CN1263641C - 汽车防撞全自动驾驶仪 - Google Patents

Abstract

一种汽车防撞全自动驾驶仪，包括：车速检测BCD码转换器、存储器或函数发生器及修正单元、测距仪、比较器、PD或PID控制兼状态反馈控制器，控制器根据给定与实测车距之误差对汽车风油门、刹车电磁执行装置给出至少PD两个状态负反馈、给定值正反馈控制回路及控制信号，控制信号无振荡、无超调、快响应、强鲁棒性，即使汽车或其它对象参数变化几万倍，控制性能不变地控制汽车车距等于随车速改变的给定值，从根本上、即使在大雾天也防止汽车行驶或倒车中撞车，设有逻辑控制与人控优先开关，确保控制有序、人控与转向超车优先。本发明还适用于其它各种高精尖要求对象的控制。

Description

汽车防撞全自动驾驶仪

技术领域

本实用新型涉及汽车驾驶仪，特别是涉及给定值与实测值之差的状态反馈闭环控制汽车防撞全自动驾驶仪。

背景技术

至今为止汽车各种防撞技术有：1、在发生碰撞后采取各种减轻碰撞后果的措施，如气囊、保险杠等；2、防撞报警类，如：专利号为97105850的中国专利公开的汽车防撞雷达，专利号为90211840的中国专利公开的红外激光防撞装置等；3、防撞报警自动刹车类，如：专利号为92112911的中国专利公开的防撞紧急制动装置、专利号为92229804的中国专利公开的汽车防撞报警刹车器、专利号为92200823的中国专利公开的汽车安全行驶防撞模糊控制器等；4、倒车防撞报警，如：专利号为98233344的中国专利公开的倒车防撞报警器、专利号为95202028的中国专利公开的汽车倒车防撞雷达等。

上述现有各种防撞技术都是开环防撞，根本没有闭环控制防撞技术，特别是没有以即时车速为地址、倒车以距离为地址从存储器或函数发生器读出车速安全车间距S_V，经修正的“给定值”kS_V与超声波实测“车间距”S_X2’之差Δs的比例微分PDII型、比例积分微分PIDIII型控制兼状态反馈对汽车至少有两个闭环负反馈控制的汽车防撞全自动驾驶仪。

汽车防撞全自动驾驶仪发实用新型的核心是比例微分PDII型系统、比例积分微分PIDIII型系统控制兼状态反馈控制器，对汽车调速无振荡、无超调、强鲁棒性地控制汽车安全车距等于随车速改变而改变的正反馈给定安全车距值。目前全世界控制界都设计制做不出快跟踪、无振荡、无超调、强鲁棒控制器和控制系统。至今全世界自动控制界设计线性系统还都毫无例外地受“临界稳定开环增益”的限制，毫无办法提高闭环系统性能，因此无论采用何种方法、如何设计系统的性能都很低，即不能设计制做开环增益越高、闭环系统越稳定、跟踪越快、无振荡、无超调、鲁棒性越强的控制器和闭环控制系统。对汽车安全距离的控制绝对不许有振荡、有超调，因前行汽车不挂倒档无倒车功能，所以振荡和超调都严重损伤汽车部件而降低寿命，且是能量的无味损耗，又因为汽车不仅速度快、惯性大、而且大型客、货车的惯性变化也很大，所以对汽车控制必须具备快响应、无振荡、无超调、不怕载重量变化几十倍以上的强鲁棒性闭环控制系统。因此必须具有快响应、无振荡、无超调、不怕载重量变化几十倍以上的强鲁棒性控制器，本发明不仅公开了这种控制器，还公开了受控对象参数变化6万倍以上而无振荡、无超调性能完全不变、单位阶跃响应响应零稳态误差过渡时间只相差十几毫秒的控制器，对汽车等各种2阶控制对象都能做到上述高性能的闭环控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车防撞全自动驾驶仪。

一种汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于包括：车速检测BCD码转换器、存储器或函数发生器及修正单元、测距仪、比较器、控制器含加法器、逻辑控制开关、风油门及刹车控制电磁执行装置、刹车控制器、最高车速给定装置与比较器和报警控制显示单元。所述车速检测BCD码转换器获取本车车速并转换为BCD码送到存储器或函数发生器及修正单元；所述存储器或函数发生器及修正单元至少包括一存储器或函数发生器及比例运算器，所述存储器中存储安全车距值、函数发生器输入车速输出安全车距或输入安全车距输出车速，车速检测BCD码转换器输出BCD码作为该存储器存储单元的地址码或函数发生器的输入，存储器或函数发生器输出的安全车距经比例运算器进行修正后送比较器作闭环控制系统给定值，构成必须的给定值正反馈通路，所述函数发生器即可硬件制做，也可软件编程实现；所述测距仪采用超声波测距仪，用以获取本车与前后车或障碍物之实际车距作闭环控制系统状态负反馈量送比较器；所述比较器将输入安全车距给定值与输入测得的实际车距进行比较运算，输出误差至控制器，从而构成给定值正反馈与输出量状态负反馈经过控制器对受控对象控制的共同通路；所述控制器含加法器对误差进行PD或PID运算，其结果分别输出至逻辑控制开关到风油门电磁执行装置、刹车电磁执行装置和报警控制显示单元；所述最高车速给定装置与比较器包括一最高车速给定电路和一比较器，最高车速给定电路给出限制最高车速设定数码或模拟电压值，比较器对最高车速设定值与实际车速值进行比较，并将结果输出给逻辑控制开关以限制最高车速；所述逻辑控制开关根据控制器输出控制信号的正、负、大、小及最高车速给定比较器输出控制信号进行逻辑判断，结果对风油门控制电磁执行装置的控制通路给出接通与断开的控制；逻辑控制开关包括有人控优先自动切换开关，用于在防撞自动驾驶和司机驾驶、或转向超车优先之间自动切换。

