先进的车辆控制系统解析课件

1、智能交通系统(ITS)1第四讲智能交通系统的主要内容2第五节 先进的车辆控制系统AVCS3概 述1.先进的车辆控制系统的涵义先进的车辆控制系统(AVCS, Advanced Vehicle Control Systems)是借助车载设备及路侧、路表的检测设备来检测周围行驶环境的变化情况，自动控制驾驶以达到行车安全和增加道路通行能力目的的系统。该系统的本质就是在车辆 道路系统中将现代化的通信技术、控制技术和交通流理论加以集中，提供一个良好的辅助驾驶环境，在特定的条件下，车辆将在自动控制下安全行驶。其目的是开发帮助驾驶员实行车辆控制的各种技术，从而使汽车安全高效行驶。4概 述AVCS的核心内容是智

2、能汽车的研究与应用，这种汽车具有道路障碍自动识别、自动报警、自动转向、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制功能。目前，许多汽车制造公司已在他们的产品中使用巡航控制系统，系统允许驾驶员在不用踩脚踏加速器的情况下，保持一个预定的均匀速度。5概 述这对在交通量较小的道路上长途驾驶特别有用。当需要刹车和改变方向时，需要脱离巡航控制，还原为人工驾驶。巡航控制是AVCS的一种有限的功能。更高度的自动化驾驶将使车辆自动操作，这种车辆上装有各种传感器及通讯等设备，能够自动定位及探测道路上的障碍物，能够自动保持车辆间的安全距离，并能控制速度和方向，从而实现汽车安全行驶。6概 述AVCS另外一个显著的优点是

3、车辆可以以很小的间距和均匀的速度在装有特定设备的专用车道上行驶，这样在不发生拥挤效应的情况下，在相同的车道空间内，可以具有更高的车流密度，从而大大提高通行能力。总之，AVCS是应用传感技术、计算机技术、车载控制技术及定位技术等，使车辆安全、高效、自动行驶的自动控制系统，可以大大提高驾驶员的安全系数和行车效率。AVCS将是一个长期发展领域，也是 ITS技术中最复杂、最难实现的技术之一。7概 述2. 发展AVCS的目的19世纪以来，随着内燃机的诞生，人们发明了最现代化的交通工具汽车。经过近一个世纪的发展，汽车技术性能有了很大的提高，从而使汽车运输成为五种运输方式中的主要方式。与此同时，随着汽车数目

4、的大幅度增加，也带来了大量的负面效应，例如交通事故率上升、塞车、噪声、环境污染和能源消耗等。8概 述这一现实迫使人们改变以往单纯依靠增修道路或限制发展等办法来改善公路交通状况的思路，进而寻求采用高新技术来提高汽车性能，以解决因需求增长而带来的道路交通公害问题。而AVCS作为 ITS重要的组成部分，其重点是提高汽车行驶的安全性，通过减少可能发生的交通事故来提高交通通行能力，从而达到减少交通公害的目的。9概 述过去对汽车行驶安全的研究，所采取的措施大多是被动方法，例如，研究如何减少伤亡，如何减少事故的损失等。这些被动措施的采取无助于从根本上解决汽车安全问题。而AVCS则是主要采取主动措施，汽车靠电

5、子装备实现智能化，以其自身的智能来获取行驶环境信息，并加以判断，必要时系统自动控制车辆行驶，从而排除驾驶人员主观分析、判断的失误，从而达到避免事故发生的目的。10概 述实施AVCS将会带来如下好处:(1)增加公路的通行能力，减少道路阻塞，缩短行车时间。AVCS能使运行的车辆保持合适的最小跟车间距，保持车流稳定地前进，缩短行车耗时，缓解交通拥挤，提高道路利用效率，增加公路的通行能力。11概 述(2)降低事故率，提高行车安全AVCS可以通过显示或预警装置，给驾驶员提供足够的交通信息，帮助驾驶员作出正确的驾驶操作决策，在AVCS高度完善的情况下，可以将人工驾驶转为自动控制，防止因驾驶员疏忽和机件故障

