基于智能交通系统的汽车行驶主动安全技术修改版.docx

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基于智能交通系统的汽车行驶主动安全技术修改版

第一篇：

基于智能交通系统的汽车行驶主动安全技术

基于智能交通系统的汽车行驶主动安全技术

摘要：

汽车行驶主动安全技术是智能交通系统的重要研究内容之一。

本文针对智能交通系统环境下车辆行驶主动安全所涉及的主要内容，研究了车辆运动中对周围障碍物的感知技术和方法、车辆行驶危险或安全状态的动态辨识方法、汽车主动避撞控制及执行技术等关键技术问题，并开发了相关系统。

文中通过仿真及实验结果验证了各相关技术的正确性及合理性。

关键词：

智能交通系统汽车主动安全汽车主动避撞

利用信息感知、动态辨识、控制等技术与方法于一体提高汽车的主动安全性，是ITS的主要研究内容之一。

世界各大汽车公司在政府的支持下，都在开展这方面的研究开发工作，例如：

日本由各大汽车公司及大学等研究机构参与的先进安全汽车（ASV）项目，通过概念设计、单元技术实用化及系统综合技术研究开发、试验车制作、实车试验的实施等步骤，已取得实用化成果[1][2]。

美国交通部（DOT）主导的ITS中的AHS（AutomatedHighwaySystems）开发项目结束后，于1998年开始了以主动避撞系统CAS（CollisionAvoidanceSystem）为中心的初级智能汽车IVI（IntelligentVehicleInitiative）项目,并取得阶段成果[3][4]。

国内对智能交通环境下汽车行驶主动安全技术的研究起步较晚，只对其中涉及的局部技术进行了一些尝试性的探讨[5][6]。

本文针对智能交通系统环境下车辆行驶主动安全技术所涉及的关键内容进行了研究。

研究了车辆运动中对周围障碍物的感知技术和方法，解决了探测雷达信号处理中的干扰和实时性问题；研究了车辆危险或安全状态的动态辨识方法，提出了基于驾驶员感觉的安全距离确定方法；研究了汽车主动避撞控制技术及控制执行技术，针对车辆纵向控制系统中存在的问题，设计了控制算法及控制执行器系统。

通过对各关键单元技术的研究，系统解决了智能交通系统环境下车辆行驶主动安全的关键技术问题。

通过相应的仿真及实车实验结果，对各关键技术的研究成果进行了验证。

1基于智能交通系统的汽车行驶主动安全系统

基于智能交通系统的汽车行驶主动安全系统指利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶人员的感知能力，将感知技术获取的外界信息（如车速、其它障碍物距离）传递给驾驶人员，同时在路况与车况的综合信息中辨识是否构成安全隐患；在紧急情况下，能自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶，也就是通常所说的汽车主动避撞系统。

国内外对车辆行驶主动安全技术的研究主要集中于车辆行车信息感知及行车安全状态辨识技术、车辆主动避撞系统控制技术及车辆控制执行技术等方面。

系统中所涉及到的关键技术及相互关系如图1所示。

图1汽车主动避撞系统关键技术

2汽车行驶主动安全关键技术研究

2.1车辆行车信息感知及安全状态动态辨识技术

车辆行车信息感知及安全状态动态辨识技术，就是利用安装于汽车上的各种传感器，实时的对车辆运行参数进行检测，并通过必要的信号处理及信息融合获得车辆的行车安全状态的动态信息。

测距雷达信号处理技术和行车安全距离动态算法是其中最关键的技术。

2.1.1测距雷达信号处理技术

经测距雷达传来的目标物距离信号含有随机误差，必须要对原始数据进行处理，才可以在系统计算中应用。

另外测距雷达传来的只是车辆间的距离信息，必须从这些距离信息中比较准确的提取出车辆间的相对速度以及相对加速度信息。

过去采用的办法是直接对距离信号取微分，得相对速度值，再对相对速度值取微分得相对加速度值，这种方法经实践证实是不可行的。

问题主要有两点：

一是距离误差对相对速度以及相对加速度的影响较大，实际计算得到的相对速度及相对加速度值难以应用。

二是由于算法所限，系统实时性不好。

在控制工程中常用的Kalman滤波算法是一种实时滤波算法，并可以得到系统状态向量的平滑估计，本研究将Kalman滤波算法应用于汽车主动避撞系统的雷达信号处理，可以有效地弥补上述两点不足。

