車輛主動(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%以上的車禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及時(shí)引起的，超過(guò)65%的車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)車輛系統(tǒng)(AVS)均要求建立智能交通系統(tǒng)(ITS)，以便于對(duì)車輛進(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輛前方目標(biāo)信息和本車的狀態(tài)信息，利用多源信息融合技術(shù)，識(shí)別出本車前方車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事故的發(fā)生。同時(shí)也為提高使用車速、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輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)的組成和功能

　　汽車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)本車的車頭非常接近于前車的車尾時(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輛控制功能。

　　1、 行車環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　行車環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)和車況探測(cè)系統(tǒng)組成。環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量車間距離和前面車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。車輛的周邊傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車防碰撞的關(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)）的性價(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)車前障礙物的檢測(cè)。毫米波雷達(dá)安裝在車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)量本車與前車的距離和前面車輛的方位，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，車況探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)本車的速度、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)出本車前方距離最近的車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）、本車的狀況（如車速、轉(zhuǎn)向角及橫向擺動(dòng)速率）、距前車的距離和相對(duì)速度以及司機(jī)的反應(yīng)狀況計(jì)算出“臨界車間距離”，并將實(shí)際測(cè)量的車間距離與臨界車間距離進(jìn)行比較，在實(shí)際測(cè)量的車間距離非常接近臨界車間距離的某一時(shí)刻，報(bào)警器發(fā)出警告信號(hào)。當(dāng)實(shí)際測(cè)量的車間距離等于或小于臨界車間距離時(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，那么在汽車的車速為40Km/h時(shí)，反應(yīng)時(shí)間內(nèi)汽車的行駛的距離是16.7m；車速為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)出的兩車之間的距離、本身的車速、相對(duì)車速等有關(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)汽車的常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)起作用，使汽車減速，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，便于在汽車上安裝。因此，毫米波雷達(dá)就成了汽車前視雷達(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：

　　①天線：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)具有較好的性價(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。
　　④作用距離：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制動(dòng)時(shí)兩車不會(huì)發(fā)生追尾碰撞為原則。
　?、轀y(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。

四、多傳感器融合策略

　　多傳感信息融合（Multisensor Information Fusion）或稱多源信息融合是近年發(fā)展起來(lái)的一門新技

術(shù)。信息融合是解決飛機(jī)、導(dǎo)彈之類飛行器航跡預(yù)測(cè)與跟蹤的一種行之有效的方法，而且也是智能信息處

理領(lǐng)域最有前途的一個(gè)研究方向。從廣義角度講，信息融合普遍存在于自然界。例如，人類認(rèn)知客觀世界

，就是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官獲得信息，并經(jīng)過(guò)大腦進(jìn)行融合而得到認(rèn)知結(jié)論。從狹

義角度講，以不同的傳感器獲得同一對(duì)象的不同量測(cè)數(shù)據(jù)，利用某種算法獲得一個(gè)綜合信息，這就是數(shù)據(jù)

融合。數(shù)據(jù)融合是信息融合中最簡(jiǎn)單和最實(shí)用的一類方法，這種方法是基于估計(jì)理論的，特別是Bayes估

計(jì)理論，并且主要針對(duì)的是同一類型數(shù)據(jù)信息。典型的應(yīng)用就是目標(biāo)跟蹤中的航跡預(yù)測(cè)，把來(lái)自不同監(jiān)測(cè)

裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而得到最好的估計(jì)結(jié)果。數(shù)據(jù)融合方法分為集中處理方式和分布處理方式，在目

標(biāo)跟蹤研究中，分布處理方式有其特殊的重要性。

　　汽車防碰撞系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，干擾因素眾多，只用單一雷達(dá)傳感器做出判斷容易產(chǎn)生虛警，為了

提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和估計(jì)能力，就要引入多傳感信息融合技術(shù)。其中，傳感器包括雷達(dá)傳感器、激光掃描

儀和視頻傳感器等。把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類傳感器所提供的多源信息，進(jìn)行綜合處理，其