本实用新型效果：

本实用新型防撞全自动驾驶仪自动驾驶车是除方向盘、启动换档、遇红绿灯不能控制外的防撞全自动驾驶车，确保高速公路、公路、大中城市环路、市内公路安全快速行车，给汽车增加科技含量和提高档次，给公路交通提高科技水平、科学缩短安全”车间距”，增加高速公路、公路车容量，极大增加车流量，提高高速公路、公路利用率和通行能力，给国家增加社会效益和经济效益，更重要的是避免交通事故发生而安全、快速行车，保障人身车辆安全，从根本上杜绝汽车相撞，避免大雾天气发生撞车、车毁人亡的交通事故，而被迫关闭高速公路的发生。

本实用新型控制器控制系统既快又稳、无振荡、无超调、适于受控对象参数变化范围6万倍以上，控制的高性能不变各种高、精、尖要求的受控对象。广泛适用于：大、中、小、空车、重载车、电动汽车、火车、轮船，还适用于其它各行各业的各种受控对象的控制，更适用无超调、既快又稳、更准的武器装备控制。

附图说明

图1.本实用新型的原理方块图；

图2.本实用新型原理方块信号流图；

图3(a).控制器(1-1-10)控制汽车＝1/S²安全车间距闭环系统的单位阶跃响应；

图3(b).控制器(2-2-1)控制汽车＝0.015/[S(S+0.1)]安全车间距闭环系统的单位阶跃响应；

图3(c).控制器(2-2-1)控制汽车＝1000/[S(S+0.1)]安全车间距闭环系统的单位阶跃响应；

图4.汽车防撞全自动驾驶仪自动控制汽车安全车间距系统实施实例电路图；

图5.超声波测距装置实施实例电路图

具体实施方式

本实用新型汽车防撞全自动驾驶仪参看图2由：①.车速检测BCD码转换装置19；②.存储器或函数发生器及修正给定单元0、1；③.超声波测距仪20；④.给定值kS_V与车间距S_X2’状态反馈比较器2；⑤.控制器3、4、5含加法器6；⑥.逻辑控制开关k_C包括人控优先自动切换开关；⑦.风油门、刹车电磁执行装置8、7、13；⑧.最高车速给定装置11及最高车速比较器9；⑨.报警控制显示单元14、15；⑩.数码管显示器16、17、18组成。图2中10’10是受控对象汽车。其中：

①.所述车速检测BCD码转换装置检测本车车速为电信号v_X，并转换成BCD码v_X输出送至“安全车间距”存储装置为地址码。

②.所述安全车距存储器或函数发生器与修正单元至少包括一存储器和一乘法器或软件编制乘法程序，对存储器输入v_X地址码存储器输出安全车距S_V，经修正乘以系数k，输出kS_V作为“给定值”送至比较器2，存储器既可用集成电路存储器，也可用单片机内存储器。

函数发生器：安全车距S_V是汽车在即时车速V_X下刹车时，靠刹车磨擦力F作用滑行最大而确保不撞车的距离S_V，车速V_X的安全刹车距S_X之间的基本函数应为：S_X＝(1/2·MV_X ²)/F，再加以可调修正，其中M为汽车质量。这一函数既可用硬件制做，也可计算机软件实现。硬件制做用平方电路乘法器即实现S_X＝1/2·V_X ²，其中V_X为输入、亦可反之。

③.测距仪采用超声波测距方案：超声波测距仪由超声波发送与接收器、超声方波发生器、单稳触发器、计数器、比较器、门控电路、1-3位十进制编、解码超声波发送与接收控制电路，数控增益编程放大器、温度自动补偿计测距冲发生器电路组成测距150-200m的超声波测距仪；在单稳触发器、计数器、比较器、门控电路、1-3位十进制编、解码超声波发送与接收电路控制下，超声波发送器发送十进制编码超声波，反射回波由超声波接收器接收、放大、比较器比较送十进制解码输出控制信号，即完成一个测量周期时间T，在T时间内测距计数器对温度自动补偿测距脉冲发生器发出2分频脉冲计数，计数结果即是实测车距离。

④.给定值kS_V与反馈S_X2’比较器2既可用软件编制减法程序作减法运算，也可用模拟或数字减法器做硬件比较器，减法程序或减法器作减法运算，算得Δs＝kS_V-S_X2’，将Δs输出至3比例P、4积分I、5微分D，由此在很短时间Δt内控制汽车行驶距离ΔS_X2’，则构成至少2个闭环负反馈对汽车控制回路和给定值kS_V对汽车至少2个正反馈的前向控制路径，从而构成图2对汽车10’10的闭环PD、PID控制兼状态反馈控制系统结构；