图2是对一次试验记录数据的滤波结果对比图。

首先，Kalman滤波由于是实时滤波，保证了系统处理的实时性。

其次，从相对距离对比图中可以非常直接的看出，经Kalman滤波处理后，由测量误差带来的距离值的突变得到了有效地抑制。

从相对速度对比图可以看出，采用对距离值直接微分的方法得到的相对速度值波动非常巨大，实际计算中根本无法使用，而用Kalman滤波方法得到的相对速度值则去掉了相对速度值的大的波动，反映了实际相对速度值的变化情况。

图2Kalman滤波结果对比图

2.1.2行车安全距离动态算法

传感器正确获取车辆行车信息之后，需要进行各种信号的融合，进行车辆危险或安全状态的实时辨识。

需要确定的是当前情况下的行车安全距离。

本研究提出了一种基于驾驶员模型的安全距离确定方法。

实际行车时，驾驶员总是要对车辆的运行进行一下预测，以决定当前的操作[7]，本系统所采用的驾驶员模型以此行为为基础。

驾驶员预测t秒后车间距离，将此车间距离与驾驶员认为的界限车间距离Xlim进行比较，如认为车间距离将小于Xlim，则在当前时刻制动，当前时刻的车间距离即为极限安全距离。

即

（1）

其中，Xsa为极限安全距离；ΔV为相对速度（Vc-Vt）；Vc为自车速度；Vt为目标车辆速度；at为目标车辆减速度；接近静止目标时：

（2）

（3）

接近运动目标时：

其中，thw表示驾驶员的主观车头时距；ac为驾驶员主观认为的自车最大制动减速度，其取值与路面附着系数有关；at、ΔV、Vc通过传感器测量或信号处理得到，t，ac以及thw通过实验获得。

这样，通过上述公式

（2）、（3）、（4）、（5）就可以进行安全距离的计算。

本模型的优点是通过实验手段，获得驾驶员主观特点数据，避免了由于路面附着系数不准确等因素带来的较大的安全距离计算误差。

2.2汽车主动避撞控制技术

纵向汽车主动避撞系统对车辆进行控制的目的是将自车到前车的距离保持在安全水平。

整个汽车主动避撞系统控制结构由上位控制器和下位控制器两部分构成，如图3所示。

要进行上位和下位控制的研究，建立车辆纵向动力学模型是基础，因此，车辆主动避撞控制技术包括车辆模型的建立、上位控制及下位控制策略的确定。

图3汽车主动避撞系统控制结构图

图4车辆纵向模型

2.2.1车辆纵向动力学模型

车辆控制方法的评价是基于系统仿真及实验的结果，作为仿真评价的基础，首先需要建立比较准确的车辆动力学模型。

本研究使用的实验车辆是某型自动变速器轿车，发动机排量1.8L。

汽车纵向动力学总成包括：

发动机、液力耦合器、自动变速器及车辆驱动系。

各总成的特性参数及相互间的动力传递如图4所示。

针对车辆纵向动力学各单元总成的特性，运用混合建模技术，得到整车纵向动力学仿真模型。

基于Matlab/Simulink软件平台的车辆模型如图5所示。

此模型的输入量有两个：

节气门位置和制动压力，输出量是车辆速度和加速度。

图5车辆仿真模型

为验证车辆纵向动力学模型的准确性，设计实车实验对车辆模型进行了验证，实验条件如表1所示。

表1车辆模型验证实验条件表

分别记录各实验的节气门输入信号、制动压力输入信号、车辆的速度及加速度输出信号，按相同条件，进行车辆的模型仿真实验，记录仿真模型的速度及加速度输出，并将实验及仿真结果进行对比，得到对比图如图6所示。

