基于山區(qū)復(fù)雜路段下的車輛主動限速控制系統(tǒng)研究

汪旭，邵毅明，趙靜

（1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

基于山區(qū)復(fù)雜路段下的車輛主動限速控制系統(tǒng)研究

汪旭1，邵毅明2，趙靜2

（1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

山區(qū)復(fù)雜路段交通事故頻發(fā)，行車安全問題亟待解決，因此研究該路段下的主動限速控制技術(shù)具有重要意義。本文闡述了主動限速控制系統(tǒng)的原理與構(gòu)成，并且對車輛的運(yùn)行安全車速進(jìn)行了分析與建模，提出了主動限速的控制策略。最后通過對該系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了調(diào)試，初步驗證了其可行性比較合理，能夠指導(dǎo)駕駛?cè)说男熊嚢踩?/p>

山區(qū)道路；主動限速；車速分析與建模；控制策略；軟硬件調(diào)試

CLC NO.: U464.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-45-04

引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和西部戰(zhàn)略的大轉(zhuǎn)移，我國的公路建設(shè)開始向西部及山區(qū)延伸，并且取得了矚目的成果，隨之而來的則是道路交通行車安全事故的頻頻發(fā)生。而傳統(tǒng)的應(yīng)對碰撞發(fā)生后的被動安全技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會的需求了，研究主動安全技術(shù)新領(lǐng)域成了新的趨勢。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，尤其是在西部山區(qū)路段，由于道路線形復(fù)雜、坡彎組合過多，交通事故時有發(fā)生。

針對交通安全的車輛輔助駕駛技術(shù)，國內(nèi)外的學(xué)者都對其進(jìn)行了大量的研究。其中比較成熟的研究是ACC系統(tǒng)(自動巡航控制系統(tǒng))，它將車輛定速巡航控制和車距保持控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用傳感器技術(shù)，提高行車安全。但其在使用范圍和功能上存在著一定的局限性，尤其是在彎坡路段的復(fù)雜情形下，傳感器的靈敏度受到一定的影響，而不能及時獲取道路信息，從而影響車輛保持最優(yōu)速度行駛?？偨Y(jié)國內(nèi)外關(guān)于主動限速控制的相關(guān)研究，都忽略的道路環(huán)境的復(fù)雜性。

道路安全其實是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由“人-車-路-環(huán)境”組成，各個系統(tǒng)之間相互配合，緊密相連。國內(nèi)的車輛輔助控制，沒有綜合考慮人、車、路系統(tǒng)，因此具有局限性。相關(guān)研究表明，超速行駛是山區(qū)事故頻發(fā)的主要原因，因此研究山區(qū)彎坡復(fù)雜路段的主動限速控制系統(tǒng)有著重要的實際意義。基于交通安全，通過搭建輔助綜合制動安全的平臺，綜合考慮人、車、路的關(guān)聯(lián)，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)，主要研究車輛在彎道和坡道行駛時的主動限速控制系統(tǒng)，來提高危險路段的辨識度，為行車安全提供輔助駕駛功能。

1、車輛主動限速控制的原理與組成

1.1 限速控制系統(tǒng)原理

車輛主動限速控制系統(tǒng)利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)和電子控制技術(shù)，通過傳感器采集車輛運(yùn)行狀態(tài)及路況信息，主要包括轉(zhuǎn)彎半徑、行駛坡度、行駛車速、車輛側(cè)向加速度等，判斷當(dāng)前車輛行駛安全狀態(tài)，當(dāng)車輛險情發(fā)生時自動采取制動控制措施，降低車輛行駛速度，保證車輛在安全速度內(nèi)行駛，提高車輛的安全駕駛性能，從而達(dá)到智能駕駛的目的。

