(shè)定的距離時，該系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警報.這一系統(tǒng)只具有車輛間的距離監(jiān)測和報警功能，無法實(shí)現(xiàn)對車輛速度的控制.三菱公司研

6、制開發(fā)的pdc（previewdistancecontrol系統(tǒng)是具有現(xiàn)代概念的最早的acc系統(tǒng)雛形.它將掃描式雷達(dá)及其處理器同車輛的巡航控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，當(dāng)預(yù)測出兩車間距離過近時向駕駛員給出警告提示，同時通過控制節(jié)氣門開度調(diào)整發(fā)動機(jī)的輸出功率，并按需要進(jìn)行自動換檔、減速.豐田、本田、通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒、bosch、continen-talteves等各大汽車和零部件生產(chǎn)商及研究機(jī)構(gòu)延續(xù)了三菱公司基于汽車巡航控制系統(tǒng)ccs來開發(fā)研制acc系統(tǒng)的設(shè)計思想，使之成為當(dāng)前acc系統(tǒng)研制、開發(fā)的主流. bosch公司開發(fā)的acc系統(tǒng)包括雷達(dá)、轉(zhuǎn)向傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示單元.acc系統(tǒng)包括原

7、有的車輛控制ecu以及位于車輛前端的傳感器和控制裝置scu（sensorandcontrolu，#45#第2期張景波等：汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展 控ecu相連.用于車輛動力性控制系統(tǒng)vdc（vehicledynamicscontrol的轉(zhuǎn)向傳感器可以幫助車輛預(yù)知其行駛路線.mmi（human-machine-interface是acc系統(tǒng)與駕駛員交互的媒介，包括操作開關(guān)、狀態(tài)顯示器、加速踏板、剎車踏板等.駕駛員通過mmi可啟動、關(guān)閉acc，設(shè)定行駛速度及安全車距.近年來，德國的大陸特威斯公司（continentalteves致力于汽車安全行駛的全方位研究和產(chǎn)品開發(fā).該公司開發(fā)出采用微波雷達(dá)

8、技術(shù)和紅外傳感技術(shù)兩類acc產(chǎn)品，可探測出前方150m范圍內(nèi)的目標(biāo)車輛與主車間的車距和相對速度，在自動進(jìn)行安全車距控制時，發(fā)動機(jī)和傳動系工作穩(wěn)定，乘坐舒適.為了進(jìn)一步提高acc系統(tǒng)的性能，該公司還提供了與能見度相關(guān)的車速推算系統(tǒng)，以及為縮短制動系反應(yīng)時間的電子輔助制動助力裝置.目前大陸公司的產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用在各大著名汽車公司的高檔轎車上.jaguar公司1999年和2021年分別推出了裝備acc系統(tǒng)的xk180轎車和xkr轎車，標(biāo)志著acc系統(tǒng)作為一種駕駛員安全性輔助駕駛系統(tǒng)進(jìn)入了商品化階段.此后，戴姆勒-克萊斯勒公司推出的cl600轎車、s600轎車，通用汽車公司2021年推出的cadilla

9、cvizn轎車都配備了acc系統(tǒng).當(dāng)前，配備acc系統(tǒng)已經(jīng)成為高檔豪華轎車的一個標(biāo)志.圖3大氣衰減系數(shù)與頻率關(guān)系圖各生產(chǎn)商在加緊開發(fā)acc系統(tǒng)的同時，也在加緊對車用雷達(dá)系統(tǒng)的開發(fā).車用微波雷達(dá)系統(tǒng)同以往的民用雷達(dá)及倒車用雷達(dá)相比，最顯著之處在于它的使用頻率.當(dāng)前車用微波雷達(dá)的使用頻率為241725ghz、 6015ghz和7615ghz.之所以使用這3個頻率是由微波在大氣中傳播的衰減特性決定的，其特性如圖3所示.在241725ghz頻率處，由于大氣中水分子對這一頻率微波的吸收作用，使得在此處產(chǎn)生一個衰減尖峰.在6015ghz處，由于氧氣分子的吸收作用 也產(chǎn)生一個衰減尖峰，7615ghz大大超過

10、了無線通訊使用的頻率，因而它們和無線通訊不沖突，不影響現(xiàn)有正常的無線通訊.6015ghz雷達(dá)信號在大氣中傳播衰減系數(shù)為15db/km，而在7615ghz大約為014db/km，這樣在雷達(dá)信號傳播到稍微遠(yuǎn)些的地方就會迅速衰減.近年來，新開發(fā)的雷達(dá)系統(tǒng)多使用頻率為7615ghz3，4的單脈沖雷達(dá).單脈沖雷達(dá)具有精度高、數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定等特點(diǎn)，而且還可通過編碼來分辨不同車輛的雷達(dá)，確保接受信號的正確性.3國內(nèi)研究狀況 我國一些高等院校正對acc技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行跟蹤研究.北京理工大學(xué)車輛學(xué)院、清華大學(xué)汽車技術(shù)研究所等多家科研機(jī)構(gòu)正在從事acc技術(shù)或相關(guān)技術(shù)的研制開發(fā)工作，并取得了階段性的進(jìn)展.北京理工大學(xué)針