图6实车实验结果与仿真结果对比图

2.2.2上位控制方法研究

目前，国内外对上位控制器的设计已经做了很多工作[8][9]，PID方法、LQ理论，滑模理论以及模糊理论都被应用于上位控制器的设计，但基于以上方法的上位控制器基本以提高系统某一性能为目标，未能使控制精度和响应时间两方面都得到改善。

本研究提出了基于混合策略的上位控制器设计方法，理论分析和仿真试验结果表明，该方法满足主动避撞系统对安全性和驾驶舒适性两方面要求的同时，降低了系统的响应时间。

所谓基于混合策略的上位控制器是指结合了LQ方法和基于时间－能量最优控制方法优点的控制器。

控制规律如图7所示。

基于LQ方法的上位控制器取状态误差和控制量的二次型作为性能指标，所以该控制器的稳态误差小，控制过程中加速度也相对较小，但是由于性能指标没有直接体现系统的响应时间，所以系统响应相对较慢。

基于时间－能量最优的上位控制器以响应时间和控制量的大小作为性能指标，较基于LQ方法的上位控制器响应速度有所提高，但是该控制器不能稳定在原点。

基于混合策略的上位控制器将LQ控制稳态误差小和基于时间－能量最优控制响应速度快的特点结合，获得了较好的控制效果。

图7基于混合策略的上位控制规律

针对汽车主动避撞对象的LQ控制方法、基于时间－能量最优的控制方法以及基于混合策略的控制方法的仿真结果如图8所示。

从仿真结果可见，基于混合方法的上位控制器针对汽车主动避撞系统的特点，巧妙地结合了上述两种控制器的优点，即在保证良好的稳态精度的同时，改善了系统的响应速度。

虽然该控制器的控制量相对较大，但仍然在舒适性的要求范围内。

a）车间距离响应曲线b）被控车速响应曲线c）被控车加速度响应曲线

图8三种控制器的仿真曲线

2.2.3下位控制方法研究

由于车辆制动、驱动力特性中含有强烈的非线性，同时车辆质量变动、道路坡度及风阻等外部干扰因素的存在，车辆下位控制器设计时控制系统的鲁棒跟随性和鲁棒稳定性往往不能得到兼顾[10]。

针对这一问题，本研究设计了基于模型匹配方法的二自由度控制器来实现车辆主动避撞系统下位控制的控制性能。

控制器结构如图9所示。

此处的二自由度控制器是指参考输入信号和控制对象的输出信号情报分别独立使用，就是既有反馈又有前馈的控制器。

此控制器的特征是闭环目标值应答特性可以通过反馈特性的设计来独立设定。

在这种情况下，利用前馈补偿器设定目标值的应答特性即模型匹配特性，利用反馈补偿器的设计实现反馈特性即系统的鲁棒跟随特性和鲁棒稳定特性。

图9二自由度模型匹配控制器

针对汽车主动避撞系统下位控制模型匹配控制器性能，进行了如表2所示内容的实车实验。

实验结果如图10所示。

从实验对比结果可见，对于车辆及环境中存在的不确定因素对控制结果的干扰，模型匹配（MMC）控制器能在一定范围内予以消除，使系统具有很好的鲁棒跟随性及鲁棒稳定性。

表2下位控制器性能验证实验条件表

a）实验1结果对比图b）实验2结果对比图

图10下位控制器控制效果对比图

2.3车辆控制执行技术

汽车主动避撞系统所用执行器有两个：

节气门伺服执行器和制动作动器。

对于节气门伺服执行器，采用脉宽调制（PWM）控制的直流电机来实现。

对于制动作动器由于制动系统的好坏直接关系到驾驶员的生命安全，所以要求自动制动系统响应要快，可靠性要高；由于目前汽车内可用空间较好，所以要求自动制动系统体积尽量小；为能够直接、迅速、广泛地在国内轿车上得到应用，要求自动制动系统对原车的改动要尽量小。

