車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一、引言

　　隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，汽車(chē)正為越來(lái)越多的人所使用，而相應(yīng)的，交通事故也越來(lái)越多。全球每年由交通事故造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失的數(shù)目是驚人的，因此，車(chē)輛安全問(wèn)題已引起人們的高度重視。對(duì)大量交通事故的分析表明，80%以上的車(chē)禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及時(shí)引起的，超過(guò)65%的車(chē)輛相撞屬于追尾相撞，其余則屬于側(cè)面相撞和正面相撞。有關(guān)研究表明，若駕駛員能夠提早1 s 意識(shí)到有事故危險(xiǎn)并采取相應(yīng)的措施，則90%的追尾事故和60%的正面碰撞事故都可以避免。

　　現(xiàn)代的交通系統(tǒng)和未來(lái)將要出現(xiàn)的自動(dòng)車(chē)輛系統(tǒng)(AVS)均要求建立智能交通系統(tǒng)(ITS)，以便于對(duì)車(chē)輛進(jìn)行交通監(jiān)視和跟蹤以及多傳感信息融合。未來(lái)AVS異類(lèi)傳感器包括視頻傳感器、激光掃描儀和雷達(dá)傳感器等，融合的目的在于把目標(biāo)輸入到路徑規(guī)劃與制導(dǎo)系統(tǒng)中去。而基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)，就是根據(jù)多傳感器接收到的車(chē)輛前方目標(biāo)信息和本車(chē)的狀態(tài)信息，利用多源信息融合技術(shù)，識(shí)別出本車(chē)前方車(chē)輛的距離和速度等狀態(tài)信息，并進(jìn)行碰撞危險(xiǎn)估計(jì)的。舉例說(shuō)，若車(chē)間距接近臨界距離時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提請(qǐng)司機(jī)注意；
若車(chē)間距小于臨界安全距離時(shí),則啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，以避免碰撞的發(fā)生．

　　顯然，基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)是一種主動(dòng)式的防撞、防抱死的汽車(chē)安全系統(tǒng)，它使反應(yīng)時(shí)間、距離、速度三個(gè)方面都能得到優(yōu)化控制，可減少駕駛員的負(fù)擔(dān)和判斷錯(cuò)誤，對(duì)于提高交通安全性將起到重要作用，能有效地避免大部分汽車(chē)事故的發(fā)生。同時(shí)也為提高使用車(chē)速、增加道路通行能力、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化駕駛等奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　二、基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)的組成和功能

　　汽車(chē)防追尾碰撞控制系統(tǒng)是一種主動(dòng)安全系統(tǒng)。在正常行駛時(shí)，該系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)。當(dāng)本車(chē)的車(chē)頭非常接近于前車(chē)的車(chē)尾時(shí)，該系統(tǒng)將發(fā)出防追尾警告。在發(fā)出警告后，如果駕駛員沒(méi)有采取制動(dòng)減速措施，該系統(tǒng)便自動(dòng)啟動(dòng)緊急制動(dòng)裝置，以避免發(fā)生追尾事故。

　　汽車(chē)防追尾碰撞控制系統(tǒng)

　　具有三種功能：即環(huán)境監(jiān)測(cè)功能、防碰撞判斷功能和車(chē)輛控制功能。

　　1、 行車(chē)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　行車(chē)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)和車(chē)況探測(cè)系統(tǒng)組成。環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量車(chē)間距離和前面車(chē)輛方位的毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、CCD攝象機(jī)及能夠判斷路面狀況的道路傳感器所組成。車(chē)輛的周邊傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)防碰撞的關(guān)鍵技術(shù)。傳感器性能的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，只有提高傳感器的可靠性，才有可能減少系統(tǒng)的虛警率。從表1可知，微波傳感器（雷達(dá)）的性?xún)r(jià)比較高，因此一般選擇工作于毫米波的微波傳感器作為主傳感器，配置以圖像、路面?zhèn)鞲衅鞯茸鳛檩o助傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)前障礙物的檢測(cè)。毫米波雷達(dá)安裝在車(chē)輛前端的中央位置上，激光雷達(dá)安裝在毫米波雷達(dá)的兩側(cè)，它們的主要功能是測(cè)量本車(chē)與前車(chē)的距離和前面車(chē)輛的方位，并把所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒琅鲎才袛嘞到y(tǒng)；CCD攝象機(jī)獲得前方車(chē)輛和障礙物的圖像信息，道路傳感器得到路面的狀態(tài)信息，車(chē)況探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)本車(chē)的速度、加速度和其他狀態(tài)信息，所有信息都將被送往防碰撞判斷系統(tǒng)。

　　2、防碰撞判斷系統(tǒng)

　　防碰撞判斷系統(tǒng)由目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)和危險(xiǎn)估計(jì)系統(tǒng)組成。目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)將毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、CCD攝象機(jī)等傳感器的信息經(jīng)融合處理后，估計(jì)出本車(chē)前方距離最近的車(chē)輛或障礙物的距離和相對(duì)速度，并將此信號(hào)傳送給危險(xiǎn)估計(jì)系統(tǒng)。

