非線性理論第八講

1、非線性理論第八講第1頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第七章 交通流中非線性現(xiàn)象與研究Chapter 7 Nonlinear Phenomena in traffic systems第2頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四主要內(nèi)容交通流理論概述 交通流中的非線性現(xiàn)象及其研究交通流模型的穩(wěn)定性分析交通中的混沌控制交通流控制在ACC系統(tǒng)中的應(yīng)用 第3頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四1.交通流理論概述（1）交通流理論是研究交通流狀態(tài)隨時(shí)間和空間變化規(guī)律的模型和方法體系。 物理學(xué)家指出，交通系統(tǒng)可以看作一個(gè)由多個(gè)自驅(qū)動(dòng)粒子組成的復(fù)

2、雜系統(tǒng)，把行進(jìn)著的車(chē)輛和行人看成自行驅(qū)動(dòng)的“粒子”，交通流與光線一樣，既有粒子性又有波動(dòng)性，因此，可以從宏觀和微觀的視角加以描述；物理學(xué)家還指出，交通網(wǎng)絡(luò)是一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，由于構(gòu)成成分的多樣性（客車(chē)、轎車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人）和運(yùn)行的隨機(jī)性，與一般的大網(wǎng)絡(luò)相比，其復(fù)雜性絕不遜色。 第4頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Freeway Network第5頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Traffic Flow車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)和車(chē)輛間的相互作用決定了車(chē)流狀態(tài)時(shí)空?qǐng)D描述第6頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Traffic Flow密度流量

3、平均速度第7頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Traffic Flow第8頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Microscopic ModellingMaps traffic flow as a set of individual vehicles.第9頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Microscopic ModellingThe behavior of vehicle modeled by two conditional equations:第10頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Micros

4、copic Modelling Microscopic modellings differ in varying mappings of the acceleration. A rule based one is:第11頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Microscopic ModellingRules for the rule-based modelling are:Desired velocity: Arranges the behavior of the vehicle a without any outside influences.Safe distance

5、: Arranges the behavior of the vehicle a behind a leading vehicle b. Vehicle a tries to keep a safe distance to the leading vehicle b.Braking: Arranges the behavior of the vehicle a when the safe distance to the leading vehicle b cannot be adhered and vehicle a has to slam on the brakes.第12頁(yè)，共121頁(yè)，2

6、022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第13頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四交通流理論概述（2）在交通流理論的研究中，傳統(tǒng)的研究方法主要是重視實(shí)驗(yàn)觀察到的流量-密度關(guān)系和不穩(wěn)定的交通流域。近年來(lái)，研究的結(jié)果指出，對(duì)交通流理論的研究最重要的是能夠描述交通系統(tǒng)中觀察到的非線性現(xiàn)象。 第14頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四2.交通流中的非線性現(xiàn)象（1）道路交通狀態(tài)大致可以分成3種：低密度的暢行交通（即自由流）、各車(chē)道的車(chē)輛齊頭并進(jìn)的高密度同步交通、更高密度的擁堵交通。在物理學(xué)家眼里，它們可類(lèi)比為氣相、液相、固相這三個(gè)相，各相之間可以發(fā)生“相變”，

7、到了某個(gè)臨界密度，相變就要發(fā)生。人們出行時(shí)就經(jīng)常遇到相變，最不愿意遇到的是從暢行交通相（經(jīng)同步交通相）到擁堵交通相的相變。交通系統(tǒng)的相變中也存在著回滯（hysteresis：交通流量隨密度變化的回路特性）、成簇（clustering：擁堵集簇的形成）、相分離（phaseseparation：交通流態(tài)時(shí)斷時(shí)續(xù)）等現(xiàn)象。第15頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四交通流中的非線性現(xiàn)象（2）從物理學(xué)的角度看來(lái)，交通運(yùn)行經(jīng)常遠(yuǎn)離平衡態(tài)，而制約它們的是復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)規(guī)律，因此，非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)正可以大行其道，交通系統(tǒng)中充滿著自組織（系統(tǒng)自行進(jìn)入最佳臨界狀態(tài)）、混沌

