CN104085305A - 车辆辅助驾驶主动限速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种车辆辅助驾驶主动限速控制系统属于道路运输车辆的主动安全控制系统，包括主控制器，陀螺仪传感器，位移传感器和车速传感器，所述陀螺仪传感器、位移传感器和车速传感器的电信号连接在主控制器的输入端；还包括步进电机、凸轮和与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵，所述凸轮连接在步进电机的输出轴上，该凸轮与辅助制动泵的制动推杆滑动连接，所述步进电机由主控制器脉冲信号控制；本发明用于道路运输车辆上，其有益之处在于，本发明的限速系统能够依靠本地对车辆在不同路况运行姿态进行实时监控，并能实现车辆的主动限速控制与安全预警。

Description

车辆辅助驾驶主动限速控制系统

技术领域

本发明涉及道路运输车辆的安全控制系统，具体涉及车辆辅助驾驶主动限速控制系统。

背景技术

随着改革开放的快速发展，车辆的普及程度也在增加，但同时交通事故频发，其中，由于车辆超速行驶引发的交通事故占事故总数的41.5％，车辆超速行驶依然是造成重大交通事故的头号杀手。

目前，国内外有关车辆限速的研究大都集中在被动限速策略上，如通过道路限速标志、GPS导航提醒驾驶员注意超速驾驶等。为了有效控制和预防道路运输车辆超速行驶，国家相关管理部门、运输企业均采取了一定措施，比如在道路上设定路段限速标志、运输企业在运营车辆上装备GPS定位超速报警器等，但是由于驾驶员的不作为、限速标志的不科学，或由于卫星信号覆盖不全面、定位不准确等原因使得GPS定位检测的路况信息不能随时准确的给予反馈等多方面的影响，导致车辆限速效果并不太明显。

车辆在路上超速，不管驾驶员是否是主观故意都是一种很危险的车辆行驶状态，特别是在山区复杂道路，驾驶员有些情况下没有充足的时间进行定量或定性地认知、分析和决策，不能对行车安全作出准确的判断和及时正确的操作。如果能够在人、车、路的综合信息中辨识是否存在行车安全隐患，研究一种能够主动、有效地对车辆在直线(平直线)、弯道(平曲线)、长大下坡、坡弯路段等各种路况下行车进行安全状态主动识别和主动限速的车辆辅助驾驶主动限速控制系统是非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能通过本地系统实时识别车辆行驶安全状态，并能进行主动限速和安全预警的限速控制系统。

为了实现上述目的，本申请提出的技术方案是：车辆辅助驾驶主动限速控制系统，其特征在于：包括主控制器，采集单元和执行机构；所述采集单元包括采集车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角的陀螺仪传感器，采集制动踏板位置信号的位移传感器和采集车速信号的车速传感器，所述陀螺仪传感器安装在底盘上位于车辆的重心处，所述车速传感器安装在车辆变速器的输出轴上，所述陀螺仪传感器、位移传感器和车速传感器的电信号连接在主控制器的输入端，所述执行机构连接在主控制器的信号输出端；所述执行机构包括步进电机、凸轮和与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵，所述凸轮连接在步进电机的输出轴上，该凸轮外圈与辅助制动泵的制动推杆相抵接触；主控器内设置有限速控制模型，所述控制模型包括平直路段控制模型、平路弯道路段控制模型、直下坡路段控制模型和弯坡路段控制模型；主控制器判断路况的方法为：陀螺仪传感器采集的侧向加速度小于弯坡路段控制模型启动阈值和车辆俯仰角也小于直下坡路段控制模型阈值，主控制器判断此时车辆处于平直路段；陀螺仪传感器采集的侧向加速度大于弯坡路段控制模型启动阈值，车辆俯仰角小于直下坡路段控制模型阈值时，主控制器判断此时车辆处于平路弯道路段；陀螺仪传感器采集的侧向加速度小于弯坡路段控制模型启动阈值，车辆俯仰角大于直下坡路段控制模型阈值时，主控制器判断此时车辆处于直下坡路段；陀螺仪传感器采集的侧向加速度大于弯坡路段控制模型启动阈值，车辆俯仰角大于直下坡路段控制模型阈值时，主控制器判断此时车辆处于弯坡路段；所述平直线路段控制模型内设置有平直路段目标容许速度，主控制器根据平直路段目标容许速度与实际车速之间的差值确定减速度，将减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号；通过陀螺仪传感器测得侧向加速度，得到车辆的转弯半径，所述平路弯道路段控制模型内设置有转弯半径对应的平路弯道路段目标容许速度，主控制器根据平路弯道路段目标容许速度与实际车速之间的差值来确定车辆的减速度，主控制器通过减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号；通过陀螺仪传感器测得俯仰角信号，得到对应坡度大小，主控制器根据坡度大小确定坡长，由坡长来确定需要减速的安全距离，所述直下坡路段控制模型内设置有安全距离对应的直下坡路段目标容许速度，主控制器根据直下坡路段目标容许速度与实际车速之间的差值来确定车辆的减速度，主控制器通过减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号；通过陀螺仪传感器测得俯仰角信号和侧向加速度信号，分别进入平路弯道路段控制模型和直下坡路段控制模型内计算，将两个控制模型中较小的目标容许值作为下坡弯道路段目标容许值，主控制器根据下坡弯道路段目标容许速度与实际车速之间的差值来确定车辆的减速度，再由减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号。