　　危險(xiǎn)估計(jì)系統(tǒng)根據(jù)路面狀況（濕/干）、本車(chē)的狀況（如車(chē)速、轉(zhuǎn)向角及橫向擺動(dòng)速率）、距前車(chē)的距離和相對(duì)速度以及司機(jī)的反應(yīng)狀況計(jì)算出“臨界車(chē)間距離”，并將實(shí)際測(cè)量的車(chē)間距離與臨界車(chē)間距離進(jìn)行比較，在實(shí)際測(cè)量的車(chē)間距離非常接近臨界車(chē)間距離的某一時(shí)刻，報(bào)警器發(fā)出警告信號(hào)。當(dāng)實(shí)際測(cè)量的車(chē)間距離等于或小于臨界車(chē)間距離時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　3、有自動(dòng)制動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的車(chē)輛控制

　　國(guó)際公路委員會(huì)對(duì)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間做了調(diào)查，結(jié)論得出平均值為0.5～3s。若駕駛員的反應(yīng)時(shí)間是1.5s，那么在汽車(chē)的車(chē)速為40Km/h時(shí)，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)汽車(chē)的行駛的距離是16.7m；車(chē)速為80Km/h時(shí)，行駛的距離將達(dá)33.4m。自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)比駕駛員少的多，它的反應(yīng)距離只有0.5 m。

　　工作時(shí)，防碰撞判斷系統(tǒng)不斷地根據(jù)測(cè)出的兩車(chē)之間的距離、本身的車(chē)速、相對(duì)車(chē)速等有關(guān)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理求出安全距離，并與雷達(dá)測(cè)出的實(shí)際距離相比較。如實(shí)測(cè)距離小于安全距離時(shí)，就發(fā)出報(bào)警信息，如駕駛員仍未采取措施，且安全距離小于極限安全距離時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)汽車(chē)的常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)起作用，使汽車(chē)減速，當(dāng)距離超過(guò)極限距離時(shí)，制動(dòng)機(jī)構(gòu)又恢復(fù)正常。

三、毫米波雷達(dá)

　　目前最受關(guān)注的傳感手段是運(yùn)用毫米波進(jìn)行測(cè)量的雷達(dá)系統(tǒng)。毫米波是指工作頻率在 30～100GHz，波長(zhǎng)在1～10mm之間的電磁波。毫米波雷達(dá)（主要是9 4GHz）原來(lái)主要用于短程反裝甲武器系統(tǒng)，其功能就是精確測(cè)量目標(biāo)的距離和相對(duì)速度。毫米波雷達(dá)可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，而惡劣的氣候環(huán)境正是導(dǎo)致交通事故的主要原因之一。隨著GaAs高頻器件和單片微波集成電路 MMIC的出現(xiàn)和應(yīng)用，毫米波雷達(dá)的性能有了很大的提高，成本也有所下降，并且雷達(dá)的外型尺寸可以做得很小，便于在汽車(chē)上安裝。因此，毫米波雷達(dá)就成了汽車(chē)前視雷達(dá)的首選。為了在高速公路上及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方的交通堵塞，汽車(chē)用毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離必須在100m以上；為了覆蓋左右兩側(cè)的車(chē)道線，探測(cè)寬度必為 3.5m；為了不把道路上方的標(biāo)識(shí)和人行天橋也探測(cè)進(jìn)去，上、下方要有與道路的升降相對(duì)應(yīng)的3m左右的探測(cè)幅度。其主要指標(biāo)如下：

　?、偬炀€：尺寸要小、成本要低、性能要高，還要便于安裝和使用。
　?、诠ぷ黝l率：毫米波雷達(dá)的工作頻率與其性能和價(jià)格相關(guān)。一般而言，頻率提高，目標(biāo)的反射效果會(huì)更好，但信號(hào)的穿透力會(huì)減弱，測(cè)距范圍降低，器件成本增大。曾有工作于 24GHz，60GHz， 76～77GHz的雷達(dá)樣機(jī)和成品的報(bào)道，現(xiàn)由于76～77GHz毫米波雷達(dá)具有較好的性?xún)r(jià)比，國(guó)外目前多采用這一工作頻率。我國(guó)由于受到器件和成本方面因素的影響，目前傾向于采用35GHz的工作頻率。
　?、垡暯牵阂暯蔷褪翘炀€波束的掃描范圍，包括方位角和高低角。為降低虛警率，一般選擇方位角為9oC～12oC ，甚至更大。高低角則取3oC 左右。
　?、茏饔镁嚯x：100m～150m即可。如美國(guó)規(guī)定為1～100m，歐洲規(guī)定為1～150m，測(cè)距范圍的確定以保證車(chē)制動(dòng)時(shí)兩車(chē)不會(huì)發(fā)生追尾碰撞為原則。
　　⑤測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍：雷達(dá)必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，以保證對(duì)大小目標(biāo)都能識(shí)別。
　　⑥分辨率：徑向距離分辨率達(dá)到1m即可。