8、、分叉、失穩(wěn)（進(jìn)入擁堵）等非線性現(xiàn)象。當(dāng)流體力學(xué)家審視交通系統(tǒng)時(shí)，自然地把交通流看作運(yùn)動(dòng)流體，其中充斥著各種密度波：在交叉口出現(xiàn)的擁堵車(chē)隊(duì)就是“交通激波”，綠燈一亮，車(chē)隊(duì)疏解，就出現(xiàn)了“交通稀疏波”，一般以固定速度向后傳播；在形成交通擁堵之前，一定會(huì)出現(xiàn)非線性失穩(wěn)現(xiàn)象，然后涌現(xiàn)各種各樣的“交通孤立波”：為力學(xué)、物理學(xué)界熟知的KdV孤立波、mKdV孤立波（紐結(jié)反紐結(jié)孤立波）等等。第16頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四流量密度關(guān)系與回滯現(xiàn)象（1）流量密度關(guān)系（基本圖） 交通流測(cè)量中的一個(gè)典型描述就是流量-密度關(guān)系，它用來(lái)展示交通流量Q和車(chē)輛密度之間的相互關(guān)系。 在德國(guó)高速

9、公路A43上測(cè)得的交通流量密度關(guān)系 第17頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四基本圖實(shí)測(cè)的流量密度關(guān)系是間斷的，看起來(lái)像是一個(gè)反。這個(gè)反的兩個(gè)分支分別用來(lái)定義自由流和擁擠流。在密度為0時(shí)，流量為0；當(dāng)?shù)缆飞洗嬖谥旅芏氯麜r(shí)，流量也為0；在中間密度范圍內(nèi)流量存在一個(gè)最大值。在自由流區(qū)，流量和密度呈線性關(guān)系；隨著密度的增加，流量密度關(guān)系式變得越來(lái)越復(fù)雜；在擁擠狀態(tài)下，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在一個(gè)比較大的二維空間中，很難用一個(gè)函數(shù)關(guān)系來(lái)描述。第18頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四流量密度關(guān)系與回滯現(xiàn)象（2）回滯現(xiàn)象自由流區(qū)和擁擠區(qū)不是完全孤立的，二者之間存在著一個(gè)相

10、互重疊的部分，這一區(qū)域被稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)區(qū)。在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，車(chē)流有可能處于自由流狀態(tài)，也有可能處于擁擠狀態(tài)。亞穩(wěn)區(qū)的存在導(dǎo)致了回滯現(xiàn)象的發(fā)生?；販F(xiàn)象發(fā)生自由流到擁擠流這一相變時(shí)的車(chē)流密度往往高于相反方向相變的車(chē)流密度。第19頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四交通相自由流相 每輛車(chē)均以期望速度運(yùn)動(dòng)，因此，車(chē)流量隨車(chē)輛密度線性增加同步流相寬運(yùn)動(dòng)堵塞流相第20頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四交通相變 交通流的相變過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程它是指交通流狀態(tài)在不同交通相（包括自由流相、同步流相及交通堵塞流相）之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程。在真實(shí)的交通中，每一種交通相的出現(xiàn)都伴隨

11、著較為復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，交通流的相變過(guò)程是一種臨界現(xiàn)象，車(chē)輛密度是影響交通流相變的一個(gè)重要因素。除此以外，外界施加的擾動(dòng)、交通瓶頸等也是誘發(fā)交通相變的重要因素 第21頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四跟馳模型的穩(wěn)定性與相變最優(yōu)速度模型（OV）第22頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第23頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四 通過(guò)上匝道的擾動(dòng)會(huì)觸發(fā)引起多種擁擠狀態(tài)：(a)同步態(tài)；(b)振蕩堵塞態(tài)；(c)觸發(fā)時(shí)走時(shí)停態(tài)；(d)固定的局域堆集以及完全堵塞態(tài)。 有匝道的道路系統(tǒng)中的相變第24頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月

12、20日，15點(diǎn)6分，星期四交通相變的形式從自由流到同步流的相變；從自由流到寬運(yùn)動(dòng)堵塞的相變；自由流同步流 同步流中的收縮效應(yīng)（pinch effect） 窄堵塞窄堵塞逐漸融合為寬運(yùn)動(dòng)堵塞第25頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四混沌與分岔現(xiàn)象Chaos and headway distribution of shuttle buses that pass each other freely Physica A 323 (2003) 686 694第26頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第27頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四

13、第28頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四A Nonlinear Temporal Headway Model of Traffic Dynamics Nonlinear Dynamics 16: 127151, 1998.第29頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Original model:New model:第30頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第31頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第32頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第33頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，1