本发明的优点在于：利用陀螺仪等传感器和车辆自身的传感系统对车辆行驶状态进行检测，并且利用本地控制器建立不同路况下的车辆目标容许车速的控制模型，通过凸轮机构驱动与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵工作执行主动限速，整套设备便于安装、对车辆其它系统的影响较小。整个限速系统在不依赖GPS导航系统的情况下，能够实时识别车辆在不同路况的行驶安全状态，在驾驶员未采取制动操作的情况下，实现对车辆的主动限速控制，能有效避免GPS超速报警后驾驶员未采取操作、卫星信号覆盖不全、定位不准等限速方案的缺点，为驾驶员提供了有效的驾驶辅助。

所述车速一是通过安装在车辆变速器输出轴上的车速传感器采集，然后按一定减速比和车轮半径转换得到车速，车速传感器通常使用磁电传感器。二是直接通过can总线采集车辆里程表的车速信号。

所述凸轮上设置有霍尔传感器，霍尔传感器的信号端和主控制器电信号连接，其目的是用于确定凸轮转角零点位置。

所述主控制器的输出端还设置有报警器、操作键盘和显示器；当车辆需要限速前，先进行语音报警，显示器显示当前车辆的行驶安全状态，使得驾驶者能够对车况有直观的掌握。

所述主控制器的输入端还连接有用于测量ABS系统是否工作的ABS传感器。一般车辆都会有测量ABS系统的传感器，本系统可以直接利用该传感器进行信号的采集。

附图说明

图1：为本实施例的车辆辅助驾驶主动限速控制系统原理框图；

图2：为本实施例的车辆辅助驾驶主动限速控制系统的控制流程图；

图3：为本实施例的车辆辅助驾驶主动限速控制系统的执行机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

车辆行车安全状态的判断会考虑车辆侧向加速度、转弯半径、坡长、坡度、气候、道路温度、车辆载重量、车辆结构参数；由于气候、温度、载重量对系统影响较小，主要考虑道路的坡度、坡长、轨迹曲率半径以及侧向加速度的影响。

如图1所示为本发明实现的原理图，车辆辅助驾驶主动限速控制系统，包括主控制器，采集单元和执行机构，所述采集单元包括采集车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角的MEMS陀螺仪传感器、采集制动踏板位置信号的位移传感器和采集车速信号的车速传感器，MEMS陀螺仪传感器安装在车辆底盘的重心处，位移传感器安装在制动踏板底部，车速传感器安装在车辆变速器的输出轴上，陀螺仪传感器、位移传感器和车速传感器电信号连接在主控制器的输入端。所述主控制器根据采集的信号识别车辆运行姿态和道路状况，并根据相应的控制策略，输出适当的脉冲信号驱动执行机构工作。所述执行机构包括步进电机、凸轮和与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵，所述凸轮连接在步进电机的输出轴上，该凸轮与辅助制动泵的制动推杆滑动连接，驱动制动总泵工作对车辆实施辅助制动，所述步进电机的驱动器由主控制器输出端输出脉冲信号控制。