⑤.控制器3、4、5含加法器6：加法器6输出6’＝3+4+5＝(K_P+K_DS+K₁/s)Δs，这是本发明的核心发明。其中：

一、无超调、快跟踪3阶III型最佳系统及PID控制器

1.把汽车防撞全自动驾驶仪控制汽车安全车间距系统制做成3阶III型图1、图2、图4系统：

$\frac{K_{D}S+K_P+K_I\×1/S}{S^2+K_{D}S+K_P+K_I\×1/S}=\frac{a_0{\mathrm{\ω}}_{n}S+a_1{{\mathrm{\ω}}_n}^2+a_2/S}{S^2+a_0{\mathrm{\ω}}_{n}S+a_1{{\mathrm{\ω}}_n}^2+a_2/S}$

$\frac{2400{\mathrm{\ω}}_{n}S+16\×{10}^5{{\mathrm{\ω}}_n}^2+{{\mathrm{\ω}}_n}^3/S}{S^2+2400{\mathrm{\ω}}_{n}S+16\×{10}^5{{\mathrm{\ω}}_n}^2+{{\mathrm{\ω}}_n}^3/S}---\left(1\right)$

对汽车或其它任何受控对象＝1/S²                         (0)

所必须制做或软件编程实现的PID控制器

                      ＝2400ω_nS+16×10⁵ω_n ²+ω_n ³/S     (1-0)

其中：1.ω_n＞0的任意实数、取最大100≥_n已足够用；2.取ω_n＝1时，

$\frac{2400S+16\×{10}^5+1/S}{S^2+2400S+16\×{10}^5+1/S}---(1-1)$

制做汽车(0)的控制器是：

            6＝PID＝2400S+16×10⁵+1/S                  (1-1-1)

控制器输出：6’＝(2400S+16×10⁵+1/S)Δs

控制汽车安全车间距闭环系统(1-1)动态性能的单位阶跃响应是：超调量σ＝0、毫无振荡；零稳态误差响应时间：t_s1＝0.0065[s]；因为是III型系统，所以即使前车作匀加或匀减速度行驶时，对前车也都能自动做到完全相同的无差匀加或匀减速度的跟踪，所以从根本上保证绝对不会发生撞车。系统(1-1)的零点：r_1.1＝-666.6667、r_1.2＝-0.0000；极点p_1.1、p_1.2＝-1200.0±400.0i、p_1.3＝-0.0000，其中一对近似为0的零、极点产生相对消，这是量变到质变，即积分控制器对系统动态性能毫无影响，只是闭环系统是III型系统。系统的动态性能完全取决于控制器PD＝K_DS+K_P＝2400S+16×10⁵对汽车的控制。PD＝K_DS+K_P＝a₀ω_nS+a₁ω_n ²，满足无振荡、无调量的条件是a₀/√a₁≥1.739满足对汽车或其它2阶对象＝1/S²闭环控制的绝对无振荡、无超调的要求。

2.在(1)中取ω_n＝10，这时的图1、图2、图4系统是

$\frac{24000S+16\×{10}^7+{10}^3/S}{S^2+24000S+16\×{10}^7+{10}^3/S}---(1-10)$

制做汽车＝1/S²(0)的控制器是：

             PID＝24000S+16×10⁷+10³/S            (1-1-10)

控制器输出：(24000S+16×10⁷+10³/S)Δs

这时由控制器(1-1-10)控制的汽车＝1/S²的汽车车间距闭环系统的动态性能的单位阶跃响应如图3(a)所示：1.超调量σ＝0，即无振荡、无超调；2.零稳态误差响应时间：t_s10＝0.00065[s]，即快速响应时间t_s10比t_s1又加快10倍。系统(1-10)的零点r_1.1＝-6666.667、r_1.2＝-0.0000；极点p_1.1、p_1.2＝-12000.0±4000.0i、p_1.3＝-0.0000，这时除一对为0的零、极点相对消外，其余两极点p_1.1.p_1.2＝-12000.0±4000.0i的负实部在根平面的左半平面又都远离虚轴10倍，因此图1、图2、图4系统(1-10)的稳定性能又提高10倍，这时图1、图2、图4系统的开环增益增大100倍，所以这样设计制做控制器控制的系统是开环增益越大，闭环系统越稳定，并且响应时间越快、动静态误差都越小，控制准确度越高。这样高的开环增益用模拟电路可以制做，但有一定难度，用计算机软件实现这样控制器是很容易做到的。事实上只有非常高、精、尖要求的控制系统才需要如此高的开环增益，对汽车控制取ω_n＝1已充分有余。

图1、图2、图4系统的结构特征是由于汽车是2阶系统，众所周知2阶系统共有2个状态变量，这2个状态变量就是对汽车输出车间距离S_X2’的比例及微分，所以对S_X2’必须有比例和微分PD 2个闭合状态反馈回路，这就是必要的结构特征，同时PD控制器又在前向通路上，所以闭环控制系统又在结构上构成“环”与“路”的完全相等，由于本发明控制器的控制性能很强，是因为开环增益很大、微分又搭配得当，所以即使“环”与“路”不完全相等、甚至理想微分用近似的模拟电路(图4)制做的实际微分代替都无防，只是快速跟踪性能受些影响。