在汽车行驶过程中，仍然以人为主，只当汽车间距小于安全距离而人又没有采取措施时自动制动系统才会起作用。

在自动制动作用过程中，只要人一踩制动或加速踏板，则控制权便交给驾驶员，自动制动系统不起作用。

所以在自动制动系统和原制动系统之间应当有电控切换装置。

本研究设计的自动制动系统采用液压系统，原理图如图11所示。

本系统输出压力的控制采用高速开关阀结合脉宽调制（PWM）

控制来实现。

图11液压自动制动系统原理图

3结束语

使汽车具有主动安全性，集信息感知、动态辨识、控制等技术与方法于一体是ITS的主要研究内容之一。

世界各大汽车公司，都在开展这方面的研发，目前日本、欧美汽车企业在汽车主动避撞技术方面已取得实用化成果。

这些技术虽然其理论研究成果可以借鉴，但涉及具体技术属于公司保密范围，国内企业难以得到具体技术资料，且中国的道路及驾驶习惯与国外不同，不能直接引进使用国外技术。

本研究在车辆运动中对周围障碍物的感知技术和方法、车辆行驶危险或安全状态的动态辨识方法、汽车主动避撞控制及执行技术等关键技术问题的研究方面取得了一定的突破和创新，为解决智能交通系统研究开发过程中的汽车行驶安全问题，提供了理论及技术支撑。

参考文献

1水越雅司．自動運転の現状と将来．日本自動車技術,1999,Vol.53

（1）:

27-32

2安間徹，罔林繁，村本逸朗等．大型トラツクの追突警报装置．自動车技術会学术演讲会前刷集881，昭和63－5:

105-108

3MasayoshiTomizuka．AdvancedVehicleControlSystem（AVCS）researchforautomatedhighwaysystemsinCaliforniaPATH.1994vehiclenavigation&informationsystemsconferenceproceedings,1994：

41～45

4RichardBishop．Intelligentvehicleapplicationworldwide．IEEEintelligentsystems,January/February2000：

78～815屠大维．用于车辆防撞控制的行车环境传感研究．中国机械工程第10卷第6期，1999年6月：

701～7036李晓霞，李百川，侯德藻等．汽车追尾碰撞预警系统研究．中国公路学报第14卷第3期，2001年7月:

93～95

7橋本佳幸，里中久志，重松崇．衝突回避シスたムの開発．自動车技術会学術講演会前刷集943，1994年5月：

57～60

8ShinjiroEndo,HiroshiUkawa,KazushiSanada,etc．Astudyonspeedcontrollawforautomateddrivingofheavy-dutyvehiclesconsideringaccelerationcharacteristics．JSAEReview20,1999:

331～336

9MatsumuraS,OmatuS,HigasaH．ImprovementofspeedcontrolperformanceusingPIDtypeneurocontrollerinanelectricvehiclesystem．IEEEWorldCongressonComputationalIntelligence,1994

10大前学．プラトウーン走行の高度化を実現するための制御システムに関する研究.日本东京大学:

1999年12月

11孙增圻．计算机控制理论及应用．北京：

清华大学出版社，1989（end）

第二篇：

GPS智能定位系统汽车行驶的好伙伴

GPS智能定位系统汽车行驶的好伙伴

汽车要求拥有GPS智能定位管理系统，那么，汽车GPS智能定位管理系统到底有哪些效能，汽车GPS智能定位管理系统在租车中又将发挥怎样的一个效用呢，武汉德晟祥作为资深GPS智能定位管理系统的运营商，让它来为你解答一些疑问。

通过安装GPS智能定位管理系统，比如武汉德晟祥GPS智能定位管理系统，可以实现汽车的防盗问题，一直以来，汽车的防盗问题十分困扰着我们，而使用武汉德晟祥GPS智能定位管理系统以后，汽车犹如长了一双眼睛，可以看到车辆的具体状态和信息，可以知晓车辆的所有信息。

