基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞模糊控制研究

1、第27卷第1期2008年2月文章編號(hào):100124373(2008 0120103204蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Lanzhou Jiaotong University Vol. 27No. 1Feb. 2008基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞模糊控制研究張學(xué)軍1, 張?jiān)冷h2(1. 蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 甘肅蘭州730070;2. 東南大學(xué)軟件學(xué)院, 江蘇南京2100963摘要:研究了模糊控制在汽車防撞中的應(yīng)用, 提出了基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞模糊控制系統(tǒng), 建立了安全距離計(jì)算的數(shù)學(xué)模型, 分析了模糊控制器的設(shè)計(jì), 并進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證及分析, 結(jié)果表明該模糊控制控制系統(tǒng)能達(dá)到防

2、撞控制效果.關(guān)鍵詞:毫米波雷達(dá); 汽車防撞; 安全距離; 模糊控制中圖分類號(hào):TP273. 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著現(xiàn)代工業(yè)化程度高速發(fā)展, 私家車的迅速增長(zhǎng), 交通安全已成為各國(guó)亟待解決的大課題. . 十分重要的意義.影響汽車安全行駛的因素很多, 如車速、與障礙物的距離、天氣情況、路面條件等, 這些因素中絕大部分往往都是時(shí)變、非線性、模糊的, 系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型往往很難獲得, 經(jīng)典的PID 控制方法遇到了難以克服的困難. 近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的模糊控制方法不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型, 能用模糊數(shù)學(xué)的隸屬度函數(shù)來(lái)描述車輛安全行駛的控制模型, 能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題. 毫米波雷達(dá)1,2具有分辨率高、體積小、

3、抗地物干擾和多徑效應(yīng)能力強(qiáng), 以及能穿透雨、霧、煙等一系列優(yōu)點(diǎn), 研究中提出的汽車防撞系統(tǒng)建立在毫米波雷達(dá)的基礎(chǔ)上, 采用了模糊控制技術(shù), 其原理如圖1所示3 .識(shí)別車輛前, 把結(jié); 得到汽車行駛過(guò)程中的相對(duì)車速, 把結(jié)果輸出到模糊控制系統(tǒng).2 判斷系統(tǒng). 其作用在于將實(shí)際相對(duì)距離與行車安全距離作比較. 該系統(tǒng)把相對(duì)距離作為衡量汽車是否處于安全狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn), 如果相對(duì)距離小于行車安全距離, 即處于非安全狀態(tài), 此時(shí)就要使駕駛員對(duì)油門的控制無(wú)效, 轉(zhuǎn)由模糊控制系統(tǒng)來(lái)操作; 反之, 則處于安全狀態(tài), 繼續(xù)由駕駛員操作, 模糊控制系統(tǒng)不發(fā)生作用.3 模糊控制系統(tǒng). 其作用在于通過(guò)對(duì)汽車制動(dòng)速度的控制,

4、 使處于非安全狀態(tài)的汽車盡快地返回安全狀態(tài), 避免碰撞事故的發(fā)生. 同時(shí), 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制, 在產(chǎn)生輸出的同時(shí), 對(duì)車速和距離進(jìn)行反饋, 重新進(jìn)行判斷, 當(dāng)汽車重新返回安全狀態(tài)時(shí), 則恢復(fù)駕駛員的正常操作.1汽車防撞毫米波雷達(dá)系統(tǒng)原理汽車防撞是以雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速為基礎(chǔ)的. 雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的前方, 當(dāng)有危險(xiǎn)目標(biāo)(如行駛前方停止或慢行的車輛 出現(xiàn), 實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)信息傳達(dá)模糊控制系統(tǒng), 根據(jù)情況進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)控制. 1. 1測(cè)距與測(cè)速原理圖1毫米波雷達(dá)汽車防撞模糊控制系統(tǒng)原理圖Fig. 1Principle of crash 2avoiding fuzzy controllingsystem b

5、ased on millimeter 2w ave rad ar毫米波雷達(dá)測(cè)距公式2為R =C T (f b+f b- /4f 2(13收稿日期:2007207223作者簡(jiǎn)介:張學(xué)軍(19772 , 男, 寧夏中寧人, 講師.104蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)第27卷式中:R 為目標(biāo)距離, m ; C 為光速, m/s ; T 為三角波周期s ; f 為發(fā)射頻率的最大頻偏, H Z ; f b 為發(fā)射和接收信號(hào)間的差拍頻率, H Z ; “+”與“-”分別代表正負(fù)調(diào)頻, 雷達(dá)測(cè)速公式為(2 V =(f b-f b+ /4式中:V為目標(biāo)車車速; 為高頻發(fā)射波的波長(zhǎng), m ; f b 為發(fā)射和接收信號(hào)間的差拍