二、无超调、快跟踪2阶II型最佳系统及PD控制器

1.把汽车防撞全自动驾驶仪控制汽车安全车间距系统制做成2阶II型图2、图4(去掉积分)系统：

$\frac{2400S+16\×{10}^5}{S^2+2400S+16\×{10}^5}---\left(2\right)$

2.对受控对象汽车＝1/S²，                           (0)

所需制做控制器PD＝2400S+16×10⁵                    (2-1)

对汽车输出控制量6’＝(2400S+16×10⁵)Δs

3.对受控对象汽车＝β/S²                            (0′)

所需制做控制器PD＝(2400S+16×10⁵)/β

零点r₂＝-666.6667；极点p₂₁.p₂₂＝-1200.0±400.0i。

其性能是：超调量σ＝0、毫无振荡；t_S＝0.0065[s]；II型系统，当前车作匀速度行驶时，对前车能作到无差的跟踪。对前车作匀加、减速度行驶的跟踪是有差跟踪，但由于开环增益＝16×10⁵很大，所以误差近似为0。

上面控制器(1-1-1)和(2-1)(1-1-10)非常适用各种小型车和骄车调速控制安全车间距离用，其特点是无振荡、无超调、响应时间非常快。当车间距离产生微小变化时，控制器便快速调速、刹车减速控制安全车间距离＝给定值，从根本上杜绝汽车发生撞车。

三.无振荡、无超调、强鲁棒、PD控制器

II型强鲁棒控制兼状态反馈控制器：

            PD＝K_P+K_DS

              ＝a₁ω_n ²+a₀ω_nS                    (2-2)

当ω_n＝1、 $a_0/\sqrt{a_1}\≥14.66,$ a₀＝44000，满足对汽车或其它2阶对象＝β/S²，其中β＝0.015---1000变化66666.6倍而无振荡、无超调性能不变。这时PD控制兼状态反馈控制器：

            ＝44×10³S+9×10⁶                     (2-2-1)

控制器(2-2-1)控制汽车(可以是其它任何受控对象)＝β/S²(0′)，其中β＝0.015---1000，变化66666.6倍时的II型PD控制兼状态反控制安全“车间距”系统的控制结果：分别取：β＝0.015、β＝1000时由控制器(2-2-1)控制的汽车安全车间距系统是：

$\frac{0.015(44\×{10}^{3}S+9\×{10}^6)}{S^2+0.015(44\×{10}^{3}S+9\×{10}^6)}=\frac{660S+135000}{S^2+660S+135000},\left(2.015\right)$

$\frac{1000(44\×{10}^{3}S+9\×{10}^6)}{S^2+1000(44\×{10}^{3}S+9\×{10}^6)}=\frac{44\×{10}^{6}S+9\×{10}^9}{S^2+44\×{10}^{6}S+9\×{10}^9},\left(1000\right)$

其单位阶跃响应的计算机仿真结果如图3(b)、3(c)所示：无振荡、无超调；t_S0.015＝0.018[s]---t_S1000＝0.032[s]，上述结果证明：当汽车参数β变化66666.6倍时，汽车高性能无振荡、无超调、快响应控制结果不变，只是过渡时间相差14ms。

这一发明控制器可控制任何型号的大型客车和货车，即使受控对象是万吨级轮船，其变化范围也远远小于6万倍。所以控制器(2-2-1)不仅控制各种汽车，即使控制火车、轮船等都充分有余。

控制器共输出3路控制信号：1.报警控制显示单元14、15；2.经逻辑控制开关k_C控制风油门电磁执行装置8，电磁执行装置8根据控制器输出控制信号控制风油门开度大小对汽车调节速度控制汽车在行驶中或倒车中始终保持最佳给定的安全车间距离或车速度；3.控制刹车电磁执行装置7、13刹车减速控制安全车间距离。

必须说明：1.上述给出发明所有控制器都不是唯一的，有千千万万，可根据不同要求、不同对象采用各种不同参数控制器。2.本发明所用汽车对象均为双积分环节，这是选用最严重和最难控制的情况，汽车实际是一阶惯性环节和一阶积分环节相串联，当惯性很大时，或对一阶惯性环节采用局部正反馈补偿都将使其成为双积分环节。

控制器的制做：既可用模拟电路、数字加、减、乘、除集成电路、电阻、电容器等硬件制做，也可用微机或单片机、微处理器软件编制PD运算程序而实现PD运算与控制功能，多种方法都能实现控制器的制做。

