汽车自适应巡航控制系统的发展 - 张景波概要

收稿日期:20020815

基金项目:福特-中国研究与发展基金(50122148

作者简介:张景波(1975- , 男, 博士研究生, 研究方向为汽车自适应巡航控制系统. 文章编号:10094687(2003 02004406汽车自适应巡航控制系统的发展 张景波, 刘昭度, 齐志权, 马岳峰

(北京理工大学汽车动力性及排放测试国家专业实验室, 北京 100081 摘 要:详细叙述了汽车自适应巡航控制系统ACC 的组成、工作原理、所需要的关键技

术和存在的问题. 介绍了近年来该系统在国内外所取得的成果, 对ACC 系统的未来发展

进行了预测.

关键词:汽车; ACC; 发展 中图分类号:U 467 文献标识码:A 1 ACC 的组成与原理

自适应巡航控制系统ACC (Adaptive Cruise Control 是一种构想于20世纪70年代末期的汽车安全性辅助驾驶系统[1]. 它将汽车自动巡航控制系统CCS (Cruise Control System 和车辆前向撞击报警系统FCWS (Forw ard Collision Warning System 有机地结合起来[2]

, 既有自动巡航功能, 又有防止前向撞击功能. 由于当时传感器技术、信号处理技术、汽车电子技术以及交通设施等方面的因素阻碍了ACC 的发展, 直到20世纪90年代中期, 随着各项技术的进步和对汽车行驶安全性要求的提高[1, 2], 特别是对

有效地防止追尾碰撞要求的不断提高, 才使得ACC 迅速发展起来. ACC 系统共有4种典型的操作, 如图1所示

. 图1 ACC 的典型操作 2003年第2期

车辆与动力技术V ehicle &Pow er T echnolog y 总第90期

驾驶员可通过设置在仪表盘上的人机交互界面(MM I 启动或清除自适应巡航控制系统ACC. 启动ACC 系统时, 要设定主车在巡航状态下的车速和与目标车辆间的安全距离, 否则ACC 系统将自动设置为默认值, 但所设定的安全距离不可小于设定车速下交通法规所规定的安全距离.

当主车前方无行驶车辆时, 主车将处于普通的巡航行驶状态, ACC 系统按照设定的行驶车速对车辆进行匀速控制. 当主车前方有目标车辆, 且目标车辆的行驶速度小于主车的行驶速度时, ACC 系统将控制主车进行减速, 确保两车间的距离为所设定的安全距离. 当ACC 系统将主车减速至理想的目标值之后采用跟随控制, 与目标车辆以相同的速度行驶. 当前方的目标车辆发生移线, 或主车移线行驶使得主车前方又无行驶车辆时, ACC 系统将对主车进行加速控制, 使主车恢复至设定的行驶速度. 在恢复行驶速度后, ACC 系统又转入对主车的匀速控制. 当驾驶员参与车辆驾驶后, ACC 系统将自动退出对车辆的控制.

ACC 系统的基本组成如图2所示. 雷达用以探测主车前方的目标车辆, 并向ACC

ECU 图2 ACC 系统的基本组成

提供主车与目标车辆间的相对速度、相对距

离、相对方位角度等信息. ACC ECU 根据 驾驶员所设定的安全车距及巡航行驶速度, 结合雷达传送来的信息确定主车的行驶状 态. 当两车间的距离小于设定的安全距离 时, ACC ECU 计算实际车距和安全车距之 比及相对速度的大小, 选择减速方式; 同时 通过报警器向驾驶员发出警报, 提醒驾驶员 采取相应的措施. 2 国外发展状况 美国的伊顿(EATON 公司自1971年就

一直从事这方面产品的开发和研制. EATON VORAD-300是伊顿公司最新一代的产品, 它采用241725GHz 单脉冲雷达, 可同时探测到主车正前方120m, 左右偏移8b 范围内的24个目标车辆, 以距离主车最近的车辆作为主目标, 当两车距离小于驾驶员所设定的距离时, 该系统向驾驶员发出警报. 这一系统只具有车辆间的距离监测和报警功能, 无法实现对车辆速度的控制.

