車輛主動防碰撞控制系統的設計

輝輝仔

引言
: h6 r; ^' T0 [$ L& O0 t0 e# R3 C隨著社會的不斷進步，汽車正為越來越多的人所使用，而相應的，交通事故也越來越多。全球每年由交通事故造成的人員和財產損失的數目是驚人的，因此，車輛安全問題已引起人們的高度重視。對大量交通事故的分析表明，80%以上的車禍是由於駕駛員反應不及時引起的，超過65%的車輛相撞屬於追尾相撞，其餘則屬於側面相撞和正面相撞。有關研究表明，若駕駛員能夠提早1 s 意識到有事故危險並採取相應的措施，則90%的追尾事故和60%的正面碰撞事故都可以避免。

, ]' b6 d7 U. _6 c( v現代的交通系統和未來將要出現的自動車輛系統(AVS)均要求建立智能交通系統(ITS)，以便於對車輛進行交通監視和跟蹤以及多傳感信息融合。未來AVS異類傳感器包括視頻傳感器、激光掃描儀和雷達傳感器等，融合的目的在於把目標輸入到路徑規劃與制導系統中去。而基於多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統，就是根據多傳感器接收到的車輛前方目標信息和本車的狀態信息，利用多源信息融合技術，識別出本車前方車輛的距離和速度等狀態信息，並進行碰撞危險估計的。舉例說，若車間距接近臨界距離時，發出報警信號，提請司機注意；若車間距小於臨界安全距離時,則啟動制動系統，以避免碰撞的發生．
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顯然，基於多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統是一種主動式的防撞、防抱死的汽車安全系統，它使反應時間、距離、速度三個方面都能得到優化控制，可減少駕駛員的負擔和判斷錯誤，對於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生。同時也為提高使用車速、增加道路通行能力、實現自動化駕駛等奠定了良好的基礎。

# M0 s4 W" ^' l+ l基於多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統的組成和功能
汽車防追尾碰撞控制系統是一種主動安全系統。在正常行駛時，該系統處於非工作狀態。當本車的車頭非常接近於前車的車尾時，該系統將發出防追尾警告。在發出警告後，如果駕駛員沒有採取制動減速措施，該系統便自動啟動緊急制動裝置，以避免發生追尾事故。
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汽車防追尾碰撞控制系統具有三種功能：即環境監測功能、防碰撞判斷功能和車輛控制功能。

a 行車環境監測系統
行車環境監測系統由環境探測系統和車況探測系統組成。環境探測系統由測量車間距離和前面車輛方位的毫米波雷達、激光雷達、CCD攝象機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是實現汽車防碰撞的關鍵技術。傳感器性能的優劣將直接影響整個系統的性能，只有提高傳感器的可靠性，才有可能減少系統的虛警率。從表1可知，微波傳感器（雷達）的性價比較高，因此一般選擇工作於毫米波的微波傳感器作為主傳感器，配置以圖像、路面傳感器等作為輔助傳感器來實現對車前障礙物的檢測。毫米波雷達安裝在車輛前端的中央位置上，激光雷達安裝在毫米波雷達的兩側，它們的主要功能是測量本車與前車的距離和前面車輛的方位，並把所測數據傳輸到防碰撞判斷系統；CCD攝象機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信息，車況探測系統檢測本車的速度、加速度和其他狀態信息，所有信息都將被送往防碰撞判斷系統。
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+ w" q  |0 T/ l2 I7 A# ?$ u& ub 防碰撞判斷系統
9 ]- E1 k% `( h6 K+ s防碰撞判斷系統由目標識別系統和危險估計系統組成。目標識別系統將毫米波雷達、激光雷達、CCD攝象機等傳感器的信息經融合處理後，估計出本車前方距離最近的車輛或障礙物的距離和相對速度，並將此信號傳送給危險估計系統。
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危險估計系統根據路面狀況（濕/乾）、本車的狀況（如車速、轉向角及橫向擺動速率）、距前車的距離和相對速度以及司機的反應狀況計算出“臨界車間距離”，並將實際測量的車間距離與臨界車間距離進行比較，在實際測量的車間距離非常接近臨界車間距離的某一時刻，報警器發出警告信號。當實際測量的車間距離等於或小於臨界車間距離時，自動啟動制動控制系統。
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c 有自動制動操作機構的車輛控制
' `) {' W) L1 ?- _# U3 i8 [, u國際公路委員會對駕駛員的反應時間做了調查，結論得出平均值為0.5∼3s。若駕駛員的反應時間是1.5s，那麼在汽車的車速為40Km/h時，反應時間內汽車的行駛的距離是16.7m；車速為80Km/h時，行駛的距離將達33.4m。自動制動系統的反應時間遠比駕駛員少的多，它的反應距離只有0.5 m。
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工作時，防碰撞判斷系統不斷地根據測出的兩車之間的距離、本身的車速、相對車速等有關信息，通過數據處理求出安全距離，並與雷達測出的實際距離相比較。如實測距離小於安全距離時，就發出報警信息，如駕駛員仍未採取措施，且安全距離小於極限安全距離時，系統通過執行機構對汽車的常規制動系統起作用，使汽車減速，當距離超過極限距離時，制動機構又恢復正常。