目的就是降低探測(cè)的不確定性，形成對(duì)系統(tǒng)環(huán)境相對(duì)一致的感知描述，以便得到一個(gè)準(zhǔn)確可靠的分析和判

斷結(jié)果，從而提高系統(tǒng)決策能力。

　　1、基于多傳感器信息融合技術(shù)的目標(biāo)識(shí)別

　　汽車防碰撞系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵之一是目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)。因?yàn)?，雷達(dá)在向前方發(fā)射電磁波時(shí)，車前的所有物

體如樹木、公路標(biāo)志、立體交叉、橋梁、架空電線等都會(huì)對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生反射。系統(tǒng)必須剔除那些虛假的，

即不會(huì)引起碰撞危險(xiǎn)的物體反射的信號(hào)，將那些真實(shí)的，即確有碰撞危險(xiǎn)的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)進(jìn)行處理，才能

準(zhǔn)確工作，而不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。

　　為了消除或減少虛警現(xiàn)象的發(fā)生，除了在設(shè)計(jì)和選擇傳感器時(shí)要保證一定的技術(shù)指標(biāo)外（如要求雷達(dá)

的視角在一定的范圍內(nèi)），還要利用其它傳感器的信息進(jìn)行綜合分析和判斷。

　　2、基于多傳感器信息融合技術(shù)的距離估計(jì)

　　從上面的介紹可知，本車與前車的距離是汽車防碰撞系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，在計(jì)算臨界安全距離時(shí)，

要根據(jù)它估算前車的速度和加速度，因此，該距離量的準(zhǔn)確性將直接影響防碰撞系統(tǒng)工作的可靠性和準(zhǔn)確

性。

　　測(cè)量距離用的傳感器有激光傳感器和毫米波傳感器，這兩類傳感器各有特點(diǎn)。它們的測(cè)量范圍、對(duì)環(huán)

境的適應(yīng)能力和對(duì)目標(biāo)的反映能力也不盡相同，但是無(wú)論使用哪種傳感器去保證在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量的

準(zhǔn)確性和可靠性，都必須利用融合技術(shù)，這樣才能根據(jù)傳感器信息的互補(bǔ)性和冗余性，進(jìn)行合適的數(shù)學(xué)處

理，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的距離值。

3、基于多傳感器信息融合技術(shù)的危險(xiǎn)評(píng)估

　　危險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)的核心就是根據(jù)路面狀況、本車的運(yùn)行狀況、距前車的距離和相對(duì)速度以及司機(jī)的反應(yīng)狀況綜合做出判斷，計(jì)算出“臨界車間距離”并將實(shí)際測(cè)量的車間距離與臨界 車間距離進(jìn)行比較。

　　“臨界車間距離”的確定必須考慮各個(gè)方面的影響，若司機(jī)的反應(yīng)比較靈敏，或道路狀況較好，或本車的制動(dòng)系統(tǒng)工作良好，則“臨界車間距離”可以取較小值；反之，“臨界車間距離” 則需取大一些的值，以防碰撞的發(fā)生。

　　五、小結(jié)

　　基于多傳感信息融合的車輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容，就是探討關(guān)于多源信息實(shí)時(shí)融合的方法，其中包括多源信息實(shí)時(shí)融合的實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別算法、多源信息實(shí)時(shí)融合的實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)、多源信息實(shí)時(shí)融合的實(shí)時(shí)危險(xiǎn)評(píng)估等，并將這些方法運(yùn)用于工程實(shí)際。基于多傳感信息融合的車輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)包括能在線實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并完成目標(biāo)識(shí)別和多傳感信息的融合處理；目標(biāo)識(shí)別精度達(dá)到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；能根據(jù)車輛目前的狀態(tài)和障礙物的狀態(tài)，進(jìn)行防碰撞判斷；特別能對(duì)危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)警,當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒司機(jī)注意?；诙鄠鞲行畔⑷诤系能囕v主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)的實(shí)施可以大大提高車輛運(yùn)行的安全性，最大限度地減少交通事故的發(fā)生。特別是若把此方法應(yīng)用于自動(dòng)車輛系統(tǒng)（AVS），可以為車輛安全性帶來(lái)非常大的改善。