同样，当车主发现车辆失踪时，也可以马上联系监控中心，同时报警，马上通过定位信息知道车辆的状态，进行追踪，从而找到爱车并惩罚违规操作者。

既然通过GPS智能定位管理系统可以实现一直难以解决的问题－“防盗”，那么也可以用于相似原理用于一些特定行业中，比如租赁行业，解决一直以来汽车“跑路”的问题，在许多家汽车租赁公司中，租客“跑路”的现象不在少数，一家汽车租赁公司老板提醒道：

“到了年底，很多人都要借债还账，那种租车做抵押贷款的事就越发多。

”这极大的阴碍了行业的发展，而使用上述武汉德晟祥GPS智能定位管理系统防盗原理则在这儿也将发挥重要作用。

外租车辆安装了GPS智能定位管理系统，在车辆出租期间，公司会对车辆行踪保持监测；这样一来，但凡出现了什么问题，马上可以派人过去把车看住。

而且对于武汉德晟祥GPS智能定位管理系统，车载终端是不能轻易拆卸的，一旦非法拆卸，系统中心马上就会报警，并且终端中还有备用电池，既可以知道车辆的具体位置信息以及进行断油断电操作。

通过这个原理，可以让车辆杜绝“跑路”现象。

从此看来，武汉德晟祥GPS智能定位管理系统将是汽车行驶过程的好伙伴。

第三篇：

智能交通系统（ITS）与现代汽车技术

智能交通系统（ITS）与现代汽车技术

李克强连小珉侯德藻高锋（清华大学汽车工程系）

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1智能交通系统概述

1.1智能交通系统的概念

ITS是智能交通系统的英文缩写（IntelligentTransportationSystems,ITS），作为一个新概念的提出,始于二十世纪八十年代中期美国加州的PATH（ProgramonAdvancedTechnologyfortheHighway）及欧洲的PROMETHEUS（ProgramforaEuropeanTrafficwithHighest

EfficiencyandUnprecedentedSafety）项目。

在此之后，不仅欧美日等发达国家将其作为大型国家项目在推进，也得到世界其他许多国家的重视。

智能交通系统可以定义为：

利用现代计算机、信息、通信、控制技术把车辆、道路、使用者紧密结合起来，以解决汽车交通事故、堵塞、环境污染及能源消耗等问题为目的的基于智能化、信息化的汽车交通系统。

ITS功能可分为安全、畅通、环保三大部分，如图1所示。

图1ITS功能图

1.2智能交通系统的基本构成

智能交通系统是一个涉及众多领域的复杂工程应用系统，主要由以下应用系统组成：

⑴．先进的交通管理系统ATMS（AdvancedTrafficManagementSystems）

通过旅行时间测定、突发事件检测等实时处理来把握交通状况，进行先进的交通管理。

该系统有一部分与ATIS共用信息采集、处理和传输系统，但是ATMS主要是给交通管理者使用，它将对道路系统中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时的监测，根据收集到的信息，

对交通进行控制，如：

信号灯、发布诱导信息、道路管制、事故处理与救援等。

在进行交通的管理时，通过车载机及信息提供装置实施对驾驶员的路线引导。

为防止由交通事故引发的二次损失，在尽早发现交通事故、实施相应的交通管制的同时，通过车载机或其他信息提供装置将交通管

制信息提供给驾驶员。

ATMS的代表系统是：

交通信号控制、电子收费系统（ETC）等。

⑵．先进的交通信息服务系统ATIS（AdvancedTravellerInformationSystems）

先进的交通信息服务系统是建立在完善的信息网络基础上的。

交通参与者通过装备在道路上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备，可以向交通信息中心提供各处的交通信息；该系统得到这些信息并通过处理后，实时地向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息；出行者根据这些信息确定自己的出行方式、选择路线。