14、5點(diǎn)6分，星期四第34頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第35頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第36頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第37頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四自組織現(xiàn)象自組織是指系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的非線性相互作用，在一定的條件下，自發(fā)產(chǎn)生在時(shí)間、空間和功能上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在真實(shí)的交通中，存在著一定的密度區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)交通流的狀態(tài)是亞穩(wěn)定的，由于車(chē)輛之間的相互作用，一些交通流的狀態(tài)會(huì)自發(fā)形成。較為典型的是行走波的形成，也就是向后傳播的堵塞波。一般來(lái)說(shuō)在諸如入口、出口匝道等瓶

15、頸處容易產(chǎn)生這種現(xiàn)象。第38頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四密度波在交通過(guò)程中，交通暢行、堵塞是交替發(fā)生的，類(lèi)似于波動(dòng)現(xiàn)象，可以用密度（或車(chē)間距等）隨時(shí)間（或空間）的變化來(lái)表示各種類(lèi)型的密度波。 第39頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四密度波第40頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第41頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四3. 交通流模型的穩(wěn)定性分析交通安全、城市環(huán)境等方面都造成了極大的負(fù)面作用，因而交通阻塞問(wèn)題已成為交通領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題；交通阻塞問(wèn)題可以看作一種交通相變和交通流不穩(wěn)定的現(xiàn)象，交通流穩(wěn)

16、定性的分析是研究交通阻塞現(xiàn)象的重要理論工具之一。 第42頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四OV模型模型描述：穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)定性條件：第43頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四改善穩(wěn)定性的方法： （1）位置信息； （2）速度信息；第44頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四穩(wěn)定性改善方法1Takashi Nagatani Stabilization and enhancement of traffic flow by the next-nearest-neighbor interaction PHYSICAL REVIEW E 60,

17、63956401,1999第45頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四原OV模型離散化：考慮次鄰近前車(chē)的位置信息：穩(wěn)定性條件： （1/a）第46頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第47頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第48頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第49頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四穩(wěn)定性改善方法2H. Lenza, C.K. Wagner, and R. Sollacher Multi-anticipative car-following model Eur. P

18、hys. J. B 7, 331-335 (1999)第50頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四考慮多輛前車(chē)的位置信息：敏感系數(shù)：穩(wěn)定性條件：第51頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四穩(wěn)定區(qū)域的變化第52頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四穩(wěn)定性改善方法3Akihiro Nakayama，Yuki Sugiyama，Katsuya Hasebe Effect of looking at the car that follows in an optimal velocity model of traffic flow PHYSIC

19、AL REVIEW E 65, 016112 （2001）第53頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四考慮后面車(chē)的位置信息： backward looking OV （BL-OV） model穩(wěn)定性條件：第54頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四穩(wěn)定區(qū)域的比較第55頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四能耗的比較第56頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四穩(wěn)定性改善方法4王濤， 高自友， 趙小梅 多速度差模型及穩(wěn)定性分析 物理學(xué)報(bào) 55，634637，2006 第57頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)

20、6分，星期四考慮多輛前車(chē)間速度差的影響提出了一個(gè)擴(kuò)展的跟馳模型 ：穩(wěn)定性條件：第58頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第59頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第60頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第61頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第62頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第63頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四4.混沌控制Konishi等的方法Zhao等的方法Li等的方法第64頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四混沌控制（1

21、）Coupled map car-following model and its delayed-feedback controlKeiji Konishi,* Hideki Kokame, and Kentaro HirataPHYSICAL REVIEW E， VOLUME 60, NUMBER 4，1999， 4000第65頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Original model第66頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四原模型的穩(wěn)定性分析第67頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Konishi等的混沌控制方法第68

22、頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第69頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Optimal Velocity (OV) Model a favorable one of the microscopic traffic models a differential equation Models:第70頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四The definition of traffic jam A simple definition about traffic jams (Konishi et al, 1999) Definit

23、ion 1. Assume that characteristic polynomial d(s) is stable. If H-norm of G(s) is greater than 1, that iswhere G(s) is the transfer function between the (i-1)th vehicle velocity disturbance and the ith vehicle velocity disturbance, then traffic jam occurs in the OV traffic model. The traffic jam nev

24、er occurs , |G(s)| 1 d(s) is stable第71頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Feedback control method （zhao等）A feedback control signal term is added in OV modelTheorem 1. A feedback signal ui(t) is added to the OV traffic system. If the following conditions are satisfied, andwhere is one-order derivative of OV

25、 function at steady state, then traffic jams will never occur in the controlled system .第72頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四SimulationsObservation spatio-temporal pattern of traffic flow distance headway , velocity Initial conditions 100 vehicles, a single road, length 200m open boundary condition param

26、eters, a=1.0, xc=2, v0=0.964 xi(0)=xc, vi(0)=v0 第73頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Case 1 Noise 1 dimensionless random maximum amplitude, 10-3第74頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Case 1: Simulations results 1Without control signalFig. 2(a) Spatio-temporal pattern of the traffic flow With control signalFig.