11、對當(dāng)前acc系統(tǒng)多是基于ccs系統(tǒng)開發(fā)，對車輛速度的調(diào)節(jié)主要是通過控制節(jié)氣門開度和自動換檔來實(shí)現(xiàn)，提出了將acc系統(tǒng)與車輛制動和防滑控制系統(tǒng)abs/#46#車輛與動力技術(shù)2021年 用abs/asr系統(tǒng)的硬件設(shè)施，只需在abs/asr集成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加一個雷達(dá)探測系統(tǒng)，再將acc系統(tǒng)控制程序與abs/asr控制流程相融合，實(shí)現(xiàn)acc與abs/asr系統(tǒng)的信息共享.這種設(shè)計方案使acc系統(tǒng)直接同車輛上的制動系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，在對車輛進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時，不但可以利用節(jié)氣門、自動變速器，還可以直接利用制動系統(tǒng).當(dāng)主車與目標(biāo)車輛間的距離小于安全距離時，abs/asr/acc集成化系統(tǒng)可通過減小節(jié)氣門開

12、度、自動降低檔位的方法調(diào)節(jié)車速，還可在必要時 自動增加對車輪的制動力矩來實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速，從而為駕駛員提供更加充足的第一反映時間.清華大學(xué)所做的汽車主動安全性的研究，將acc技術(shù)融合其中，不但可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整與目標(biāo)車輛間的距離，而且還可以實(shí)現(xiàn)障礙主動避讓，從而進(jìn)一步提高車輛行駛的安全性能.4acc的關(guān)鍵技術(shù) 1雷達(dá)的性能.雷達(dá)的功用是測知相對車距、相對車速、相對方位角等信息，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到acc系統(tǒng)性能的好壞.當(dāng)前應(yīng)用到acc系統(tǒng)上的雷達(dá)主要有單脈沖雷達(dá)、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)以及紅外探測雷達(dá)等.單脈沖雷達(dá)和微波雷達(dá)是全天候雷達(dá)，可以適用各種天氣情況，具有探測距離遠(yuǎn)、探測角度范圍大、跟蹤目標(biāo)多

13、等優(yōu)點(diǎn).激光雷達(dá)對工作環(huán)境的要求較高，對天氣變化比較敏感，在雨雪天、風(fēng)沙天等惡劣天氣探測效果不理想5，探測范圍有限，跟蹤目標(biāo)較少，但其最大的優(yōu)點(diǎn)在于探測精度比較高，價格低，易于控制和進(jìn)行二次開發(fā).紅外線探測在惡劣天氣條件下性能不穩(wěn)定，探測距離較短，但價格便宜.無論使用何種類型的雷達(dá)，確保雷達(dá)信號的實(shí)時性處理是要首先考慮的問題.隨著汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在大都利用dsp技術(shù)來處理雷達(dá)信號，應(yīng)用can總線輸出雷達(dá)信號.2目標(biāo)車輛的識別和跟蹤.雷達(dá)只能將它所探測到的物體信息傳遞給accecu，ecu要根據(jù)傳來的信息進(jìn)行識別，從中確定一主目標(biāo)用做acc控制中的參照物，依據(jù)兩者間的相對運(yùn)動及距離控制

14、主車的行駛速度.主目標(biāo)是可變的，不同廠商開發(fā)的acc系統(tǒng)對主目標(biāo)的選取模式是不同的，一般acc系統(tǒng)將與主車間距離最近的車輛視為主目標(biāo)，而有些系統(tǒng)則將與主車位于同一車道上距離最近的車輛視為主目標(biāo).acc系統(tǒng)不但要確定主目標(biāo)，而且還應(yīng)該能夠?qū)ζ溥M(jìn)行跟蹤，無論是彎道還是上下坡道都要保證主目標(biāo)的一致性，以減少系統(tǒng)的誤報率.對主目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的另外一個好處就是可以根據(jù)主目標(biāo)的運(yùn)行情況來預(yù)測出主車在未來時間內(nèi)運(yùn)行狀態(tài).例如，主車現(xiàn)沿直道行駛而此時主目標(biāo)車輛已進(jìn)入彎道，由于acc系統(tǒng)可對主目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，故不會將正前方的護(hù)欄或旁車道上的車輛視為主目標(biāo)，從而避免了誤報的產(chǎn)生;同時主車根據(jù)主目標(biāo)的運(yùn)行軌跡判斷出前方

