CN112622902A - 一种基于线控制动的自适应巡航控制系统 - Google Patents

一种基于线控制动的自适应巡航控制系统 Download PDF

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Abstract

一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，由数据采集模块、自适应巡航模式切换模块、执行单元、行车ECU组成，数据采集模块、自适应巡航模式切换模块、执行单元均通过CAN总线连接行车ECU；行车ECU接受数据采集模块的信号，并传输给自适应巡航模式切换模块，自适应巡航模式切换模块进行安全距离的计算，以此切换至合适的控制模式并通过行车ECU以及执行单元对自车进行自适应巡航。本系统实现智能驾驶时的自适应巡航，自行设计的模式切换方法解决智能驾驶车辆在自适应巡航的过程中频繁的控制模式切换，以及出现的控制的不连贯问题，以兼顾舒适性和经济性，同时设计行车安全距离控制方法来提高雨天、夜晚等不同外界环境的适应性，防止恶劣天气下的突发情况。

Description

一种基于线控制动的自适应巡航控制系统
技术领域
本发明涉及车辆行驶安全领域，具体涉及一种基于线控制动的自适应巡航控制系统。
背景技术
随着全球能源短缺和环境污染问题的日益加重，在国家大力扶持新能源汽车的背景下，纯电动汽车有着巨大的发展潜力。汽车产业未来的发展主题是电动化、智能化、网联化以及共享化，这也被称为汽车行业的新四化趋势。汽车新四化不仅是人工智能、物联网、云计算、大数据等新技术的载体，同时也将推进新技术与传统汽车产业的深度融合，重塑汽车产业的生态体系。
智能驾驶汽车行驶时需要安全可靠的自适应巡航控制系统(ACC)来保持汽车的纵向行驶，因此在智能汽车上设计一套自动的自适应巡航控制系统就尤为重要。自适应巡航控制系统使用毫米波雷达或摄像头二者独立或结合使用的方案，识别前方有效跟车目标，并感知所需信息，再根据相应的间距控制策略和控制算法，对前方跟车目标的加减速动作做出相应的实时警示和控制。
但自适应巡航控制系统依然存在很多不足。首先目前的自适应巡航控制系统还需要驾驶员介入，不能实现完全自主控制。同时跟车模式下的车辆经济性没有得到充分的考虑。除此之外，乘坐舒适性也是当前自适应巡航控制系统中不可忽视的重要部分，ACC在车辆行驶过程中可能会有频繁的控制模式切换；当不同模式切换时，可能会控制不连贯的问题。同时ACC车辆在道路行驶过程中，驱动系和制动系通过在合理时机进行相互之间的切换对车辆进行控制，而频繁或不及时的切换将会降低不仅会对经济性造成影响，还会降低执行机构的寿命，如果两者之间发生了干涉，甚至会造成震颤、剧烈摩擦等负面影响。并且现有的巡航系统并没有充分考虑到天气等外界因素对安全距离的影响，不同的环境适应性差等缺点。这些性能的好坏直接关乎到消费者是否可以接受自适应巡航控制系统，是决定ACC系统市场渗透率的重要因素。并且随着智能汽车的发展，自适应跟车巡航也是不可忽略的，未来的发展趋势必定是同其他高级驾驶辅助(ADAS)功能的融合。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于线控制动的自适应巡航系统，目的是摆脱驾驶员操纵，由控制器规划层发出的制动需求而自主完成自动减速，以实现智能驾驶时的自适应巡航。其中模式切换方法自行设计，以解决智能驾驶车辆在自适应巡航的过程中频繁的控制模式切换，以及出现的控制的不连贯问题，以兼顾舒适性和经济性，以及自行设计行车安全距离控制方法来提高雨天、夜晚等不同外界环境的适应性，防止恶劣天气下的突发情况。
一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，由数据采集模块、自适应巡航模式切换模块、执行单元、行车ECU四个模块组成，数据采集模块、自适应巡航模式切换模块、执行单元均通过CAN总线连接行车ECU；
行车ECU接受数据采集模块的信号，并传输给自适应巡航模式切换模块，自适应巡航模式切换模块进行安全距离的计算，以此切换至合适的控制模式并通过行车ECU以及执行单元对自车进行自适应巡航。
进一步地，数据采集模块包括轮速传感器、车载雷达以及晴雨传感器。
进一步地，晴雨传感器检测雨水喷溅量、雨量以及车前光强度，上述信号通过CAN总线传输至行车ECU来控制行车安全距离。
进一步地，执行单元包括驱动系统和线控制动系统。
进一步地，自适应巡航模式切换模块中包括两种控制模式，定速巡航与跟车巡航。