27、3(a) Spatio-temporal pattern of the traffic flow 第75頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Case 1: Simulations results 2Without control signalFig. 2(b-d) headway distance and velocity at t=100s and t=500swith control signalFig. 3(b-d) headway distance and velocity at t=100s and t=500s第76頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15

28、點(diǎn)6分，星期四Noise 2 random noise 1 step external disturbance on the leader Case 2第77頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Case 2: Simulations results 1Without control signalFig. 4(a) Spatio-temporal pattern of the traffic flow Without control signalFig. 4(b-d) headway distance and velocity at t=100s and t=500s第78

29、頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Case2: Simulations results 2with control signalFig. 5(b-d) headway distance and velocity at t=100s and t=500sWith control signalFig. 5(a) Spatio-temporal pattern of the traffic flow 第79頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第80頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四在減速帶的應(yīng)用第81頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5

30、月20日，15點(diǎn)6分，星期四時(shí)空?qǐng)D第82頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第83頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四Li等的方法KEPING LI and ZIYOU GAO CONTROLLING THE STATES OF TRAFFIC FLOW AT THE INTERSECTIONS International Journal of Modern Physics C 15， 553562 (2004) 第84頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第85頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四The d

31、istance from the intersection to the signal point is represented by ds.A section of the street from where the driver can see the closest control signal in front of the driver is called the signal post, and it has a length of M sites. In our method, when the vehicle is at the signal post, the driver

32、cannot drive randomly, i.e., the randomization step is ignored in this case.第86頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第87頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第88頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第89頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四5.交通流控制在ACC中的應(yīng)用ACC概述ACC結(jié)構(gòu)與工作原理ACC控制算法ACC發(fā)展現(xiàn)狀A(yù)CC未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)ACC的相關(guān)研究第90頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四 隨著

33、人們生活水平的提高，以及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的需求越來(lái)越多 隨著汽車(chē)保有量的增加，交通不僅變得十分擁堵，而且交通事故不斷增加。 為了使車(chē)輛能夠自動(dòng)預(yù)防交通碰撞事故，設(shè)計(jì)人員在汽車(chē)上安裝了各種主動(dòng)安全裝置，例如測(cè)距雷達(dá)和后視鏡盲點(diǎn)探測(cè)器等，這些裝置在必要時(shí)可以通過(guò)聲光的形式提醒駕駛者，并通過(guò)車(chē)載系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)車(chē)速和車(chē)輛間距等行車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，從而有效地避免交通事故的發(fā)生。 駕駛員輔助系統(tǒng)可改進(jìn)駕駛舒適性，提高汽車(chē)安全程度，受到研究者和汽車(chē)制造商的普遍關(guān)注 概述1第91頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四概述2汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)作為先進(jìn)車(chē)輛控制安全系統(tǒng)

34、（AVCSS）開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方面，由于其對(duì)提高車(chē)輛乘坐舒適性及主動(dòng)安全性的巨大潛力，因而得到了國(guó)內(nèi)外研究人員越來(lái)越多的重視它通過(guò)自動(dòng)控制自車(chē)的加速度以保持自車(chē)與前車(chē)的車(chē)頭距，從而大大減輕駕駛員在高速公路上旅行時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，讓駕駛員從頻繁的加速和減速中解脫出來(lái)，享受更加舒適的駕駛，此外，它可增加汽車(chē)的主動(dòng)安全，減小環(huán)境污染。第92頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四概述3在寶馬E90新3系轎車(chē)上，就選裝了由德國(guó)博世公司提供的駕駛輔助系統(tǒng)自適應(yīng)巡航控制(ACC)系統(tǒng)，寶馬新3系是應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)的第一款中型轎車(chē)。其實(shí)，很多汽車(chē)零部件公司都有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)或類(lèi)似功能的產(chǎn)品，例如