6、造成的交通事故，并可提供适当的安全防护，当最终实现自动驾驶时，将完全排除人为因素而导致的交通事故，从而实现高效安全的行车秩序。12概 述(3)降低行车成本，提高行车效率在AVCS控制下，可以保持车流的顺畅，减少交通阻塞，减少由于车辆滞留在道路时间过长而导致的消耗过多，以及减少因频繁的踩油门与刹车所造成的能源消耗，提高行车能源利用效率。(4)降低废气排放量，减轻环境污染当车流顺畅、稳定地向前行驶时，排放的废气、噪声等环境污染较少，可达到减轻环境污染的效果。13先进的车辆控制系统的基本功能AVCS的基本功能系统主要包括:安全预警系统防撞系统视觉强化系统救难信号系统车辆行驶自动导航系统环保系统14先

7、进的车辆控制系统的基本功能1.安全预警系统AVCS中的车辆安装的车载设备，具有事故规避功能，包括安装在车身各部分的探测雷达、红外雷达、盲点探测器等设施，由计算机控制，在超车、倒车、更换车道、大雾、雨天等易发生事故的情况下，随时以声、光等形式向驾驶员提供车体周围必要的信息，并可以自动和半自动采取措施，从而有效地防止事故的发生。15先进的车辆控制系统的基本功能另外车载设备内，还可以存储大量有关驾驶员个人和车辆各部位的信息参数，对驾驶员和车辆进行随时检测调控。如当检测到驾驶员体温下降时，这通常表明驾驶员开始打磕睡，就会发出报警，提醒驾驶员注意，并采取措施。当检测到车内空气中酒精含量超标时，就会自动锁

8、住发动机。它对汽车主轴转速、轴温、燃油状况、轮胎气压、尾气排放等参数情况进行监控分析，必要时向驾驶员发出报警信号，可以预防事故的发生等。使原来很多由驾驶员人工关注的工作改由计算机完成，大大提高了汽车运行的安全程度。16先进的车辆控制系统的基本功能目前，具有安全预警功能的汽车，已由一些国家研制成功。例如，在日本丰田汽车公司研制成功的“丰田高级安全汽车”，它是根据日本政府“提高汽车的智能和安全性的高级汽车计划”，生产满足汽车的主动和被动安全要求的一部分工作。它具有驾驶员困倦预警系统、轮胎压力预报系统、发动机预报系统、车前灯自动调整系统、自动刹车系统、灭火系统等等，其中有些单项设备已投入市场。17先

9、进的车辆控制系统的基本功能2.防撞系统(1)纵向防撞系统纵向防撞系统主要是通过安装在车辆前后的磁性传感器和路面上安装的磁标相互作用或雷达探测器等的探测作用实现的，具体操作过程是利用传感器分别探测前后潜在的碰撞隐患或即将发生的碰撞事故，为驾驶员提供及时的回避操作指令，并自动控制车辆的加减速控制系统以保持适当安全车距，防止车辆与车辆、车辆与其他障碍物之间的正面和追尾碰撞。例如，雷达能判断和测试驾驶车辆相距另一辆车多远和相对于其他车辆的速度，如果车辆之间的距离小于安全距离，可以用亮灯或声音警告，也可以启动自动刹车以保持车辆之间的安全距离和车速。18先进的车辆控制系统的基本功能(2)侧向防撞系统侧向防

10、撞系统主要是利用车辆左、右两侧的传感器分别探测车辆两侧的路况，从而为欲改变车道和驶离道路的车辆提供适当的侧向安全间距，防止或减少两部或多部汽车发生侧撞，或驶离道路的车辆与路侧障碍物发生侧撞。(3)交叉口防撞系统交叉口处是碰撞事故发生的多发点。交叉口防撞系统主要是当车辆驶近和通过信号控制的交叉口时，将车载设备及通信系统所获得的情报进行处理后，判断出是否有发生事故的危险，据此对车辆进行控制，维护行车安全。19先进的车辆控制系统的基本功能3.视觉强化系统系统要求有车载式检测设备、屏幕显示设备及计算机处理设备，对检测信息进行处理，并以适当的、有助于驾驶员理解的方式显示信息于屏幕上，这有助于增强行驶环境

11、的可视性，对潜在信息(即具有隐蔽性的信息，如未按正常规律行驶的汽车，超高不足的弯道等)、微弱信息(即不易被察觉的信息，如黄昏、大雾或雨天等环境造成难以看清的障碍物等)加强视觉可知性，可大大提高汽车驾驶员对路况的观察及判断力，使驾驶员更好地遵守交通规则，从而提高汽车行驶的安全性。20先进的车辆控制系统的基本功能4.救难呼救系统救难信号呼救系统(Mayday Systems)是为了缩短事故响应时间，提高事故处理效率，尽量减少事故损失而研制开发的AVCS系统中的一个子系统。这个系统由GPS定位技术和GSM通讯技术及显示事故的电子地图等设备组成。当事故发生时，碰撞传感器会自动发出一个包括由GPS确定的