信号采集单元包括，车速传感器采集车速信号，陀螺仪传感器采集车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角信号，ABS传感器检测ABS系统是否工作，制动踏板位移传感器检测驾驶员是否踩踏板。

主控制器首先判断驾驶员是否踩下踏板、ABS系统有没有工作。如果车辆一旦出现超速，而驾驶员未踩下踏板、ABS系统也没有工作情况下，主动控制速度系统开始工作，主控制器根据车速信号、车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角信号，识别车辆的运行姿态和道路状况，根据车辆的运行姿态和路况，通过模糊控制策略与算法输出适当的脉冲信号来驱动执行机构工作，实现限速。

如图2所示为本发明的控制逻辑图，首先进行初始车况检测，通过节气门传感器判断发动机是否启动，启动后给控制电路上电，进行初始速度的检测，即对车辆是否启动做一次判断。当车辆达到正常行驶速度后，各个传感器进行车辆行驶状态的检测，通过各个传感器检测到的车速信号、车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角信号等，分析车辆处于哪种行驶状态及道路状况，针对车辆处于不同行驶状态及路况，将现行速度与控制模型中预设的容许目标速度进行比对，一旦超速，主控制器根据超速值对应计算出步进电机的转动角度；与此同时，对驾驶员是否已经采取了制动措施进行判断，在没有采取制动措施的情况下，驱动步进电机工作，通过凸轮机构驱动与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵工作，实施辅助制动；当车辆速度减缓到低于容许目标速度设定值后，步进电机和凸轮机构回位，使得车速维持在安全行驶速度范围。

如图3所示的执行机构包括步进电机、凸轮和与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵，所述凸轮连接在步进电机的输出轴上，该凸轮与辅助制动泵的制动推杆滑动连接，所述步进电机的驱动器由主控制器控制，根据主控制器输出的脉冲信号驱动步进电机1，从而带动凸轮3转动，使得凸轮3推动辅助制动泵的制动推杆4，制动推杆4最大行程为9.15mm，但制动推杆4行程应小于总行程，保证制动安全。根据本文设计的制动减速度要求，结合驾驶经验，只需要推杆的最大行程为6mm，既取凸轮偏心距为3mm，这样能保证推杆达到最大行程时，车辆既不会刹死，又能提供满足制动要求的减速度值。

下面是分别对每种路况信号进行采集和怎么得到车辆行驶安全状态信息进行的说明：对于平直线道路、平曲线道路、长直下坡道路与弯坡组合道路四种工况，需要通过传感器采集的数据来判断，而判断这几种路况下的车辆行驶安全状态至少需要对车速信号、道路弯道信号和坡度信号进行采集。

对于车速信号：本实施例中直接通过can总线采集车辆里程表的车速信号。

对于道路弯道信号：通过车辆转弯信号近似得到，车辆转弯信号通过侧向加速度和车速信号计算得到。利用陀螺仪传感器测量侧向加速度的功能，配合车速信号得出车辆转弯半径，通过车辆转弯半径估算得到道路弯道信号。一般情况下，汽车最大侧向加速度也就在2g～3g左右，因此陀螺仪传感器测量侧向加速度的量程最大只需选取±5g。

对于坡度信号：道路坡度近似等于车辆运行方向与水平面的夹角，即车辆俯仰角。在车辆的重心处安装陀螺仪传感器，利用陀螺仪中测量倾角的功能对车辆俯仰角进行测量，即测到车辆所处道路的坡度。因为地形、气候、资金等多方面的影响，道路坡度可能比设计坡度大，但不会超过50°以上，因此陀螺仪传感器测量倾角的量程最大只需选取±50°。

主控制器中针对这四种不同路况设置有具体的车辆容许目标速度数据库，具体分为平直线道路、平曲线道路、下坡弯道路数据库，比如：当陀螺仪传感器测得的车辆俯仰角值和侧向加速度值小于设定值则说明车辆行驶在平直线道路上；此时进入平直线道路数据库进行对比，即根据当前车辆行驶速度与数据库中容许目标速度的差值，来判断采用不同的减速度。

车辆主动限速系统的控制目标是把车辆的速度控制在系统给出的限速值附近，根据实际情况，容许目标速度阈值取值范围可以选定为[30,125](单位为km/h)，限速阈值与实际车速的差值，这里选定为[-25,0]，超过的当-25km/h进行超速处理。