35、德國(guó)大陸公司生產(chǎn)的主動(dòng)距離向?qū)到y(tǒng)。第93頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第94頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四駕駛員可通過(guò)設(shè)置在儀表盤(pán)上的人機(jī)交互界面(MMI)啟動(dòng)或清除自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)啟動(dòng)ACC 系統(tǒng)時(shí)，要設(shè)定主車(chē)在巡航狀態(tài)下的車(chē)速和與目標(biāo)車(chē)輛間的安全距離，否則ACC系統(tǒng)將自動(dòng)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(chē)速下交通法規(guī)所規(guī)定的安全距離第95頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四當(dāng)主車(chē)前方無(wú)行駛車(chē)輛時(shí)，主車(chē)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(chē)速對(duì)車(chē)輛進(jìn)行勻速控制當(dāng)主車(chē)前方有目標(biāo)車(chē)輛，且

36、目標(biāo)車(chē)輛的行駛速度小于主車(chē)的行駛速度時(shí)， ACC系統(tǒng)將控制主車(chē)進(jìn)行減速，確保兩車(chē)間的距離為所設(shè)定的安全距離 當(dāng)ACC 系統(tǒng)將主車(chē)減速至理想的目標(biāo)值之后采用跟隨控制，與目標(biāo)車(chē)輛以相同的速度行駛 當(dāng)前方的目標(biāo)車(chē)輛發(fā)生移線，或主車(chē)移線行駛使得主車(chē)前方又無(wú)行駛車(chē)輛時(shí)， ACC系統(tǒng)將對(duì)主車(chē)進(jìn)行加速控制，使主車(chē)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(duì)主車(chē)的勻速控制。 當(dāng)駕駛員參與車(chē)輛駕駛后，ACC 系統(tǒng)將自動(dòng)退出對(duì)車(chē)輛的控制第96頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第97頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四雷達(dá)用以探測(cè)主車(chē)前方的目標(biāo)車(chē)輛，并向

37、ACC ECU提供主車(chē)與目標(biāo)車(chē)輛間的相對(duì)速度、相對(duì)距離、相對(duì)方位角度等信息ACC ECU 根據(jù)駕駛員所設(shè)定的安全車(chē)距及巡航行駛速度，結(jié)合雷達(dá)傳送來(lái)的信息確定主車(chē)的行駛狀態(tài) 當(dāng)兩車(chē)間的距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)， ACC ECU 計(jì)算實(shí)際車(chē)距和安全車(chē)距之比及相對(duì)速度的大小，選擇減速方式；同時(shí)通過(guò)報(bào)警器向駕駛員發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施第98頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)主要由車(chē)距傳感器（雷達(dá)）、輪速傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器以及ACC控制單元等組成。車(chē)距傳感器(圖1)一般安裝在散熱器格柵內(nèi)或前保險(xiǎn)杠的內(nèi)側(cè)，它可以探測(cè)到汽車(chē)前方200 m左右的距離；在

38、前后車(chē)輪上裝有輪速傳感器（與ABS系統(tǒng)共用），可以感知車(chē)輛的行駛速度；轉(zhuǎn)向角傳感器用來(lái)判斷車(chē)輛行駛的方向；ACC控制單元采集各個(gè)傳感器的信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算，以便可以適時(shí)地與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元和制動(dòng)防抱死控制單元交換數(shù)據(jù)。第99頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第100頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第101頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四ACC的工作原理與結(jié)構(gòu)汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制根據(jù)駕駛員設(shè)定的車(chē)間時(shí)距，通過(guò)控制自車(chē)的節(jié)氣門(mén)和制動(dòng)器來(lái)控制自車(chē)的速度和加速度，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)車(chē)頭距，從而進(jìn)行自適應(yīng)巡航控制。自適應(yīng)巡航控制是從傳統(tǒng)巡

39、航控制（Conventional Cruise Control）發(fā)展而來(lái)的第102頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四工作原理當(dāng)自車(chē)通過(guò)雷達(dá)探測(cè)到前方?jīng)]有汽車(chē)等其它障礙物時(shí)，汽車(chē)執(zhí)行傳統(tǒng)巡航控制，按駕駛員設(shè)定的速度行駛；當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到前方有汽車(chē)切入或減速行駛時(shí)，啟動(dòng)ACC 控制系統(tǒng)，按照駕駛員設(shè)定的車(chē)間時(shí)距，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)作動(dòng)器和制動(dòng)作動(dòng)器來(lái)控制自車(chē)的速度和加速度，以保證計(jì)算的車(chē)頭凈距。第103頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第104頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四ECU控制器ECU 是ACC 系統(tǒng)的中央處理器，是系統(tǒng)的核