进一步地，定速巡航将车速控制在设定好的巡航车速，控制目标为速度。
进一步地，跟车巡航模式根据自车车速、前车速度、巡航车速及行车安全距离控制方式计算出的期望安全距离以实现，使自车以低加速度完成模式切换。
进一步地，定速巡航与跟车巡航两种模式之间设置缓冲过渡区。
进一步地，设置自车在行驶过程中的最大车速小于设定的巡航车速的90％。
进一步地，行车安全距离控制方式为，自车制动到静止状态所需要的制动距离与目标车完全停止所需要的制动距离之间的距离差为sε＝sf-sp，根据自车与目标车之间的相对车速和距离，以及晴雨传感器检测出的雨量和车前光强度，对最小安全距离进行分级，得到不同等级的行车安全距离。
本发明达到的有益效果为：
对智能驾驶汽车行驶时提供安全可靠的自适应巡航系统来保持汽车的纵向行驶，保证智能驾驶时自适应巡航不要驾驶员参与，实现汽车纵向行驶的自动自适应巡航，在合理时机内通过切换驱动系和制动系的控制，大大降低了因频繁和不及时切换造成的经济损失以及提高了执行机构的寿命。此外，本系统综合考虑自车车速、前车速度、巡航车速以及行车安全距离策略等因素设计了该模式切换方法，可使自车以较低加速度完成模式切换，提高了驾驶员舒适性；在CC和ACC两种模式之间设立了合适的缓冲过渡区，避免了两种模式的频繁切换；此外设定行驶过程中自车最大车速小于巡航车速的90％，来避免超速，以此保证ACC系统工作中的行驶安全性以及舒适性。另外为了行车安全，还设计了行车距离安全控制方式，考虑到天气因素对行车距离的影响，还将最小安全距离进行等级划分，既保证了跟车行驶的安全，也可以充分节省交通流量。
附图说明
图1为本发明实施例中自适应巡航控制系统的结构框图。
图2为本发明实施例中自适应巡航控制系统的硬件结构框图。
图3为本发明实施例中自适应巡航控制系统的模式切换示意图。
图4为本发明实施例中ACC系统模式间切换规则表。
图5为本发明实施例中定速巡航策略图。
图6为本发明实施例中拟合公式图。
图7为本发明实施例中行车安全距离控制方式示意图。
图8为本发明实施例中定速巡航模式操作流程图。
图9为本发明实施例中跟车模式操作流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，一种基于线控制动的自适应巡航系统由数据采集模块、自适应巡航模式选择模块、执行模块、ECU四个模块组成，通过CAN BUS连接。其中执行器中的制动模块选择线控制动系统，该制动系统可以在接收到ACC控制器的控制信号后，通过车轮速度传感器获得车轮速度，然后由线控制动系统执行，可获得良好的制动效果。不但可以保证在制动过程中保持车轮转动，保证控制行驶方向的能力，而且可以实现大部分路面情况下的制动防抱死，提供更高的制动力。
如图2所示的能够满足雷达信号处理和预警功能的ECU硬件结构框图，ECU其中包含微控制器模块、调制信号生成模块、雷达信号处理模块、晴雨传感器信号处理模块、轮速传感器信号处理模块、电源模块和通信模块。其中，主控器模块用于对系统进行控制；调制信号生成模块用于为雷达射频前端提供调制信号；雷达信号处理模块用于对雷达输出的信号进行模拟处理；晴雨传感器信号处理模块用于对外界环境进行感知，为ACC提供决策依据；轮速传感器信号处理模块用来检测汽车轮速；电源模块负责整个系统的供电；通信模块用于系统与整车的通信。
本自适应巡航系统还设有晴雨传感器模块，主要用来采集外界的天气，比如雨天的雨量以及车前光强度，以此给ACC控制器提供行车安全距离的决策依据。
如图3模式切换示意图所示，综合上述分析以及模式切换准则制定，设计ACC系统速度控制模式与距离控制模式间切换规则方法，定义期望间距xdes、接近距离边界线xapproach、远离距离边界线xleave，通过实际车间距离xactual和预设车速与前车车速之差vset-vp之间的关系获取相应的模式切换命令。具体规则如图4所示。表中vset为智能驾驶时整车控制器预设巡航车速，xapproach为前车速度vp小于等于vset，自车接近前车时，ACC系统从速度控制模式切换至距离控制模式的距离边界值；xleave当前车速度vp小于等于vset时，ACC系统从距离控制模式切换至速度控制模式的距离边界值；xmax为毫米波雷达能探测到的最大距离，本设计取值xmax为200m；Δx为ACC系统从距离控制模式切换至速度控制模式时实际距离与期望安全距离之间的最小距离，取值为10m。定速巡航策略图如图5所示。