对于直道情况:只需要考虑车速对车辆的影响，判断当前车辆是否超速，超速则发出语音提示并给出步进电机的控制信号。根据实际驾驶经验，直道的减速度设定为[-1.5，0](单位：m/s²)。二级公路上车速从100km/h降到80km/h所用时间大约在6s～7s，车辆行驶的距离约在120m～160m，对于设计速度为80km/h的二级公路，减速度设定为[-1.5，0](单位：m/s²)也是合理的。

对于弯道情况：首先通过公式1：计算出轨迹曲率半径。式中R为轨迹曲率半径、ν_实为实际车速，α_实为测量的侧向加速度；实际车速通过上述的磁电传感器或can总线采集车辆里程表的车速得到，侧向加速度通过陀螺仪测量。再通过公式2：计算得到容许目标速度。式中V_目标为我们需要设置的容许目标速度，3.6为常系数，R为上述的轨迹曲率半径，α_ytol为允许的侧向加速度，表1为大客车容许侧向加速度和轨迹曲线半径的对应表。

表1：大客车容许侧向加速度a_y-R模型

从表1中可以看出轨迹曲率半径在系统中只考虑50～2000m范围，大于2000m系统自动认为是平直线路况。表1还体现对于轨迹曲率半径不同的道路，采用不同的容许侧向加速度。

弯道的减速度为[-2.5,0](单位：m/s²)；通过表1、公式1和公式2得出相应的容许目标速度V_目标，目标速度V_目标与实际速度ν_实的差值应该是[-25,0]范围中的具体值，具体值通过线性关系缩放，在对应在减速度范围内来确定对应的减速度值，通过主控制器输出相应脉冲，最终实现对凸轮转角的精确控制。

对于坡道情况：《公路工程技术标准》中规定的最大纵坡及临界坡长如表2和表3所示。标准同时规定:高速公路即使纵坡为2％，其坡长也不宜过长。二级以下公路当连续纵坡大于5％时，应在不大于表4所规定的坡长处设缓和坡段，缓和坡段的纵坡应不大于3％，其长度应符合纵坡最小坡长的规定。《公路线性设计规范》中对最小坡长限定如下表4所示。

表2、最大纵坡

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30	20
								最大纵坡(％)	3	4	5	6	7	8	9

表3、不同坡度的最大坡长

表4、最小坡长规定

设计速度(km/h)	120	100	80	60	40	30	20
								最小坡长(m)	300	250	200	150	120	100	60

由《公路工程技术标准》和《公路线性设计规范》中给出的坡长与坡度设计要求可得到，道路设计坡度一般小于10％，设计速度也小于120km/h。本系统通过陀螺仪传感器测量到得车辆俯仰角，即得到纵坡的坡度，参考路段限速标志能实时获得所行路段的设计速度，根据《公路工程技术标准》和《公路线性设计规范》即可得出坡长的范围值。

车辆在下坡时的制动安全距离由公式3：得到，式中L为参考坡长，通过公式4：式中l_长为车辆所处坡道对应的设计最大坡长，l_短为车辆所处坡道对应的设计最小坡长。根据公式3和公式4得出制动安全距离，再通过制动安全距离来设置对应的容许目标速度，下坡段减速度范围设定为[-3.5,0](单位：m/s²)，目标速度通过线性关系确定减速度值。根据不同坡度的减速度，对应得到步进电机的相应转角。

对于弯道下坡情况，本系统选取下坡和弯道中较小的容许目标速度作为限制速度。

系统中还加入了一个简单的OBD(车载自动诊断系统)功能，如果长时间没有接收到传感器数据则认为此传感器损坏。判断车辆当前状态是判断车辆该采用哪种控制策略的关键步骤，先判断车辆属于哪种路况(平直线、平曲线、长直下坡、下坡弯道)，然后监测车辆的速度，选择相应的控制策略。

本系统为了减少车载传感器数量，选用的陀螺仪传感器为基于MEMS技术的微机械陀螺仪传感器MPU6050，具有同时测量车辆三个方向加速度和三个方向倾角的功能，在本系统主要利用陀螺仪传感器测量车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角。传感器的六轴模块采用高精度的陀螺加速度计MPU6050，通过处理器读取MPU6050的测量数据然后通过串口输出，免去了用户自己去开发MPU6050复杂的I2C协议，同时精心的PCB布局和工艺保证了MPU6050收到外接的干扰最小，测量的精度最高。模块内部自带电压稳定电路，可以兼容3.3V/5V的嵌入式系统，连接方便。模块保留了MPU6050的I2C接口，以满足高级用户希望访问底层测量数据的需求。采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (5)