8 H' O5 n% ]. t$ U) p4 Q) d毫米波雷達
目前最受關注的傳感手段是運用毫米波進行測量的雷達系統。毫米波是指工作頻率在 30∼100GHz，波長在1∼10mm之間的電磁波。毫米波雷達（主要是9 4GHz）原來主要用於短程反裝甲武器系統，其功能就是精確測量目標的距離和相對速度。毫米波雷達可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，而惡劣的氣候環境正是導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的出現和應用，毫米波雷達的性能有了很大的提高，成本也有所下降，並且雷達的外型尺寸可以做得很小，便於在汽車上安裝。因此，毫米波雷達就成了汽車前視雷達的首選。為了在高速公路上及時發現前方的交通堵塞，汽車用毫米波雷達的探測距離必須在100m以上；為了覆蓋左右兩側的車道線，探測寬度必為3.5m；為了不把道路上方的標識和人行天橋也探測進去，上、下方要有與道路的升降相對應的3m左右的探測幅度。其主要指標如下：
①天線：尺寸要小、成本要低、性能要高，還要便於安裝和使用。
! [7 }0 p+ Z" [, [②工作頻率：毫米波雷達的工作頻率與其性能和價格相關。一般而言，頻率提高，目標的反射效果會更好，但信號的穿透力會減弱，測距範圍降低，器件成本增大。曾有工作於 24GHz，60GHz， 76∼77GHz的雷達樣機和成品的報道，現由於76∼77GHz毫米波雷達具有較好的性價比，國外目前多採用這一工作頻率。我國由於受到器件和成本方面因素的影響，目前傾向於採用35GHz的工作頻率。
③視角：視角就是天線波束的掃描範圍，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。如美國規定為1∼100m，歐洲規定為1∼150m，測距範圍的確定以保證車制動時兩車不會發生追尾碰撞為原則。
⑤測量的動態範圍：雷達必須有足夠的動態範圍，以保證對大小目標都能識別。
# S2 f, E& _$ g⑥分辨率：徑向距離分辨率達到1m即可。
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, h- @) j8 c7 P- O* [, q( O多傳感器融合策略
* K6 I0 y" m3 v% h多傳感信息融合（Multisensor Information Fusion）或稱多源信息融合是近年發展起來的一門新技術。信息融合是解決飛機、導彈之類飛行器航跡預測與跟蹤的一種行之有效的方法，而且也是智能信息處理領域最有前途的一個研究方向。從廣義角度講，信息融合普遍存在於自然界。例如，人類認知客觀世界，就是通過視覺、聽覺、觸覺、味覺和嗅覺等感官獲得信息，並經過大腦進行融合而得到認知結論。從狹義角度講，以不同的傳感器獲得同一對象的不同量測數據，利用某種算法獲得一個綜合信息，這就是數據融合。數據融合是信息融合中最簡單和最實用的一類方法，這種方法是基於估計理論的，特別是Bayes估計理論，並且主要針對的是同一類型數據信息。典型的應用就是目標跟蹤中的航跡預測，把來自不同監測裝置的數據進行融合，從而得到最好的估計結果。數據融合方法分為集中處理方式和分布處理方式，在目標跟蹤研究中，分布處理方式有其特殊的重要性。