ACC系统从速度控制模式切换至距离控制模式的边界值为xapproach，其取值主要有基于车间距离和自车车速这两种，本设计认为该边界值同期望安全距离、自车车速以及巡航速度相关：
xapproach＝xdes+k1(vset-vp)+k2(vf-vset)+x1 (1)
上式(1)中，k1的数值与vset-vp相关，为变量，k2与vf-vset相关且为常数，此处经分析取1.2，x1取值2m，目的是为了防止两种模式频繁切换；通过以vset-vp为变量进行多次仿真得到不同的k1值，再对其进行数值拟合，使其连续化。如图6所示，拟合公式为(2)：
Figure BDA0002900614780000071
ACC系统由距离控制模式向速度控制模式切换时的距离边界值为xleave，在设计时，定义xleave>xapproach，形成一段缓冲过渡区，防止两种模式频繁的切换。xleave的取值应与前后车速度差值有关，此外，为防止自车车速远大于巡航车速，造成超速等违规行为，将自车的巡航车速也纳入xapproach取值的参考范围之内，取值公式为：
xleave＝xdes+k3(vset-vp)+k4(vf-vp)+x2 (3)
式(3)中，取k3为常数，经分析可得其值为2.9；k4同样为常数，值取1.25；x2取值为2m。
由图4可知，基于线控制动的自适应巡航模式切换方法，即定速巡航(CC)与跟车巡航(ACC)两种模式的切换，具体如下：
1、当两车间实际距离x小于xdes时，无论vp与vset的谁大谁小，皆处于ACC距离控制模式下。
2、当两车距离介于xdes和xapproach之间时，vp若大于vset，则两车呈远离趋势，切换至CC模式。
3、若vp若小等于于vset，则两车呈接近趋势，切换至ACC模式。
4、当距离x处于接近距离边界值xapproach与远离距离边界值xleave之间时，且vp大于vset，则切换至CC模式。
5、若vp若小等于于vset则定义为过渡区间，表示该区域既有可能是速度控制模式也有可能是距离控制模式，模式保持上一状态。
6、此外，当距离处于雷达探测范围之外或x大于等于xleave且大于等于xdes和Δx的和时即代表着两车距离足够远时，切换至CC模式。
在进行ACC模式切换方法时应遵循以下准则：
(1)为防止ACC在车辆行驶过程中频繁切换控制模式，应确保各个模式的切换边界具有一定的缓冲过渡区间。
(2)在多模式切换过程中，会根据不同的控制阶段采取不同的控制模式，但是当不同模式切换时，会出现控制变量不连贯的问题，在满足系ACC系统功能的前提下，可尽量减少模式的数量，以此来减少系统模式切换频率，提高乘客舒适性。
如图7所示是本发明设计的行车安全距离控制方式示意图，在智能驾驶过程中，行车安全距离不仅与自车车速相关，同时还与相对车速有密切的关联。
由加速度-位移公式：
Figure BDA0002900614780000081
由(4)可得行驶车辆以恒定减速度a下从vx减速到0行驶过的距离为：
Figure BDA0002900614780000082
假设目前自车速度为vf(m/s)，前车速度为vp(m/s)，两车都以相同的减速度进行制动，减速度常数为ac，则可得两车的制动距离：
Figure BDA0002900614780000083
式中，sf，sp分别为自车和前车的制动到静止时行驶过的距离。
如图7所示，当vp＜vf时，即自车速度大于目标车时，两车以同样的减速度进行制动，自车制动到静止状态需要比目标车完全停止所需要的制动距离长sε＝sf-sp。则安全间距策略为xdes＝th·vx+sε+dmin，但ACC系统大多数情况工作在稳定车流中，考虑到极端刹停工况的策略会对相对车速过于敏感，易造成交通流量的浪费，致使旁侧车道车辆切入工况增多。因此本发明对sε进行改动，弱化其对相对车速的敏锐度，找到相对合适的平衡点。
Figure BDA0002900614780000091
式(7)中，th为车头时距；ac为制动模型中减速度常数，取3m/s2；cv为可变车头时距计算公示的常参数，设计取0.05；dmin为最小安全距离。对于最小安全距离的选择，本发明根据晴雨传感器检测到的状态，将晴天、雨天、以及雨天的雨量，综合考虑车前的光照强度将最小安全距离进行自动分级，得到不同等级的最小安全距离。设计长距离的最小安全距离为8m，中距离最小安全距离为6m，短距离最小安全距离为4m。t0为恒定车头时距值，将通过对交通流的实测分析将驾驶状态分为强跟驰状态和弱跟驰状态，这二者代表的最短车头时距和舒适车头时距分别满足以1.55s和2.60s为均值，以0.48s和1.13s为标准差的正态分布，其中舒适车头时距中包含了约1s的模拟驾驶员心理裕值。综合考虑交通流量及安全性，取1.7s。