⑥.逻辑控制开关k_C；逻辑控制开关k_C包括(仅在图4中)：J₂继电器及触点J_2BT₅和比较器9；比较器7、三极管T₁和继电器J₁及触点J_1B；bj₃比较器、T₄和J₃继电器及触点J_3K1J_3K2；d.F₁和T₂组成逻辑控制开关，上述所有由三极管和通电电流不大的继电器触点开关都可用模拟开关4066代替；一般情况：6’经k_C送入8功率放大、风油门控制磁力执行器的控制信号起接通与关断控制作用：a.v_X≥v_m、b.6’＞0并产生刹车控制信号时k_C关断，否则k_C接通，k_C关断与接通分别由9’、7’两个控制信号控制；逻辑控制开关k_C包括人控优先自动切换开关由k₁k₂k₃k₄k₅k₆6个串联常闭开关组成，其中k₁k₂k₃k₄4个两两串联分别暗装在风油和刹车脚踏板钻孔中，将k₅与转向灯开关接成二选一，k₆暗装在离合器脚踏板钻孔中，脚踏其中任一踏板时开关断开，转向灯通、则k₅断，都自动实现人控优先和转向加速超车优先控制；当脚离开踏板，k₁k₂k₃k₄k₆自动靠复位弹黉力闭合，转向灯开关k₅闭合，自动接通防撞全自动驾驶仪控制通路，实现自动驾驶控制安全车间距离。

⑦.刹车电磁执行装置7、13和风油门电磁执行装置8；由7刹车防抱死自动控制电路及8、13各自三极管电流放大器和磁力执行机构组成；7刹车防抱死自动控制电路由方波发生器、模拟加法器、比较器、门控电路组成。当比较器、门控电路判断须刹车时：输出7’＝“0”关断k_C；输出7’＝“0”防抱死方波发生器起振输出方波同比例微分积分6’分别送加法器两个输入端，加法器输出方波与6’叠加放大信号送13；8、13电流放大器部分：分别由功率三极管、或一对互补三极管例如B647和2N3055等功率三极管及与三极管反相并联泄流二极管组成复合控制电路构成。三极管集电极或发射极一端接电源一端，另端接螺旋绕线线圈；8、13磁力执行机构分别各由：螺旋绕线线圈、硬塑料管、磁铁、良导磁体筒或桶、钢丝拉线5部分构成。高强度漆包线螺旋绕线线圈绕在硬塑料管上，线圈一端接电源另一端、另端接三极管，则线圈三极管电源构成闭合回路，三极管基极根据控制信号控制线圈1中电流大小，良导磁体筒套固在线圈、硬塑料管外为外罩，主要作用是减小磁阻增大磁通量，硬塑料管内装有可移动的磁化磁铁，磁铁一端连钢丝拉线；各自拉线分别与风油门、刹车脚踏板连杆连接。众所周知，线圈通过直流电流产生N、S极电磁场与装在管内的磁铁产生电磁拉力，拉力通过拉线控制风油门开度实现自动调速控制安全车距；控制刹车线圈2通过方波与6’叠加电流，使磁铁产生方波振动拉力作用于刹车脚踏板，6’叠加电流控制改变振动防抱死刹车力度，6’信号大时自动进行急刹车；

⑧.最高车速给定器11可用数码拨盘、10线-4线BCD优先级编码器给出最高限速BCD数码v_m，送18显示，并送9供计算机软件编制程序比较运算、或数字比较器比较用，将运算比较结果输出控制信号给k_C；简便易司机操作的是11用电位器给出限速模拟电压v_m送18显示，并送模拟比较器9，比较结果输出“0”、“1”控制信号给k_C；

⑨.最高车速比较器9既可采用计算机软件编制程序作减法比较运算输出控制信号，也可用数字电路或模拟运算放大器作比较器，把比较结果送给k_C。

⑩.报警控制显示单元14、15包括：闭环越限：(1).轻报警；(2).报警；(3).重报警；(4).紧急报警。图2中，报警信号取于给定值kS_V正反馈与实测车间距离S_X2’之差Δs的PD＝6’＝Δs(K_DS+K_P)(Δs分辨率＝1mm-10mm、可作到0.1mm)是闭环最佳给定kS_V与闭环比例、微分负反馈的控制信号的合成信号，它最微观、最灵敏、最科学地反应汽车行驶状况，它给出了防微杜渐，未卜先知的预测：

(1).一次测距如6’≥0时，减小风门自然减速报警；(2).第一、二次测距6’≥某一门限值时，关风油门自然减速报警；(3).一次测距6’≥某一高门限值时，刹车报警(在图4中bj₃给出自动控制刹车信号)；(4).在(3)第二次报警，报警计数器输出急刹车报警。这些报警是PD、PID控制器自动运算结果6’通过比较器14比较自动进行不同报警。

报警方式：声、光并用：(1).、(2).、(3).、(4).四种报警均采用4或5只数码管17闪烁显示，语言芯片、喇叭讲话报警。

报警判别电路：(1).、(2).、(3).、(4).四种报警均采用数字比较器、或模拟比较器、或单片机运算，比较设定的各自不同阀值门限是否越限，并计算越限次数，根据不同越限及越限次数分别不同报警。