40、心部分。它負(fù)責(zé)將傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)（包括相對(duì)距離、相對(duì)速度）進(jìn)行處理，然后按照控制算法進(jìn)行計(jì)算，最后形成指令控制作動(dòng)器工作。它主要包含 (1)目標(biāo)車(chē)頭距計(jì)算，決定自車(chē)與前車(chē)的距離； (2)車(chē)頭距控制器，它計(jì)算獲得目標(biāo)車(chē)頭距的車(chē)速、加速度命令； (3)車(chē)速控制器，它決定制動(dòng)作動(dòng)器和節(jié)氣門(mén)作動(dòng)器的工作。第105頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四第106頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四首先，根據(jù)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果判斷前方是否存在汽車(chē)等障礙物，如果沒(méi)有，進(jìn)入傳統(tǒng)巡航控制，按照駕駛員設(shè)定的車(chē)速控制汽車(chē)，汽車(chē)在設(shè)定速度上行駛。如果前方存在汽車(chē)，先判斷自車(chē)與前車(chē)的車(chē)

41、頭凈距是否大于期望車(chē)頭距（期望車(chē)頭距由前車(chē)速度乘上駕駛員選定的時(shí)間帶，加上預(yù)先設(shè)定偏置距離），如果是，進(jìn)入速度控制算法，采用跟隨前車(chē)的策略，控制自車(chē)與前車(chē)的速度相同；如果不是，進(jìn)入距離控制算法，嚴(yán)格控制車(chē)頭距最終讓車(chē)頭距保持在期望值上。第107頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四ACC 系統(tǒng)的研究主要集中在車(chē)載傳感器及其信息融合技術(shù)，以及ACC 系統(tǒng)控制策略選取等軟硬件技術(shù)上，其中如何選取控制策略是實(shí)現(xiàn)ACC 系統(tǒng)功能及其實(shí)用化的關(guān)鍵第108頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四ACC控制算法控制器的研究是整個(gè)系統(tǒng)研究的中心，是研究的重點(diǎn)，也是研究的主

42、要內(nèi)容。當(dāng)前各研究單位研究的目標(biāo)都集中在控制器上。研究圍繞提高車(chē)流穩(wěn)定性、改善乘坐舒適性、增大控制器帶寬以適應(yīng)城市停走車(chē)況需要等多方面開(kāi)展。但基本原理都相同第109頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四ACC 系統(tǒng)的控制技術(shù)第110頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四發(fā)展現(xiàn)狀1美國(guó)的伊頓（EATON）公司自1971 年就一直從事這方面產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制EATON -300 是伊頓公司最新一代的產(chǎn)品它采用24.725GHz: 單脈沖雷達(dá)，可同時(shí)探測(cè)到主車(chē)正前方120m，左右偏移8o范圍內(nèi)的24 個(gè)目標(biāo)車(chē)輛，以距離主車(chē)最近的車(chē)輛作為主目標(biāo)，當(dāng)兩車(chē)距離小于駕駛

43、員所設(shè)定的距離時(shí)，該系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警報(bào) 這一系統(tǒng)只具有車(chē)輛間的距離監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛速度的控制第111頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四發(fā)展現(xiàn)狀2三菱公司研制開(kāi)發(fā)的PDC（Preview distance control）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(chē)輛的巡航控制系統(tǒng)結(jié)合在一起，當(dāng)預(yù)測(cè)出兩車(chē)間距離過(guò)近時(shí)向駕駛員給出警告提示，同時(shí)通過(guò)控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，并按需要進(jìn)行自動(dòng)換檔、減速 豐田、本田、通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒、Bosch、Continental Teves等各大汽車(chē)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(chē)巡航控制系統(tǒng)CCS 來(lái)開(kāi)發(fā)研制ACC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，使之成為當(dāng)前ACC 系統(tǒng)研制、開(kāi)發(fā)的主流第112頁(yè)，共121頁(yè)，2022年，5月20日，15點(diǎn)6分，星期四發(fā)展現(xiàn)狀3Bosch 公司開(kāi)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 (1)原有的車(chē)輛控制ECU 以及位于車(chē)輛前端的傳感器 (2)控制裝置SCU（sensor and control unit） SCU 用于完成對(duì)雷達(dá)信號(hào)的處理和ACC 控制流程，并通過(guò)CAN 數(shù)據(jù)總線與車(chē)輛主控ECU 相連 (3)用于車(chē)輛動(dòng)力性控制系統(tǒng)VDC(Veh