該系統(tǒng)主要是將人、車、路的多種因素綜合考慮，尤其是當(dāng)車輛在山區(qū)彎道、坡道等危險路況下行車時，傳感器采集道路信息及車輛運(yùn)行參數(shù)，控制單元通過分析當(dāng)前行駛數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前行車狀態(tài)，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的限速控制。該系統(tǒng)能彌補(bǔ)目前市場上主動安全設(shè)備不能同步采集道路參數(shù)和車輛姿態(tài)的缺陷，通過實時辨識車輛行駛狀態(tài)、預(yù)判駕駛行為，實時預(yù)警并主動實施限速。

1.2 限速控制系統(tǒng)組成

車輛主動限速控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成，其中傳感器感知并采集道路環(huán)境與車輛運(yùn)行參數(shù)，控制單元依據(jù)采集到的信息進(jìn)行行車安全狀態(tài)的判定，并依據(jù)算法向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，最后執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收指令并對車輛進(jìn)行限速控制，從而確保行車的安全。其系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

1.2.1 行車信息采集

傳感器采集車輛行進(jìn)中的信息，其中can總線采集車輛里程表中的車速信息，采用脈沖式測量法，利用磁阻式傳感器作為車輛同步旋轉(zhuǎn)的脈沖發(fā)射器，產(chǎn)生的車輪速與脈沖數(shù)成正比，根據(jù)比例計算出當(dāng)前車輛的運(yùn)行速度。其中車速的計算公式為：V = n1* 4 * C * 3.6/ n2。其中n1為單位時間內(nèi)脈沖數(shù)，C為車輛周長，n2為齒輪一圈的齒數(shù)。其中，壓力傳感器置于發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管處，用來測量發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，陀螺儀置于車內(nèi)采集車輛縱向傾角,從而得出坡度，加速度計測量轉(zhuǎn)彎路段上的側(cè)向加速度大小。

1.2.2 控制單元處理信息與判斷

傳感器采集的信息傳送給控制單元，控制單元分析并處理接收的信息，根據(jù)邏輯安全算法，判斷當(dāng)前行車的安全狀態(tài)，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)限速。山區(qū)彎坡路段，車輛高速行駛時，易發(fā)生交通事故。因此，我們基于在山區(qū)復(fù)雜路段下建立行車安全目標(biāo)容許車速模型：

其中，θ為坡度，R為轉(zhuǎn)彎半徑，ay為側(cè)向加速度,v為實際行駛車速, l為坡長。處理單元可以根據(jù)當(dāng)前行駛的參數(shù)得出目標(biāo)容許車速，與實際行駛車速之間進(jìn)行對比判斷，從而進(jìn)行相關(guān)的限速操作。

1.2.3 限速執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在危險路段車輛超速行駛時，電子控制單元計算出限速值與實際值之間的偏差，當(dāng)駕駛員未及時做出反應(yīng)時執(zhí)行機(jī)構(gòu)能采取主動限速控制措施。其主要是通過安裝步進(jìn)電機(jī)控制移動踏板拉桿，模擬駕駛?cè)颂ぶ苿犹ぐ鍦p速。

2、山區(qū)彎坡路段車輛運(yùn)動安全車速分析與建模

針對山區(qū)路段行駛安全，由于車輛在下坡和轉(zhuǎn)彎時易出現(xiàn)超速行駛和發(fā)生側(cè)翻可能性，因此我們主要考慮下坡路段和彎道路段兩種路況。通過分析此路段下的車輛行駛受力圖，利用車輛動力學(xué)的相關(guān)原理，得出車輛安全行駛車速，從而建立安全行駛的模型。

2.1 下坡路段

制動距離與行車安全密切相關(guān)，車輛在下坡路段行駛時，由于重力加速度沿坡面的分力，如果不采取制動措施，車速會迅速增加。坡度過長，也會使駕駛?cè)诵熊囍行睦砭o張，造成反應(yīng)不及時，易使得車輛超速。因此，在下坡路段，駕駛?cè)艘浞挚紤]重力因素，合理控制車速。分析車輛在下坡路段的受力情況，如圖2所示：