更进一步，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可以帮助驾驶员自动选择行驶路线。

随着信息网络技术的发展，科学家们已经提出将ATIS建立在

因特网上，并采用多媒体技术。

这将使ATIS的服务功能大大加强，汽车将成为移动的信息中心和办公室。

ATIS的代表系统是：

行驶线路诱导系统、自动导航系统。

⑶．先进的车辆控制与安全系统AVCSS（AdvancedVehicleControlandSafetySystems）

AVCSS是ITS在车辆工程中的具体应用平台，该系统是用于帮助驾驶员正确驾车，防止碰撞系统是其核心。

AVCSS可以分为两个层次：

第一层次可称为车辆安全辅助驾驶系统，该系统有以下几个部分：

车载传感器（微波雷达、激光雷达、摄象机、其他形式的传感器等）、车载计算机和控

制执行机构等，行使中的车辆通过车载的传感器测定出与前车、周围车辆以及与道路设施的距离和其他情况，车载计算机进行处理，对驾驶员提出警告，在紧急情况下，强制车辆制动。

第二层次是车辆自动驾驶系统，装备了这种系统的汽车也称为智能汽车，它在行使中可以做到自动导向

、自动检测和回避障碍物，在智能公路上，能够在较高的速度下自动保持与前车的距离。

智能汽车只有在智能公路上使用才能发挥出全部功能，如果在普通公路上使用，它仅仅是一辆装备了辅助安全驾驶系统的汽车。

；

⑷．商用车运行管理系统（CVO:

CommercialVehicleOperations）

它主要是提高载货车运行效率的系统，主要功能包括掌握现在位置、货物信息的传递管理以及车辆重量的自动测定等。

⑸．先进公共交通系统（APTS:

AdvancedPublicTransportationSystems）

它将公共汽车、火车、HOV（高效运载车辆）等公共交通运输工具相互联系起来，以提高整个运输体系的效率。

⑹．先进地方交通系统（ARTS:

AdvancedRuralTransportationSystems）

它具有郊区的突发事件检测、肇事车辆位置检测、SOS系统等功能。

2．智能交通系统与智能汽车技术2．1ITS与智能汽车、汽车主动安全性等的相互关系

由前面的介绍可以知道,智能交通系统与智能汽车技术有着密切的关系,而智能汽车技术现阶段的主要任务是提高汽车行驶安全性。

为将事故防患于未然，通过车辆及道路的各种传感器掌握道路、周围车辆的状况等驾驶环境信息，通过车载机、道路信息提供装置等实时地提供给驾驶员，并进行危险警告，最终实现自动驾驶。

基于ITS的汽车主动安全性：

主要指AVCSS中的汽车辅助安全驾驶系统具有的特性。

即利用现代信息技术，传感技术来扩展驾驶人员的感知能力，同时自动从路况、车况及驾驶员的综合信息中判断是否构成安全隐患并给与提示，在紧急情况下，能自动采取措施控制汽车，使汽车能主动

避开危险，保证车辆安全行驶。

传统意义上的汽车主动安全性：

通过提高汽车制动性、操纵稳定性、舒适性及提高灯光、视野等方面，保证车辆安全行驶的性能。

两者的差别在于前者采用了通过现代计算机、信息、通信、控制技术把车辆、道路、使用者紧密结合起来的智能交通系统的思想。

汽车主动避撞系统是利用现代计算机、信息、通信、控制技术，在紧急情况下，能自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶的系统。

有关ITS、AVCSS、智能汽车、汽车自动驾驶、汽车辅助安全驾驶系统、汽车主动安全性、汽车主动避撞等相互关系是范围逐层缩小并特定。

2．2ITS中汽车自动驾驶系统的研发历程

国外汽车企业及研究机构已投入了巨大的人力物力对ITS中与车辆工程密切相关的汽车辅助安全驾驶系统进行研究和开发，汽车辅助安全驾驶系统的重要作用可以由Diamler-Benz公司及美国交通部AHS项目的结论表述。

Diamler-Benz公司通过大量的实验及分析提出:

（1）只要在事故前2秒钟采取措施，几乎所有的交通事故都能避免。

（2）现阶段，汽车的安全性还主要取决于驾驶人员的操纵。

因驾驶员失误（判断失误、决策失误及操纵失误等）引