汽車防碰撞系統的工作環境惡劣，干擾因素眾多，只用單一雷達傳感器做出判斷容易產生虛警，為了提高對目標的識別和估計能力，就要引入多傳感信息融合技術。其中，傳感器包括雷達傳感器、激光掃描儀和視頻傳感器等。把分布在不同位置的多個同類或不同類傳感器所提供的多源信息，進行綜合處理，其目的就是降低探測的不確定性，形成對系統環境相對一致的感知描述，以便得到一個準確可靠的分析和判斷結果，從而提高系統決策能力。
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; n0 i. E9 Q3 m; Aa 基於多傳感器信息融合技術的目標識別
汽車防碰撞系統的技術關鍵之一是目標識別系統。因為，雷達在向前方發射電磁波時，車前的所有物體如樹木、公路標誌、立體交叉、橋梁、架空電線等都會對雷達波產生反射。系統必須剔除那些虛假的，即不會引起碰撞危險的物體反射的信號，將那些真實的，即確有碰撞危險的信號檢測出來進行處理，才能準確工作，而不會發生誤動作。
/ m0 i5 a7 x9 n" o4 {5 T$ ]5 X　　為了消除或減少虛警現象的發生，除了在設計和選擇傳感器時要保證一定的技術指標外（如要求雷達的視角在一定的範圍內），還要利用其它傳感器的信息進行綜合分析和判斷。
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! ~% U: b, `( U1 ib 基於多傳感器信息融合技術的距離估計
" S. s8 Z2 f# n0 n8 S, X7 O從上面的介紹可知，本車與前車的距離是汽車防碰撞系統的一個重要參數，在計算臨界安全距離時，要根據它估算前車的速度和加速度，因此，該距離量的準確性將直接影響防碰撞系統工作的可靠性和準確性。

. a9 g* A5 `+ X  @3 _測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。它們的測量範圍、對環境的適應能力和對目標的反映能力也不盡相同，但是無論使用哪種傳感器去保證在整個測量範圍內測量的準確性和可靠性，都必須利用融合技術，這樣才能根據傳感器信息的互補性和冗余性，進行合適的數學處理，得到一個比較準確的距離值。
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c 基於多傳感器信息融合技術的危險評估
危險評估系統的核心就是根據路面狀況、本車的運行狀況、距前車的距離和相對速度以及司機的反應狀況綜合做出判斷，計算出“臨界車間距離”並將實際測量的車間距離與臨界 車間距離進行比較。
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0 U: w/ J  z. G( |# p, H. _: H“臨界車間距離”的確定必須考慮各個方面的影響，若司機的反應比較靈敏，或道路狀況較好，或本車的制動系統工作良好，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，以防碰撞的發生。
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小結
基於多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統研究的主要內容，就是探討關於多源信息實時融合的方法，其中包括多源信息實時融合的實時目標識別算法、多源信息實時融合的實時參數估計、多源信息實時融合的實時危險評估等，並將這些方法運用於工程實際。基於多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統所能達到的技術指標包括能在線實時採集數據，並完成目標識別和多傳感信息的融合處理；目標識別精度達到工業應用標準；能根據車輛目前的狀態和障礙物的狀態，進行防碰撞判斷；特別能對危險情況進行預警,當接近目標時發出報警信號，提醒司機注意。基於多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統的實施可以大大提高車輛運行的安全性，最大限度地減少交通事故的發生。特別是若把此方法應用於自動車輛系統（AVS），可以為車輛安全性帶來非常大的改善。