車輛跟馳系統(tǒng)的分析

李子龍

摘 要：車輛跟馳行為指的是車輛在行駛時(shí)無法超車，后車跟隨著前車行駛的駕駛行為。智能車輛跟馳系統(tǒng)，作為智能車輛控制系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，能夠模擬人的駕駛行為使前后車之間保持安全距離，既不發(fā)生碰撞也不拉大距離，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中可以保障行車安全又合理地利用了道路資源，具有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。為此，本文針對(duì)智能車輛跟馳系統(tǒng)展開研究，并在車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能車輛跟馳行駛。本文從分析車輛跟馳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，對(duì)車輛跟馳行為狀態(tài)和車距檢測(cè)方法對(duì)比與選擇進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：跟馳系統(tǒng);跟馳行駛;超車

1 車輛跟馳系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文研究的是車輛在單一車道，且無法超車的情況下，能與前車保持安全距離并自動(dòng)行駛的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以單片機(jī)為主控模塊，以智能車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以車距檢測(cè)模塊為反饋裝置，實(shí)現(xiàn)車輛跟馳行駛。車輛跟馳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在本文設(shè)計(jì)的智能車輛跟馳系統(tǒng)中，智能車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為跟馳系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來控制車輛沿單一車道行駛，同時(shí)精確的控制車速的大小，實(shí)現(xiàn)車輛的跟馳行駛。

由于在設(shè)計(jì)車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)在主控模塊的硬件和軟件上預(yù)留出豐富的資源供系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展。因此，智能車控制系統(tǒng)的主控模塊與智能車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主控模塊相同，共同采用STC12LE5412AD單片機(jī)為主控芯片的控制電路板。

智能車輛跟馳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容在于車距檢測(cè)模塊的研制以及跟馳算法的研究。

2 車輛跟馳行為狀態(tài)分析

車輛的跟馳駕駛是當(dāng)車輛在無法超車的條件下，后車跟隨前車的行駛狀態(tài)。在跟馳駕駛時(shí)，后車不考慮相鄰車道的車輛信息，只考慮與前車的相互作用。此時(shí)，為了不發(fā)生碰撞，后車力求保持一定的安全距離。因此，后車只能根據(jù)前車的駕駛狀態(tài)，采取相應(yīng)的運(yùn)行方案。在車流中，后車并不能對(duì)前車產(chǎn)生同樣的影響。

真實(shí)車輛行駛實(shí)際上只受駕駛員本人駕駛行為的控制，在單一車道上，后車駕駛員在進(jìn)行跟馳駕駛時(shí)，參考的依據(jù)僅僅來源于肉眼觀察的本車與前車之間車距以及車距的變化量。后車駕駛員根據(jù)肉眼觀察的情況依據(jù)個(gè)人主觀的駕駛經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加速和減速的操作，達(dá)到實(shí)現(xiàn)跟馳行駛的目的。但是這些駕駛經(jīng)驗(yàn)是日常積累的，無法用語(yǔ)言來表達(dá)，而傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法也沒有辦法來表示。這時(shí)，模糊推理理論成為可以幫助通過數(shù)學(xué)方法解決這個(gè)問題的一個(gè)途徑。建立在模糊推理之上的跟馳系統(tǒng)算法，主要是通過推測(cè)司機(jī)將來的邏輯階段，達(dá)到能模擬司機(jī)的駕駛行為，具有一定的科學(xué)性和現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于本文研究的智能車跟馳系統(tǒng)而言車車距檢測(cè)模塊相當(dāng)于駕駛員的眼睛，檢測(cè)電路輸出的車距信息以及車距信息的微分量便是跟馳系統(tǒng)的兩個(gè)輸入量。

3 車距檢測(cè)方法對(duì)比與選擇

目前在移動(dòng)機(jī)器人避障測(cè)距中應(yīng)用較廣的傳感器有超聲波傳感器、激光傳感器、光電式傳感器等。

其中超聲波傳感器主要應(yīng)用于低速、近距離的倒車系統(tǒng)，激光傳感器主要是靠激光束照射在前車的反射鏡后反射回來的激光束探測(cè)兩車距離來避障。

障礙探測(cè)電路比較成熟的有汽車倒車測(cè)距電路、激光脈沖時(shí)差測(cè)距電路、激光相位測(cè)距電路、攝像頭圖像分析測(cè)距等。

汽車倒車測(cè)距電路使用的是超聲波回波測(cè)距，發(fā)射超聲波脈沖，根據(jù)接受回波的時(shí)間來測(cè)量車后障礙與探測(cè)器的距離，使用一發(fā)多收的方式探測(cè)較大范圍，方向角約45-90度，有效距離約為0.7-5m。

激光脈沖時(shí)差測(cè)距電路，原理基本與汽車倒車測(cè)距電路相同，使用的是半導(dǎo)體激光發(fā)射器，采用望遠(yuǎn)鏡光敏檢測(cè)結(jié)構(gòu)，測(cè)量距離大約在10km，誤差大約10m，主要用于武器火控測(cè)距。

激光相位測(cè)距電路采用達(dá)到ns數(shù)量級(jí)的高速光電檢測(cè)器、高速處理器，對(duì)發(fā)射光進(jìn)行調(diào)制，然后根據(jù)反射光與發(fā)射光的相位干涉關(guān)系測(cè)量距離，可以達(dá)到100m的探測(cè)距離，誤差也可以控制在mm數(shù)量級(jí)，主要用于精密野外測(cè)繪。

攝像頭圖像分析測(cè)距采用CCD面陣感光，通過驅(qū)動(dòng)馬達(dá)調(diào)整鏡頭焦距讓待測(cè)目標(biāo)成像清晰，根據(jù)焦距和像鏡距離可以計(jì)算出物鏡距離。主要用于數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦。

以上各種測(cè)距方式都是從各自實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合出發(fā)，針對(duì)性強(qiáng)。對(duì)于本文所研究的小車避障系統(tǒng)而言，智能車車長(zhǎng)為10cm，因此檢測(cè)距離在0～10cm范圍，而超聲波測(cè)距不僅電路復(fù)雜且用通常的測(cè)量方法檢測(cè)距離范圍在20～300cm，在較近距離上有盲區(qū)。激光時(shí)差測(cè)距電路探測(cè)距離太遠(yuǎn)、誤差大、笨重而顯得不實(shí)際。激光相位測(cè)距電路精度高速度快，但是體積和功耗以及價(jià)格都不合適。攝像頭圖像分析測(cè)距則需要機(jī)械驅(qū)動(dòng)，且需要配合高速計(jì)算芯片如DSP，在本系統(tǒng)中使用導(dǎo)致其檢測(cè)速度必然緩慢，因此不適用于本文研制的智能車跟馳控制系統(tǒng)。

考慮到紅外反射式光電傳感器反應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導(dǎo)體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以本文認(rèn)為使用紅外反射式光電傳感器來檢測(cè)車距比較合理。

4 總結(jié)

車輛的跟馳系統(tǒng)是智能車輛控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。本章針對(duì)智能車輛跟馳系統(tǒng)展開研究，分析車輛跟馳行為狀態(tài)，再對(duì)車距檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比。希望本文的研究能給車輛跟馳系統(tǒng)的后續(xù)研發(fā)提供一些幫助。

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