三菱公司研制开发的PDC (Preview Distance Control 系统是具有现代概念的最早的ACC 系统雏形. 它将扫描式雷达及其处理器同车辆的巡航控制系统结合在一起, 当预测出两车间距离过近时向驾驶员给出警告提示, 同时通过控制节气门开度调整发动机的输出功率, 并按需要进行自动换档、减速. 丰田、本田、通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒、Bosch 、Continen -tal Teves 等各大汽车和零部件生产商及研究机构延续了三菱公司基于汽车巡航控制系统CCS 来开发研制ACC 系统的设计思想, 使之成为当前ACC 系统研制、开发的主流.

Bosch 公司开发的ACC 系统包括雷达、转向传感器、执行机构和显示单元. ACC 系统包括原有的车辆控制ECU 以及位于车辆前端的传感器和控制装置SCU (Sensor and Control U , #45# 第2期 张景波等:汽车自适应巡航控制系统的发展

控ECU 相连. 用于车辆动力性控制系统VDC (Vehicle Dynam ics Control 的转向传感器可以帮助车辆预知其行驶路线. M MI (Hum an -Machine -Interface 是ACC 系统与驾驶员交互的媒介, 包括操作开关、状态显示器、加速踏板、刹车踏板等. 驾驶员通过M MI 可启动、关闭ACC, 设定行驶速度及安全车距.

近年来, 德国的大陆特威斯公司(Continental T eves 致力于汽车安全行驶的全方位研究和产品开发. 该公司开发出采用微波雷达技术和红外传感技术两类ACC 产品, 可探测出前方150m 范围内的目标车辆与主车间的车距和相对速度, 在自动进行安全车距控制时, 发动机和传动系工作稳定, 乘坐舒适. 为了进一步提高ACC 系统的性能, 该公司还提供了与能见度相关的车速推算系统, 以及为缩短制动系反应时间的电子辅助制动助力装置. 目前大陆公司的产品广泛地应用在各大著名汽车公司的高档轿车上.

Jaguar 公司1999年和2000年分别推出了装备ACC 系统的XK180轿车和XKR 轿车, 标志着ACC 系统作为一种驾驶员安全性辅助驾驶系统进入了商品化阶段. 此后, 戴姆勒-克莱斯勒公司推出的CL600轿车、S600轿车, 通用汽车公司2001年推出的Cadillac Viz n 轿车都配备了ACC 系统. 当前, 配备ACC 系统已经成为高档豪华轿车的一个标志.

图3 大气衰减系数与频率关系图各生产商在加紧开发ACC 系统的同时, 也在加紧对车用雷达系统的开发. 车用微波 雷达系统同以往的民用雷达及倒车用雷达相 比, 最显著之处在于它的使用频率. 当前车 用微波雷达的使用频率为241725GHz 、

6015GH z 和7615GH z. 之所以使用这3个 频率是由微波在大气中传播的衰减特性决定 的, 其特性如图3所示. 在241725GH z 频 率处, 由于大气中水分子对这一频率微波的 吸收作用, 使得在此处产生一个衰减尖峰. 在6015GHz 处, 由于氧气分子的吸收作用

也产生一个衰减尖峰, 7615GH z 大大超过了无线通讯使用的频率, 因而它们和无线通讯不冲突, 不影响现有正常的无线通讯. 6015GHz 雷达信号在大气中传播衰减系数为15dB/km , 而在7615GHz 大约为014dB/km, 这样在雷达信号传播到稍微远些的地方就会迅速衰减. 近年来, 新开发的雷达系统多使用频率为7615GHz [3, 4]的单脉冲雷达. 单脉冲雷达具有精度高、数据输出稳定等特点, 而且还可通过编码来分辨不同车辆的雷达, 确保接受信号的正确性. 3 国内研究状况

我国一些高等院校正对ACC 技术的发展进行跟踪研究. 北京理工大学车辆学院、清华大学汽车技术研究所等多家科研机构正在从事ACC 技术或相关技术的研制开发工作, 并取得了阶段性的进展.