15、是彎道路況，可以使主車提前做好減速轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)備. 當(dāng)前acc系統(tǒng)對目標(biāo)的識別判定技術(shù)上已經(jīng)有了很大進(jìn)展，但對主目標(biāo)的跟蹤以及acc系統(tǒng)與習(xí)慣性駕駛之間的矛盾68等問題還有待解決.5acc當(dāng)前存在的問題，#47#第2期張景波等：汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展 車輛的主動制動.由于車輛在道路中行駛狀況十分復(fù)雜，使acc系統(tǒng)對主目標(biāo)的識別十分困難，誤報率很高.當(dāng)前為了解決這一問題所采取的措施包括在車輛前部加裝一個紅外成像系統(tǒng)，將所成的平面圖像提供給駕駛員進(jìn)行參考以及記錄車輛在每一時刻相對于主車的位置，對車輛進(jìn)行實(shí)時跟蹤、預(yù)測.現(xiàn)在對目標(biāo)車輛的跟蹤研究還只局限于一維的水平上.acc通過雷達(dá)只能進(jìn)行水平方向

16、上的彎道跟蹤或豎直方向上的上、下坡道跟蹤.日本豐田公司開發(fā)的acc系統(tǒng)，通過將激光雷達(dá)掃描回來的圖像在豎直方向上進(jìn)行分割，初步實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)車輛上下坡道的判別與跟蹤911.bosch公司正在研制的acc系統(tǒng)，利用微波雷達(dá)來探測、記錄目標(biāo)車輛的位置，再利用這些位置信息分析和判斷目標(biāo)車輛的行駛路線，目前這項(xiàng)研究還只限于對水平彎道的識別.雖然這兩項(xiàng)研究取得了一定的成果，但離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離.acc系統(tǒng)對車輛速度的調(diào)節(jié)主要是通過控制發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度和自動降低檔位來實(shí)現(xiàn)的1218.但是由于節(jié)氣門和換檔調(diào)節(jié)在時間上有一定的滯后，當(dāng)主車前方有車輛并入或有其它緊急情況發(fā)生時，這樣的速度調(diào)節(jié)不足以為駕駛員提供

17、充足的第一反應(yīng)時間，因此，acc系統(tǒng)應(yīng)該與車輛的制動系統(tǒng)直接相連，具有主動制動功能.6acc未來的發(fā)展趨勢 1集成化.它有助于降低成本，增強(qiáng)各系統(tǒng)間的內(nèi)在聯(lián)系，充分利用各種車輛信息，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.acc在發(fā)展之初就與ccs系統(tǒng)結(jié)合在一起，按照acc的發(fā)展方向，它還會同abs、asr以及發(fā)動機(jī)控制器等各種電控系統(tǒng)集成起來1，19. 2走?？刂?現(xiàn)在對acc系統(tǒng)的研制和開發(fā)主要針對的是在高速公路上高速行駛的車輛，而不適用于城市中低速、高車流密度情況下使用.走?？刂普莂cc系統(tǒng)針對車速低、車距近的行駛情況所做的功能擴(kuò)展，這要求acc系統(tǒng)具有更好的近距離探測能力，更快的信號處理功能，

18、更迅速的系統(tǒng)反映，同時還向acc系統(tǒng)提出了增加車輛的自動起步功能.這樣既使在堵車情況下也無須駕駛員參與，只需操縱車輛的轉(zhuǎn)向即可20，駕駛員可以完全從煩瑣的駕駛操作中解放出來.日本豐田公司在這方面的研究領(lǐng)先一步，已取得部分成果.3隨著近幾年智能公路概念的提出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，未來的acc系統(tǒng)將同其它的汽車電控系統(tǒng)相互融合，形成智能汽車電子控制系統(tǒng).駕駛這種汽車只需在顯示器中指明所要到達(dá)的目的地，汽車就會在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的指引下，借助公路兩旁的電子標(biāo)志牌，無需人為參與就可安全駛達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)完全的自動駕駛功能.參考文獻(xiàn)：1winnerh，wittes.adaptivecruisecont

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20、021年 第2期67891011121314151617181920張景波等：汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的發(fā)展#49#kozioljs.safetyevaluationmethodologyfortheintelligentcruisecontrolfieldoperationaltestc.sae970457usa，1997.fancherp，ervinr，etal.afieldoperationaltestofadaptivecruisecontrol：systemoperabilityinnaturalisticusec.sae980852usa，1998.najmwg.，silvamp，e

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