在下坡路段，制動距離與行車安全密切相關(guān)。根據(jù)汽車?yán)碚摰南嚓P(guān)知識，制動安全距離包括機(jī)械反應(yīng)階段和持續(xù)制動階段。其中機(jī)械反應(yīng)階段制動距離,其中為駕駛?cè)瞬认轮苿犹ぐ宓疆a(chǎn)生制動力階段的制動距離,為制動力增加到最大階段的制動距離。其中：

S3為持續(xù)制動階段的制動距離，t3為該階段制動時間，該階段行駛距離：

汽車下坡制動距離為：

進(jìn)行單位換算km/h,得出安全距離：

的極限值，作為目標(biāo)容許車速。下坡路段，由于重力分量的存在，其易導(dǎo)致車輛超速誘發(fā)事故。為了保證行車安全，建立安全行車模型：當(dāng)車輛行駛的速度時，進(jìn)行制動限制車速,即可保證安全行車，獲得安全行車的范圍。

2.2 轉(zhuǎn)彎路段

轉(zhuǎn)彎路段行車情況較復(fù)雜，危險主要集中在彎道上的側(cè)翻與側(cè)滑狀態(tài)，這里我們考慮的路段是由一定傾角的彎道路段（彎坡組合路段）。當(dāng)車輛在此路段行車時，汽車需要保持橫向行駛穩(wěn)定性，當(dāng)車速較高時，其側(cè)翻狀態(tài)發(fā)生概率較大，且危險系數(shù)高于側(cè)滑狀態(tài)，是我們討論的重點(diǎn)，如圖3所示為車輛彎道路段的受力圖。

車輛在彎道行駛時，由于離心力的作用，會導(dǎo)致內(nèi)側(cè)車輛的作用力向外側(cè)轉(zhuǎn)移。當(dāng)離心力足夠大的時，會使Fzi=0而產(chǎn)生側(cè)翻，即其產(chǎn)生側(cè)翻臨界條件為Fzi=0。對圖3中外側(cè)車輪受力建立力矩方程：

3、主動限速控制策略研究

由于“人-車-路-環(huán)境”是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，因此在山區(qū)路段行車時，道路環(huán)境、駕駛?cè)说纫蛩貢嗷ブ萍s，其都將影響主動限速控制系統(tǒng)的精確性。而且這些因素很多具有模糊性，例如道路環(huán)境的一些無法量化指標(biāo)，駕駛?cè)嗽趯嶋H的駕駛中的駕駛經(jīng)驗、心理因素、駕駛習(xí)慣等。因此為更好的提高行車安全中的控制精度，需要對限速控制系統(tǒng)進(jìn)行控制策略研究。

本系統(tǒng)控制策略的研究重點(diǎn)是針對車輛在彎坡路段超速行駛時的合理制動，從而能夠獲得安全行車速度，其中道路環(huán)境對系統(tǒng)的干擾最大。為了提高控制精度，系統(tǒng)采用上下分層控制：上層主要根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，獲得理想車速；下層控制主要針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來模擬駕駛員控制。其控制策略流程如圖4所示：

其中X表示的是行車參數(shù)的輸入到控制器中，行車中道路環(huán)境因素、駕駛?cè)艘蛩剌^多，這些因素的不確定性會使得制動控制時精度受影響。因此系統(tǒng)重點(diǎn)考慮下層控制，采用魯棒控制器，是為了保證車輛在行車自我改善控制性能，降低這些因素的影響，從而來保證系統(tǒng)的魯棒性。在采用魯棒控制時，先確定控制變量的范圍后，采用反饋補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ_保在道路環(huán)境（坡度、轉(zhuǎn)彎半徑、路況等）發(fā)生變化時，能夠保證其限速的合理性。而自適應(yīng)控制則是與魯棒控制結(jié)合進(jìn)行，基于概率控制理論，根據(jù)輸出的安全速度模型，通過辨識機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整來修正控制部分的實際參數(shù)值，并根據(jù)參考模型得出的行車速度與實際速度差值計算，根據(jù)自適應(yīng)的控制規(guī)則，不斷調(diào)整差值，從而獲得最優(yōu)控制。