1.车辆辅助驾驶主动限速控制系统，其特征在于：包括主控制器，采集单元和执行机构；所述采集单元包括采集车辆侧向加速度、纵向加速度和车辆俯仰角的陀螺仪传感器，采集制动踏板位置信号的位移传感器和采集车速信号的车速传感器，所述陀螺仪传感器安装在底盘上位于车辆的重心处，所述车速传感器安装在车辆变速器的输出轴上，所述陀螺仪传感器、位移传感器和车速传感器的电信号连接在主控制器的输入端，所述执行机构连接在主控制器的信号输出端；所述执行机构包括步进电机、凸轮和与车辆自身制动总泵并联的辅助制动泵，所述凸轮连接在步进电机的输出轴上，该凸轮外圈与辅助制动泵的制动推杆相抵接触；

主控器内设置有限速控制模型，所述控制模型包括平直路段控制模型、平路弯道路段控制模型、直下坡路段控制模型和弯坡路段控制模型；

主控制器判断路况的方法为：

陀螺仪传感器采集的侧向加速度小于弯坡路段控制模型启动阈值和车辆俯仰角也小于直下坡路段控制模型阈值，主控制器判断此时车辆处于平直路段；

陀螺仪传感器采集的侧向加速度大于弯坡路段控制模型启动阈值，车辆俯仰角小于直下坡路段控制模型阈值时，主控制器判断此时车辆处于平路弯道路段；

陀螺仪传感器采集的侧向加速度小于弯坡路段控制模型启动阈值，车辆俯仰角大于直下坡路段控制模型阈值时，主控制器判断此时车辆处于直下坡路段；

陀螺仪传感器采集的侧向加速度大于弯坡路段控制模型启动阈值，车辆俯仰角大于直下坡路段控制模型阈值时，主控制器判断此时车辆处于弯坡路段；

所述平直线路段控制模型内设置有平直路段目标容许速度，主控制器根据平直路段目标容许速度与实际车速之间的差值确定减速度，将减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号；

通过陀螺仪传感器测得侧向加速度，得到车辆的转弯半径，所述平路弯道路段控制模型内设置有转弯半径对应的平路弯道路段目标容许速度，主控制器根据平路弯道路段目标容许速度与实际车速之间的差值来确定车辆的减速度，主控制器通过减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号；

通过陀螺仪传感器测得俯仰角信号，得到对应坡度大小，主控制器根据坡度大小确定坡长，由坡长来确定需要减速的安全距离，所述直下坡路段控制模型内设置有安全距离对应的直下坡路段目标容许速度，主控制器根据直下坡路段目标容许速度与实际车速之间的差值来确定车辆的减速度，主控制器通过减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号；

通过陀螺仪传感器测得俯仰角信号和侧向加速度信号，分别进入平路弯道路段控制模型和直下坡路段控制模型内计算，将两个控制模型中较小的目标容许值作为下坡弯道路段目标容许值，主控制器根据下坡弯道路段目标容许速度与实际车速之间的差值来确定车辆的减速度，再由减速度换算成驱动步进电机的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的车辆辅助驾驶主动限速控制系统，其特征在于：所述直路段的减速度范围是[-1.5，0]m/s²，平路弯道的减速度范围是[-2.5，0]m/s²，直下坡及弯坡路段的减速度范围是[-3.5，0]m/s²。

3.根据权利要求2所述的车辆辅助驾驶主动限速控制系统，其特征在于：所述凸轮上设置有确定凸轮转角零点位置的霍尔传感器，霍尔传感器的信号端与主控制器电信号连接。

4.根据权利要求3所述的车辆辅助驾驶主动限速控制系统，其特征在于：所述主控制器的输出端还设置有报警器和显示器。

5.根据权利要求4所述的车辆辅助驾驶主动限速控制系统，其特征在于：所述主控制器的输入端还连接有用于测量ABS系统是否工作的ABS传感器。