(11).数码管显示器16、17、18组成。16显示kS_V、17显示S_X2’、18显示v_m、控制数码管17闪烁显示报警。

图4.是汽车防撞全自动驾驶仪自动调速控制汽车安全车距系统实施实例电路图，该图完整地表述了本发明具体实施方式。

汽车防撞全自动驾驶仪自动驾驶状态：人控优先自动切换开关k₁k₂k₃k₄k₅k₆常闭触点都闭合。

一、行驶汽车给出两个数据：(1).车速度经A/D转换成BCD码作存储器地址，从存储器读出车速安全车距S_V，经D/A转换成模拟量，经电阻R₁送修正单元运放1的反相输入端，经改变反馈可调电位器R_2x修正后输出“给定值”-kS_V经电阻R₄送运放2加法比较器的反相输入端；(2).汽车与前车或障碍物之间距离，由超声波测距仪测得S_X2’后经D/A转换成模拟量，经电阻R₃送运放2加法比较器的反相输入端与-kS_V相减输出＝Δs。

二、Δs＝-(S_X2-kS_V)＝kS_V-S_X2的误差控制：

(1).如S_X2’＞kS_V，是汽车加大油门加速自动控制状态，因实测车间距＞给定值：输出Δs＜0经比例P放大器3反相放大输出3’＞0，4和5分别是积分I和微分D运算放大器，经反相加法器6得到3’+4’+5’＝6’，如6’＜0，6’共3路输出：①.经R₃₁控制4个报警，其中bj₃送图5中4518₁报警计数，当连续报警2次4518₁输出bj ₄报警，由于6’＜0的自动控制加速状态而不产生报警；②.经R₂₂送入比较器7，输出7’＝“0”，控制三极管T₁截止，J_1BJ_2B(最高限速常闭触点)都闭合，T₂基极接通控制F₁；③.6’通过R₂₃、F₁控制T₂基极而控制线圈₁电流，如电流增大则风油电磁执行装置控制风油门开度增大，从而自动控制加速来减小与前车之间的车距S_X2’，使S_X2’＝给定值k S_V。

(2).如S_X2’＜kS_V，即当前车发生减速时，6’＞0，T₁由截止变导通，继电器J₁动作J_1B常闭触点断开，T₂基极通过R₃₀接地变成0电位而截止，线圈₁电磁控制执行装置无电流，而关闭风油门自然减速。但没报警，所以T ₄截止，J₃的常开触点J_3K1J_3K2断开，刹车不作用；当前车发生急刹车时，6’＞＞0，bj₃报警控制T ₄由截止变导通，J_3K1J_3K2均闭合，所以防抱死方波发生器产生抱闸方波通过R₃₄送入运放13反相输入端与6’通过R₃₁送入运放13同相输入端相加输出13’，13’控制T₃在一个变化的直流电平上叠加方波电流在线圈₂中流过，线圈₂产生两个电磁场：一个是与6’成比例变化的直流电流电磁场，另一个是方波电流电磁场，这两个电磁场叠加在一起与装在本线圈₂中永磁铁NS极异性振动相吸，产生较大电磁振动防抱死刹车力来刹车减速，当6’大到某一设计值时则自动防抱死急刹车减速来控制安全车间距＝随速度变化的给定值。所以从根本上杜绝汽车撞车的发生。

三、最高限速：V＝12V电压经电阻R₂₁R₃₅分压得V_m最高限速电压，可手调旋扭改变R₂₁的阻值改变最高限速V_m，V_m送比较器9反相端；汽车即时车速的模拟量信号V_x经R₃₆送比较器9同相端与V_m相比较：当V_m＞V_x，9’＝“0”，T₅截止，J₂继电器不动作；当V_m≤V_x，9’＝“1”，T₅导通，J₂继电器动作；J_2B常闭触点断开，T₂截止，控制风油门关闭自然减速，起到限制最高车速作用。

四、图2中的逻辑控制开关k_C在图4中包括：a.J₂继电器及触点J_2BT₅和比较器9；b.比较器7、三极管T₁和继电器J₁及触点J_1B；c.bj₃比较器、T₄和J₃继电器及触点J_3K1J_3K2；d.F₁和T₂。

五、人控优先与汽车防撞全自动驾驶仪控制自动切换开关由k₁k₂k₃k₄k₅k₆6个串联常闭开关组成，其中k₁k₂k₃k₄4个两两串联分别暗装在风油和刹车脚踏板钻孔中，k₅与转向灯开关接成之二选一，k₆暗装在离合器脚踏板钻孔中，脚踏其中任一踏板时串联开关断开，转向灯通、则k₅断，都自动切换为人控优先；脚离踏板并转向灯复位时自动切换为防撞金自动驾驶仪控制自动驾驶。

六、bj₁bj₂bj₃bj₄四个报警输出除均控制指示灯闪烁掀报警外，分别各自控制不同的语言芯片进行各自语言报警。

图5.超声波测距仪实施实例的电路图

图5是由超声波发送与接收器B₁B₂、超声方波发生振荡器、单稳触发器、计数器、比较器、门控电路、一位十进制编、解码控制超声波发送与接收电路、数控增益编程放大器、温度自动补偿计测距冲发生器、测距计数器组成的测距150-200m的超声波测距仪。