4、主動限速控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與調(diào)試

4.1 軟硬件的設(shè)計

主動限速系統(tǒng)由硬件部分與軟件部分組成，其中硬件包括PCB板中的陀螺儀，加速度計，步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)氣歧管壓力傳感器，拉線式位移傳感器OBD車載診斷儀，語音報警裝置等。軟件是通過分層進(jìn)行制動控制，包括信號層、控制層、執(zhí)行層。其中將部分ARM芯片在PCB電路板上進(jìn)行布置，通過搭建軟硬件測試平臺，完成道路測試前的準(zhǔn)備工作。圖5所示為系統(tǒng)硬件的實物圖：

軟件部分主要涉及到信號層、控制層、執(zhí)行層部分，其中信號層部分主要是行車信息的采集，控制層部分通過建立模型，運(yùn)用控制策略得到最優(yōu)車速，執(zhí)行層最后完成報警及制動踏板的控制。同時系統(tǒng)還包括一些調(diào)試的軟件，如USR-TCP串口調(diào)試軟件，以及用于編程控制的Keil uVision調(diào)試軟件。圖6所示為控制中心流程圖。

4.2 軟件的調(diào)試

本研究通過搭建的實驗平臺，通過軟件調(diào)試駕駛員在超速行駛時的主動限速的及時性和可靠性。測試現(xiàn)場圖如圖7所示：將芯片控制器通過RS232數(shù)據(jù)線與PC機(jī)連接，通過WIFI與芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過在PC機(jī)中USR-TCP串口調(diào)試軟件中輸入行駛車速命令；同時將建立的安全車速模型寫入Keil軟件中，并確定車速區(qū)間，如圖8所示為程序的編寫與修改測試。通過反復(fù)的調(diào)試所編寫的程序，將模擬的行車數(shù)據(jù)通過串口調(diào)試軟件發(fā)送到芯片控制器中，來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。同時不斷的修改編寫的程序，來完善系統(tǒng)的控制精度。調(diào)試結(jié)果表明；控制系統(tǒng)能根據(jù)給定的速度差與速度差變化率來控制步進(jìn)電機(jī)，且準(zhǔn)確率較高，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

5、結(jié)論

本文針對山區(qū)復(fù)雜路段提出了車輛主動限速控制的安全行車系統(tǒng)，并根據(jù)行車路況的復(fù)雜性，建立了彎道、坡道的安全車速模型，通過采用模糊魯棒控制來提高控制精度；且初步搭建了軟硬件的實驗平臺，通過系統(tǒng)的調(diào)試，結(jié)果顯示系統(tǒng)反應(yīng)較靈敏，基本能達(dá)到控制要求，實現(xiàn)了系統(tǒng)的主動限速控制。

該系統(tǒng)是車輛輔助安全駕駛的探索，能夠減輕駕駛員的駕駛負(fù)荷，在結(jié)合“人-車-路-環(huán)境”多重因素下的道路交通安全行車的領(lǐng)域具有一定的研究意義。但由于實驗條件的限制，該系統(tǒng)沒能進(jìn)行道路實驗，也是今后需要進(jìn)一步的探討。

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The Research of Car Initiative Speed Control System for the Complex Mountain Road

Wang Xu1, Shao Yiming2, Zhao Jing2
( 1. College of Electromechanical and Automobile Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074; 2.School of Traffic＆Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074 )

In the complex mountain road, the traffic accidents often take place, so we should to solve the traffic safety problems. Therefore, study of the active speed limit control technology has important significance. In this article, we depicted the principle and structure of the active speed control system. And according to the vehicle safety driving speed, we are analyzing and modeling, and puts forward the control strategy of active speed limit. At last, when we are debugging the software and hardware of the system, we can verify the feasibility of the system, and it can guide the driver's driving safety.

Mountain Road; Active speed limit; Analysis and modeling of vehicle; Control strategy; The software and hardware debugging

U464.1

A

1671-7988(2015)06-45-04

汪旭，就讀于重慶交通大學(xué)2013級碩士研究生，研究方向為車輛與道路安全。