6、頻率, H Z ; “+”與“-”分別代表正負(fù)調(diào)頻. 1. 2多傳感器融合策略距離和相對(duì)速度. 這里, 選擇安全距離和實(shí)際相對(duì)距離的差值S D =S F -S 及相對(duì)車速V R 作為模糊輸入量. 輸出量為制動(dòng)減速度J A . 3. 2模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則是根據(jù)有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)在高速公路行駛過(guò)程中遇到突發(fā)路況時(shí)處理問(wèn)題的方法和決策來(lái)編寫的. 系統(tǒng)模糊規(guī)則可提煉如下:規(guī)則1:如果與障礙物相距很遠(yuǎn), 且相對(duì)速度較小, 可保持原速行使.規(guī)則2:如果與障礙物相距較遠(yuǎn), 且相對(duì)速度較大, 應(yīng)適當(dāng)減速行使.規(guī)則3:如果與障礙物距離較遠(yuǎn), 且相對(duì)速度很大, 應(yīng)減速行使.規(guī)則4, 且相對(duì)速度很大, . .多傳感

7、信息融合是近年發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù). 從狹義角度講, 它是以不同的傳感器獲得同一對(duì)象的不同量測(cè)數(shù)據(jù), 利用某種算法獲得一個(gè)綜合信息, 從而得到最好的估計(jì)結(jié)果.汽車防撞系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣, 干擾因素眾多, 只用單一雷達(dá)傳感器做出判斷容易產(chǎn)生虛警, 為了提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和估計(jì)能力, 合技術(shù), , .相距”作為誤差E (e , 速度作為誤差變化率C (e , 根據(jù)實(shí)際情況和控制精度要求, 分別把它們模糊化為13個(gè)等級(jí). 其中將E (e 量化為-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. 取7個(gè)2所謂行車安全距離就是指在同一條車道上, 同向行駛前后兩車間的距

8、離(后車車頭與前車車尾間的距離 , 保持既不發(fā)生追尾事故, 又不降低道路通行能力的適當(dāng)距離.行車安全距離的計(jì)算公式為422S F =v m (t r +t b +v m /2j af +L -v m /2j al (3 式中:S F 為行車安全距離; v m 跟隨車制動(dòng)前的初速度, m/s ; t r , t b 分別為跟隨車駕駛員制動(dòng)反映時(shí)間和車輛制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間; L 為停車后前車和跟隨車間的安全距離, 為一定值; j af , j al 分別為前車和跟隨車的制動(dòng)減速度.語(yǔ)言值:正大(PB , 正中(PM , 正小(PS , 零(0 , 負(fù)小(N S , 負(fù)中(N M , 負(fù)大(NB . 其中

9、正大表示兩車相距很遠(yuǎn), 負(fù)大表示兩車相距很近, 變化范圍為0100m .同理, 將C (e 量化為-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. 誤差變化率的語(yǔ)言值是:正大(PB , 正中(PM , 正小(PS , 零(0 , 負(fù)小(N S , 負(fù)中(N M , 負(fù)大(NB . 其中正大代表兩車相對(duì)速度很大, 負(fù)大代表兩車相對(duì)速度很小. 變化范圍為060km/h .模糊變量的隸屬函數(shù)取正態(tài)函數(shù):(x =e -2K (b 3模糊控制模型3. 1輸入/出變量. 式中, x 為實(shí)測(cè)值, a 為x 的均值, b 為形狀參數(shù). 這里, 參數(shù)取值為:b=1, K

10、=0. 25. 可得輸入量S D ,V R 的隸屬度(見表1, 表2 .表1S D 的隸屬度表T ab. 1Membership function of S D由毫米波雷達(dá)系統(tǒng), 可測(cè)得前后車之間的相對(duì)F 集FB FM PS-6-5-4-3-2-101230. 10. 70. 740. 410250. 80. 7610. 20N S N M 0. 20. 70. 210. 70. 710. 20. 50. 510. 90. 51第1期張學(xué)軍等:基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞模糊控制的研究表2V R 的隸屬度表T ab. 2Membership function of V RF 集V R FB FM

11、PS-6-5-4-3-2-110501230. 10. 740. 410250. 80. 7610. 20. 90. 50. 20. 210. 70. 810. 40. 70. 70. 110. 20. 510. 510. 70N S N M NB對(duì)輸出量也取7個(gè)語(yǔ)言值:其論域Z =-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.隸屬度(見表3表3J A 的隸屬度T ab. 3Membership function of J AF 集J A PB PM PS-3-2-14彎道虛警剔除問(wèn)題, . , 取得了一定的6, 7. 本文采用方位角測(cè)定方法剔除虛警. 所定義的方位角是兩車所構(gòu)成的直線與自身車

12、正前方所構(gòu)成直線之間的夾角, 如圖2所示.01231. 50. . 50. 50. 50. 5110. 510. 510. 51050. 50NS N M NB一般地, F 控制規(guī)則用下列復(fù)合條件語(yǔ)句表示, 若A i 且B j 則C k (i =1, 2, 3,. . , 7; j =1, 2, , 7; k =1, 2, , 7 , 每一條語(yǔ)句對(duì)應(yīng)一個(gè)F 關(guān)系, 即R l =A i B j C k總的F 關(guān)系為R =R ll圖2方位角剔除虛警Fig. 2Azimuth eliminating the false alarm按實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及復(fù)合條件語(yǔ)句, 制成控制規(guī)則(見表4 .表4模糊控制規(guī)則表