工作过程及采用电路的特点是：接通电源时电容器c_c、二极管D_c与电阻R_c组成微分电路产生并输出正脉冲：1.给4518第15脚清“0”；2.作用于DW₁使其触发Q＝“1”、Q’＝“0”。Q＝“1”作用有2：a.通过D₁解除对F₃F₄R₄₁R₄₂c₄组成超声波发生器的箝位封锁，开始振荡输出测距和十进制编、解码控制计数超声方波；b.打开4518第10脚计数控制门使计数脉冲由F₁输出经c₂作用于9脚开始计数，由Y₁Y₂Y₃组成控制门对设计编码为9的计数译码控制，当发送9个超声方波时Y₃＝“1”→“0”控制DW₁翻回稳态：Q＝“1”→“0”关闭超声波发生器和9脚的计数；Q’＝“0”→“1”作用给4518、4518₂、5001使其各自清“0”的同时控制DW₂使Q₂＝“0”→“1”、Q’₂＝“1”→“0”处于暂稳态。暂稳态Q₂＝“0”→“1”作用给4518、4518₂、5001打开各自计数控制门和通过D₂解除对测距脉冲发生器的箝位封锁，温度自动补偿测距脉冲发生器由F₅F₆R_t和2个相同电容器c_f设计成按2分频的频率，每个脉冲分别代表1mm、10mm输出测距脉冲，振荡频率 $f=1/\left(4\mathrm{\π}\sqrt{2R_t{c}_f}\right),$ 其中R_t是由负温度系数半导体电阻与金属膜电阻串并联自动补偿超声波传播速度随温度变化的电阻。4518₂共2个计数器其中1个作报警计数、1个作测距个位计数，如果再增加1个十位计数器，这时是共6位十进制测距计数器，则把脉冲分辨率提高到每个脉冲分别代表0.1mm。图中共5位十进制计数器计数测距脉冲，4518₂个位只计数1→9，当第10个脉冲计数后的3456脚各自连接二极管D和接地电阻R₅₃组成负与门控制电路输出“1”→“0”，经c₁₁把第10个脉冲进位到5001(负跳变触发计数)计数1为十位数，所以5001计数范围是10×0→9999，如果低位再增加十位数BCD码计数器，5001计数范围是100×0→9999。

超声波接收器B₂接收脉冲经f₁f₂2级放大，f₁f₂用数控增益编程仪器放大器PGA202而不用负反馈电阻，增益为1、10、100、1000，2级最大放大100万倍，目的是增大超声波测距的距离，必要时再增加一级三极管超声波LC并联谐振选频前置放大级，目的为更有效抑制噪声。放大后的信号经b₁比较器整型送4518脚1进行解码计数，当计数恰好为9时，4585数字比较器的比较与被比较的两组数完全相等而3脚输出“1”→“0”，强制DW₂翻回稳态：Q₂＝“1”→“0”；Q’₂＝“0”→“1”；Q₂＝“0”通过D₂箝位，停止测距脉冲发送，刚好完成车间距离一个测量周期，5001计数结果就是实测车间距离高4位十进制结果，再用七段译码、用数码管最大显示：99.99m；999.9m这4位实测距离已足够。

Q’₂＝“0”→“1”通过c₉R_c微分输出，除对4518第15清“0”外，给DW₁第4脚触发使其又重新处于暂稳态，自动控制开始下一测量周期，这样周而复始地测距并控制显示。

解码计数不能恰好为9时，即车间距离不在测量范围内不能强制DW₂翻回稳态，待暂稳到达设计时间如设计为1.5[s]时DW₂自动翻回稳态，仍进行周而复始地自动测距、测距结果自动显示，并反馈输出给比较器。

用F₁F₂是为增大加在超声波发生器B₁上交变电压，F₁F₂F₃F₄用4049或4069，用逆变电源分别用7808和8709稳压后相加17V电源供电。这种方案测距就能超过93117109、93223143专利测距最大150-200m距离。此外还有次声载波方案，即用胶把B₁牢靠地粘贴在次声波发生器的本体上，例如喇叭的纸盆上。

Claims (10)

1、一种汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于包括：车速检测BCD码转换器、存储器或函数发生器及修正单元、测距仪、比较器、控制器含加法器、逻辑控制开关、风油门及刹车电磁执行装置、刹车控制器、最高车速给定装置与比较器和报警控制显示单元；

所述车速检测BCD码转换器获取本车车速并转换为BCD码送到存储器或函数发生器及修正单元；

所述存储器或函数发生器及修正单元至少包括一存储器或函数发生器、比例运算器，车速检测BCD码作存储器的地址码或函数发生器的输入，存储器或函数发生器输出的安全车距经比例运算器进行修正后送比较器；

所述测距仪包括超声波测距仪，用以获取本车与前后车或障碍物之实际车距，输出送比较器；

所述比较器将输入安全车距给定值与输入测得的实际车距进行比较运算，输出误差至控制器；

所述控制器含加法器是对所述比较器的输出误差进行比例微分PD或比例积分微分PID运算的运算器，其运算结果分三路输出：一路经逻辑控制开关送风油门电磁执行装置、二路经刹车控制器送刹车电磁执行装置、三路送报警控制显示单元；

所述刹车控制器由防抱死方波发生器、加法器、比较器组成，比较器接控制器给出越限刹车信号，控制加法器输出防抱死方波与越限刹车信号之和送刹车电磁执行装置、并送逻辑控制开关“0”、“1”控制信号；