北京理工大学针对当前ACC 系统多是基于CCS 系统开发, 对车辆速度的调节主要是通过控制节气门开度和自动换档来实现, 提出了将ACC 系统与车辆制动和防滑控制系统ABS/#46#车辆与动力技术2003年

用ABS/ASR 系统的硬件设施, 只需在ABS/ASR 集成系统的硬件结构基础上添加一个雷达探测系统, 再将ACC 系统控制程序与ABS/ASR 控制流程相融合, 实现ACC 与ABS/ASR 系统的信息共享. 这种设计方案使ACC 系统直接同车辆上的制动系统相关联, 在对车辆进行速度调节时, 不但可以利用节气门、自动变速器, 还可以直接利用制动系统. 当主车与目标车辆间的距离小于安全距离时, ABS/ASR/ACC 集成化系统可通过减小节气门开度、自动降低档位的方法调节车速, 还可在必要时

自动增加对车轮的制动力矩来实现快速调速, 从而为驾驶员提供更加充足的第一反映时间. 清华大学所做的汽车主动安全性的研究, 将ACC 技术融合其中, 不但可以实现自动调整与目标车辆间的距离, 而且还可以实现障碍主动避让, 从而进一步提高车辆行驶的安全性能.

4 ACC 的关键技术

1 雷达的性能. 雷达的功用是测知相对车距、相对车速、相对方位角等信息, 其性能的优劣直接关系到ACC 系统性能的好坏. 当前应用到ACC 系统上的雷达主要有单脉冲雷达、微波雷达、激光雷达以及红外探测雷达等. 单脉冲雷达和微波雷达是全天候雷达, 可以适用各种天气情况, 具有探测距离远、探测角度范围大、跟踪目标多等优点. 激光雷达对工作环境的要求较高, 对天气变化比较敏感, 在雨雪天、风沙天等恶劣天气探测效果不理想[5], 探测范围有限, 跟踪目标较少, 但其最大的优点在于探测精度比较高, 价格低, 易于控制和进行二次开发. 红外线探测在恶劣天气条件下性能不稳定, 探测距离较短, 但价格便宜. 无论使用何种类型的雷达, 确保雷达信号的实时性处理是要首先考虑的问题. 随着汽车电子技术的迅速发展, 现在大都利用DSP 技术来处理雷达信号, 应用CAN 总线输出雷达信号.

2 目标车辆的识别和跟踪. 雷达只能将它所探测到的物体信息传递给ACC ECU , ECU 要根据传来的信息进行识别, 从中确定一主目标用做ACC 控制中的参照物, 依据两者间的相对运动及距离控制主车的行驶速度. 主目标是可变的, 不同厂商开发的ACC 系统对主目标的选取模式是不同的, 一般ACC 系统将与主车间距离最近的车辆视为主目标, 而有些系统则将与主车位于同一车道上距离最近的车辆视为主目标. ACC 系统不但要确定主目标, 而且还应该能够对其进行跟踪, 无论是弯道还是上下坡道都要保证主目标的一致性, 以减少系统的误报率. 对主目标进行跟踪的另外一个好处就是可以根据主目标的运行情况来预测出主车在未来时间内运行状态. 例如, 主车现沿直道行驶而此时主目标车辆已进入弯道, 由于ACC 系统可对主目标进行跟踪, 故不会将正前方的护栏或旁车道上的车辆视为主目标, 从而避免了误报的产生; 同时主车根据主目标的运行轨迹判断出前方是弯道路况, 可以使主车提前做好减速转向的准备.