13、T ab. 4Fuzzy control rulesC NB N M NS EZE PS PM PBRNB ZE NS NS N M N M NB NBN M PS ZE NS N M N M NB NBNS PM ZE NS NS N M NB NBZE PM PM PS ZE NS N M NBPS PM PM PS ZE N S N M N MPM PB PB PM PS NS NS NSPB PB PB PM PM PS PS ZE圖2中R 為高速公路內(nèi)道半徑; d 為內(nèi)道寬度,S 為兩車瞬間距離. 為了簡(jiǎn)化且不失一般性運(yùn)算, 把車?yán)硐牖癁橘|(zhì)點(diǎn), 且自身車沿本軌道中線行駛. 隨S 的動(dòng)

14、態(tài)變化, 可計(jì)算出方位角在同一車道內(nèi)變化范圍為22(-arcco s , -22s (R +d 222arccos2s (R +d 由毫米波測(cè)出兩車相對(duì)距離和方位角, 判斷方位角是否落在上述范圍內(nèi), 若是, 則說(shuō)明兩車在同一車道內(nèi); 否則, 則不在同一車道內(nèi).5結(jié)果驗(yàn)證及分析實(shí)際的數(shù)據(jù)應(yīng)該是車輛在行使過(guò)程中由毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)車輛的速度、相對(duì)距離以及方位角等參數(shù). 但由于條件所限, 根據(jù)國(guó)家高速公路安全由模糊規(guī)則, 隸屬度進(jìn)行模糊推理可得模糊控制總表. 由輸入量通過(guò)查詢模糊控制總表控制汽車運(yùn)行狀態(tài)5.106蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)第27卷行使的規(guī)定(在我國(guó), 高速公路規(guī)定汽車在環(huán)形路段時(shí)最低車速為

15、60km/h , 最高車速為120km/h 并查閱相關(guān)的資料, 設(shè)計(jì)了3種工況, 具體如下:1 前車車速為60km/h , 后車車速為70km/h , 兩車距離為274m , 當(dāng)兩車瞬時(shí)距離為100m 時(shí), 后車減速行駛, 減至兩車相距96m , 后車的速度為60km/h , 此時(shí)處于安全狀態(tài), 后車以此速度跟隨前車行駛.2 前車車速為60km/h , 后車車速為100km/h , 兩車距離為274m , 當(dāng)兩車瞬時(shí)距離為100m 時(shí), 后車適當(dāng)減速行駛, 減至兩車瞬時(shí)相距68m , 后車的速度為59km/h , 此時(shí)處于安全狀態(tài),汽車防撞有著廣闊的市場(chǎng)前景, 但由于技術(shù)方面和價(jià)格方面的原因,

16、 國(guó)內(nèi)在這方面的研究還處于起步階段, 還需繼續(xù)做大量研究. 本文探討的基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞模糊控制經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明是可行的, 對(duì)提高汽車的行使安全具有實(shí)際意義. 參考文獻(xiàn):1RUSSELL M E ,CRAIN A ,CURRAN A ,ea al. Millime 2ter 2wave radar sensor for automotive Intelligent cruise control (ICC J .IEEE T ransactions on Micro Wave Theory and T echniques ,1999,45(12 :244422453. 2盛懷茂, 夏冠群, 孫曉

17、瑋, 等. FMCW 毫米波防撞雷達(dá)后車以此速度跟隨前車行駛.3 前車車速為60km/h , 后車車速為200km/h , 兩車距離為274m , 此情況下兩車相撞.由以上分析可知, 定, 這就要求在高速公路上行駛時(shí), . 另外, 模糊控制控制規(guī)則設(shè)計(jì)可能不是很完善, 有待于進(jìn)一步驗(yàn)證和總結(jié), 通過(guò)結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及多因子自適應(yīng)控制解決, 可能會(huì)取得更好的效果.系統(tǒng)J.電子產(chǎn)品世界,2001, (2 :59258.3羅玉濤. J.(10 :41245.,2002,24(9 :61265. 車輛行使速度模糊控制系統(tǒng)的仿真研究J.汽車工程,2005,27(6 :7022705.6張建輝, 劉國(guó)歲

18、, 顧紅, 等. 多斜率步進(jìn)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)在汽車防撞雷達(dá)中的應(yīng)用J.電子與信息學(xué)報(bào),2002,24(2 :2322237.7管欣, 張立存. 高速汽車彎道前方碰撞報(bào)警算法J.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2006,36(5 :6392643.6結(jié)語(yǔ)R esearch on Automobile Crash 2avoiding Fuzzy ControllingSystem B ased on Millimeter W ave R adar ZHAN G Xue 2jun 1, ZHAN G Yue 2feng 2(1. School of Electronics and Information Engineering Lanzhou Jiaotong University ,Lanzhou 730070,China ;2. Software College of Sout heas