如图8所示为定速巡航模式操作流程图，简述定速巡航模式控制步骤：
步骤一、当选择进入定速巡航模式。
步骤二、通过车轮轮速传感器测得轮速，发送到控制器，计算自车速度。
步骤三、通过整车控制器设定巡航速度vset，设置完成之后控制器自动计算当前速度达到vset所需的最佳加速度。
步骤四、将计算所得的加速度送达执行模块，通过调节自车油门大小来控制加速度，通过线控制动系统来控制自车制动力大小来控制加速度。
步骤五、使用雷达监测前车与自车是否属于同一车道，当雷达监测到前车时，计算前车速度。
步骤六、对处于同一车道的前车速度进行判断，若前车速度过低时进行自车加速。
步骤七、若前车速度过高时，根据上述设计的行车安全距离控制策略进行跟车，保持一定的安全距离跟随前车前进，等前车消失时再恢复到设定的巡航速度。
如图8所示为跟车模式操作流程图，简述跟车模式控制步骤：
步骤一、当选择进入跟车模式。
步骤二、通过车轮轮速传感器测得轮速，发送到控制器，计算自车速度。
步骤三、整车控制器通过晴雨传感器的信号设定跟车等级，设置完成之后控制器自动选择所需的最小安全距离。
步骤四、根据实际需要进入延长跟车距离模式，使用雷达监测前车与自车是否属于同一车道，当雷达监测到前车时，计算前车速度；若前车速度大于50Km/h，根据上述设计的行车安全距离控制策略进行跟车。
步骤五、根据实际需要进入不延长跟车距离模式，使用雷达监测前车与自车是否属于同一车道，当雷达监测到前车时，计算前车速度；若前车速度大于50Km/h，根据上述设计的行车安全距离控制策略进行跟车。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：
所述系统由数据采集模块、自适应巡航模式切换模块、执行单元、行车ECU四个模块组成，数据采集模块、自适应巡航模式切换模块、执行单元均通过CAN总线连接行车ECU；
行车ECU接受数据采集模块的信号，并传输给自适应巡航模式切换模块，自适应巡航模式切换模块进行安全距离的计算，以此切换至合适的控制模式并通过行车ECU以及执行单元对自车进行自适应巡航。
2.根据权利要求1所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：数据采集模块包括轮速传感器、车载雷达以及晴雨传感器。
3.根据权利要求2所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：晴雨传感器检测雨水喷溅量、雨量以及车前光强度，上述信号通过CAN总线传输至行车ECU来控制行车安全距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：执行单元包括驱动系统和线控制动系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：自适应巡航模式切换模块中包括两种控制模式，定速巡航与跟车巡航。
6.根据权利要求5所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：定速巡航将车速控制在设定好的巡航车速，控制目标为速度。
7.根据权利要求5所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：跟车巡航模式根据自车车速、前车速度、巡航车速及行车安全距离控制方式计算出的期望安全距离以实现，使自车以低加速度完成模式切换。
8.根据权利要求5所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：定速巡航与跟车巡航两种模式之间设置缓冲过渡区。
9.根据权利要求1所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：设置自车在行驶过程中的最大车速小于设定的巡航车速的90％。
10.根据权利要求1所述的一种基于线控制动的自适应巡航控制系统，其特征在于：行车安全距离控制方式为，自车制动到静止状态所需要的制动距离与目标车完全停止所需要的制动距离之间的距离差为sε＝sf-sp，根据自车与目标车之间的相对车速和距离，以及晴雨传感器检测出的雨量和车前光强度，对最小安全距离进行分级，得到不同等级的行车安全距离。
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