当前ACC 系统对目标的识别判定技术上已经有了很大进展, 但对主目标的跟踪以及ACC 系统与习惯性驾驶之间的矛盾[6~8]等问题还有待解决.

5 ACC 当前存在的问题, #47# 第2期 张景波等:汽车自适应巡航控制系统的发展

车辆的主动制动.

由于车辆在道路中行驶状况十分复杂, 使ACC 系统对主目标的识别十分困难, 误报率很高. 当前为了解决这一问题所采取的措施包括在车辆前部加装一个红外成像系统, 将所成的平面图像提供给驾驶员进行参考以及记录车辆在每一时刻相对于主车的位置, 对车辆进行实时跟踪、预测. 现在对目标车辆的跟踪研究还只局限于一维的水平上. ACC 通过雷达只能进行水平方向上的弯道跟踪或竖直方向上的上、下坡道跟踪. 日本丰田公司开发的ACC 系统, 通过将激光雷达扫描回来的图像在竖直方向上进行分割, 初步实现了对目标车辆上下坡道的判别与跟踪[9~11]. Bosch 公司正在研制的ACC 系统, 利用微波雷达来探测、记录目标车辆的位置, 再利用这些位置信息分析和判断目标车辆的行驶路线, 目前这项研究还只限于对水平弯道的识别. 虽然这两项研究取得了一定的成果, 但离实际应用还有一段距离.

ACC 系统对车辆速度的调节主要是通过控制发动机节气门开度和自动降低档位来实现的[12~18]. 但是由于节气门和换档调节在时间上有一定的滞后, 当主车前方有车辆并入或有其它紧急情况发生时, 这样的速度调节不足以为驾驶员提供充足的第一反应时间, 因此, ACC 系统应该与车辆的制动系统直接相连, 具有主动制动功能.

6 ACC 未来的发展趋势

1 集成化. 它有助于降低成本, 增强各系统间的内在联系, 充分利用各种车辆信息, 从而提高系统的稳定性和可靠性. ACC 在发展之初就与CCS 系统结合在一起, 按照ACC 的发展方向, 它还会同ABS 、ASR 以及发动机控制器等各种电控系统集成起来[1, 19].

2 走停控制. 现在对ACC 系统的研制和开发主要针对的是在高速公路上高速行驶的车辆, 而不适用于城市中低速、高车流密度情况下使用. 走停控制正是ACC 系统针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展, 这要求ACC 系统具有更好的近距离探测能力, 更快的信号处理功能, 更迅速的系统反映, 同时还向ACC 系统提出了增加车辆的自动起步功能. 这样既使在堵车情况下也无须驾驶员参与, 只需操纵车辆的转向即可[20], 驾驶员可以完全从烦琐的驾驶操作中解放出来. 日本丰田公司在这方面的研究领先一步, 已取得部分成果.

3 随着近几年智能公路概念的提出以及卫星导航系统的开发与应用, 未来的ACC 系统将同其它的汽车电控系统相互融合, 形成智能汽车电子控制系统. 驾驶这种汽车只需在显示器中指明所要到达的目的地, 汽车就会在卫星导航系统的指引下, 借助公路两旁的电子标志牌, 无需人为参与就可安全驶达目的地, 实现完全的自动驾驶功能.

参考文献:

[1] Winner H, Witte S. A daptiv e Cruise Control System Aspects and Development T rends [C]. SA E 961010,

U SA , 1996.

[2] Say er J R. Intelligent Cruise Control Issues for Consideration [C].SA E 961667, U SA , 1996.

[3] Woll J D . 60GHz Vehicle Radar for Japan [C]. SA E 981948U SA , 1998. [4] Olbrich H, Beez T. A Small, Lig ht Radar Sensor and Control U nit for A daptiv e Cruise Contro l [C]. SAE

980607U SA, 1998.