所述最高车速给定装置与比较器包括一最高车速给定电路和一比较器，最高车速给定电路给出限制最高车速设定数码或模拟电压值，比较器对最高车速设定值与实际车速值进行比较，并将结果输出给逻辑控制开关；

所述逻辑控制开关根据控制器、刹车控制器、最高车速给定装置送入控制信号分别进行比较逻辑判断，结果对风油门电磁执行装置控制通路给出接通与断开的控制；逻辑控制开关包括有人控优先自动切换开关，用于在防撞自动驾驶和司机驾驶之间自动切换。

2.根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述的存储器或函数发生器及修正单元至少包括一存储器或函数发生器、比例运算器，所述存储器存储安全车距值、函数发生器输入车速输出安全车距或输入安全车距输出车速，车速检测BCD码转换器输出作为该存储器存储单元的地址码或函数发生器的输入，存储器或函数发生器输出的安全车距经比例运算器进行修正后送比较器作闭环控制系统给定值，构成必须的给定值正反馈通路；所述函数发生器即可硬件制做，也可软件编程实现。

3、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述的测距仪包括超声波测距仪，由超声波发送与接收器、超声波发生器、单稳触发器、计数器、比较器、门控电路、1-3位十进制编、解码超声波发送与接收控制电路，数控增益编程放大器、温度自动补偿测距脉冲发生器组成；在单稳触发器、计数器、比较器、门控电路、1-3位十进制编、解码超声波发送与接收电路控制下，超声波发送器发送十进制编码超声波，反射回波由超声波接收器接收、放大、比较器比较微分输出送十进制解码后输出控制信号，即完成一个测量周期时间T，在T时间内测距计数器对测距脉冲发生器发出的2分频脉冲计数，计数结果即是实测车距离；还在于采用增大加在超声波发生器B₁上交变电压幅值、次声载波发送超声波增大测距距离达超150-200m。

4、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述的PID控制器＝K_P+K₁×1/S+K_bS＝16×10⁵ω_n ²+ω_n ³/S+2400ω_nS，对汽车或其它2阶对象＝1/S²的控制是III型闭环系统：[2400ω_nS+16×10⁵ω_n ²+ω_n ³/S]/[2400ω_nS+16×10⁵ω_n ²+ω_n ³/S](1)，所述的III型闭环系统必有由积分控制器决定一对为0的极、零点相消，其动态性能完全取决于PD控制器＝K_P+K_DS＝16×10⁵ω_n ²+2400ω_nS，快速跟踪性能取决于无阻尼自然频率ω_n的取值：100＞ω_n＞0、当ω_n＝1增大到10，无振荡、无超调量的单位阶跃响应零稳态误差时间加快10倍为0.00065[s]，系统稳定裕度提高10倍。

5、根据权利要求1或4所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述的控制器PD＝K_P+K_bS＝a₁ω_n ²+a₀ω_nS，或控制器PID之中的控制器PD＝a₁ω_n ²+a₀ω_nS，当 $a_0/\sqrt{a_1}\≥1.739,$ 满足对汽车或其它2阶对象＝1/S²闭环控制的无振荡、无超调的要求；当 $a_0/\sqrt{a_1}\≥14.66,$ 、a₀＝44000，满足对汽车或其它2阶对象＝β/S²，其中β＝0.015---1000变化66666.6倍而无振荡、无超调性能不变、只是过渡时间相差14ms的闭环控制；所述PD控制器的控制性能完全取决于a₀、 ω_n的取值，所述PD控制器构成闭环系统输出对2阶受控对象的比例微分2个状态负反馈闭合回路所必要的结构。

6、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于还包括显示装置，显示装置的输入分别与存储修正单元、测距仪的输出连接，用于显示安全车距与实际车距。

7、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述风油门及刹车电磁执行装置由三极管电流放大器、通电线圈、磁铁构成。

8、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述逻辑控制开关包括人控优先自动切换开关由6个串联的常闭开关(k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆)组成其中常闭开关(k₁、k₂、k₃、k₄)4个两两串联分别暗装在风油和刹车脚踏板钻孔中，常闭开关(k₅)与转向灯开关接成其中一开关与另一开关完全相反的开关状态：转向灯断开，则常闭开关(k₅)通；转向灯通，则常闭开关(k₅)断开，常闭开关(k₆)暗装在离合器脚踏板钻孔中，脚踏其中任一踏板时串联开关断开，都自动优先切换为人控；脚离踏板并转向灯复位时自动切换为防撞全自动驾驶仪控制自动驾驶。

9、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述最高车速给定装置与比较器可用数码拨盘、10线-4线BCD优先级编码器给出最高限速BCD数码，或用电位器给出限速模拟电压，作为比较器的给定值。

10、根据权利要求1所述的汽车防撞全自动驾驶仪，其特征在于所述报警控制显示单元当PD或PID信号越限时报警；还在于报警判别电路可采用数字比较器、或模拟比较器、或单片机运算，比较设定的各自不同阀值门限是否越限，还可计算越限次数，根据不同越限及越限次数分别不同报警；报警方式为声、光并用，四种报警均采用4或5只数码管闪烁显示和通过语言芯片发声报警。

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