[5][M ]. , . #48#车辆与动力技术2003年

第2期 [ 6] [ 7] [ 8] [ 9] [ 10] [ 11] [ 12] [ 13] [ 14] [ 15] [ 16] [ 17] [ 18] [ 19] [ 20] 张景波等 : 汽车自适应巡航控制系统的发展 # 49 # K oziol J S. Safety Evaluation M ethodology for the Intelligent Cr uise Control Field Operatio nal T est [ C] . SAE 970457 U SA , 1997. Fancher P , Er vin R, et al. A F ield Operational T est of A daptiv e Cr uise Control: System Operability in N atu ralistic U se [ C] . SAE 980852 U SA, 1998. N ajm W G. , Silva M P, et al. Safety Benefits Estimation of an Intelligent Cruise Control System Using F ield Operational T est Data [ C] . SA E, 1999- 01- 2950 U SA, 1999. M iy akoshi H, Furui N , et al. Development of A daptive Cruise Control System [ J] . T OYOT A T echnical Re view 48 ( 2 , M ar. 1999. Osug i K , M iyauchi K, et al. Development of the Scanning L aser Radar for ACC System [ C ] . JSAE 9936998 Jap, 1999. F urui N , M iyakoshi H, et al. Development of a Scanning L aser Radar for ACC [ C] . SAE, 980615 USA, 1998. Y i K , L ee S, et al. An Investig ation of Intelligent Cruise Control L aws for Passenger V ehicles [ C] . Proc Instn M ech Engrs , 215 Part D, D02000, ImechE, 2001, 159- 168. Rohr S N , Lind R C, et al. A n Integ rated Approach to Automo tive Safety Systems [ C] . SAE, 2000- 010346 U SA, 2000. Kuragaki S, K uroda H, et al. An Adaptive Cruise Control U sing Wheel T or que M anagement T echnique [ C] . SAE, 980606 U SA, 1998. lijima T , Higashimata A , et al. Development of an A daptive Cruise Contro l System w ith Br ake Actuation [ C] . SAE, 2001- 01- 1353 U SA , 2001. Hoess A, Hosp W, et al. Longitudinal Autonomous V ehicle Control U tilizing Access to Electronic T hrottle Contro l. Automatic T r ansmission and Br akes [ C] . SAE, 961009 U SA , 1996. Sommerv ille M , Redmill K , et al. A M ulti- Level A utomotive Speed Control [ C] . SA E, 961011 USA, 1996. Higashimata A , Adachi K , et al. Design of a Headw ay Distance Contro l System for ACC [ C] . JSAE 20014003 Jap, 2001. Liu Zhaodu, L u Jiang, et al. ABA/ ASR/ A CC System for Cars [ J] . Jour nal of Beijing Institute of T echnolo g y, 2001, 10 ( 3 : 326- 330. Yi K , Hong J, et al. A vehicle Control Algorithm for Stop- and- Go Cruise Control [ C] . Proc Instn M ech Engrs, 215, Part D, D1100, I mechE, 2001, 1099- 1114. Development of the Adaptive Cruise Control for Cars ZHANG Jing - bo, L IU Zhao - du, Q I Zhi quan, MA Yue - feng ( N ational Lab

of Auto Per for mance and Emission T est in Beijing I nstitute of T echnolog y, Beijing 100081, China Abstract: T he const ruct ions, operat ional principles, key - technologies and updat e problems of t he Adapt ive Cruise Control ( ACC are elucidated in details. T he development of the ACC in t he re cent y ears and t rends in the fut ure are also described. Key words: car; ACC; development

of Auto Per for mance and Emission T est in Beijing I nstitute of T echnolog y, Beijing 100081, China Abstract: T he const ruct ions, operat ional principles, key - technologies and updat e problems of t he Adapt ive Cruise Control ( ACC are elucidated in details. T he development of the ACC in t he re cent y ears and t rends in the fut ure are also described. Key words: car; ACC; development

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vucr.html