12、车祸位置的无线电信号，由GSM技术完成车辆与反应中心的信息传输。反应中心的电子地图可以准确地显示出信号位置 事故发生的地点。在AVCS中，车辆应用救难信号系统以后，紧急事故处理的响应时间可以减少45 %，幸存率可以增加7%12 %，也可以大大地减轻受伤的严重性。21先进的车辆控制系统的基本功能5.车辆行驶自动导向系统目前，各发达国家均大力研究汽车的导航系统，这也是智能汽车的一个组成部分。它由全球定位系统(GPS)、路侧通讯技术(GSM)技术、网络技术、电子地图、咨询引导系统组成，通过它寻找最佳行车路线，避开交通拥挤和发生事故的路段。驾驶员可以将目的地输人车内的电脑，提出要求，电脑便根据道路情况

13、、红绿灯数、速度限制等，选出最佳路径，并显示在电子地图上。它不仅使车辆避开拥挤阻塞的路线，还可以帮助疏散车辆，减轻驾驶人员心理负担，提供安全、舒适的行车环境。22先进的车辆控制系统的基本功能6.环保系统在智能汽车中，还有智能环保系统，由电脑检测控制燃油、排放等情况，以取得最佳排放效果。除此之外，目前各国还在大力发展研制太阳能、天然气、氢气等各种无污染的新能源汽车。另外，还研究开发低噪声汽车以减少噪声污染。智能汽车环保系统的研制与开发，是 AVCS研究开发的重要领域，可以减少排放及噪声污染，提高汽车的运行效率。23先进车辆控制系统的基本结构及工作原理1.实施AVCS的相关技术(1)决策和控制技术

14、此项技术利用车载微型计算机作为决策和控制中心，对收集来的车况、路况、环境等各类信息加以综合利用分析处理，以便做出最佳控制实施方案，并自动控制车上各个系统。(2)行驶状态监控技术此项技术的应用，可以监测汽车的行驶状态及工作状态，如轮胎压力、轴速、轴温等，还可检测出驾驶员的状况等，为决策提供必要的参数。24先进车辆控制系统的基本结构及工作原理(3)信息显示技术和通信技术利用LED,LCD或CRT等显示设备，作为文字、图形显示和状态指示，提供完善的信息给驾驶员。通信技术主要是利用无线电频道的规划与分配，配给调频技术，准确无误地传输语音、数据和图像等信息。(4)环境监测技术环境因素对汽车行驶产生的影响

15、很大，近10%的交通事故与环境因素有关，因此，利用有关的环境监测技术，可以随时检测出温度、风力、湿度等天气状况，废气排放等环境污染等情况。25先进车辆控制系统的基本结构及工作原理(5)路况检测技术路况检测主要应用于AVCS专用车道上，包括同轴电缆、磁性标记等。2. AVCS的结构和工作原理一个完整的AVCS是由智能车、智能车和辅助专用道路之间的通信系统以及智能车与智能车之间的通信系统所组成。其智能控制主要是通过利用智能车的智能来处理所提供的道路交通等信息而实现。从本质上讲AVCS就是由专用车道及智能汽车有机结合而形成的一个完整的运行系统。智能车的基本结构如图4.5.1所示，基本工作原理如图4.

16、5.2所示。26先进车辆控制系统的基本结构及工作原理27先进车辆控制系统的基本结构及工作原理28先进车辆控制系统的基本结构及工作原理AVCS发展的最终目标是实现车辆的自动驾驶，主要包括两方面的内容，即行驶速度和行驶方向的自动控制。29先进的车辆控制系统案例目前，AVCS的发展主要处在开发阶段，这在美国、日本和欧洲都差不多，各国都已有了许多AVCS的研究开发活动。下面就各个国家的发展状况，介绍一些典型的应用及研究实例。1.美国的PATH项目PATH项目是由美国加利福尼亚州支持的一个技术研究项目。在此项目中，AVCS的研究侧重于技术上的研究与系统集成。从系统集成角度出发，PATH项目的研究工作分为

17、两类:纵向行驶控制系统和横向行驶控制系统的研究。对于每一系统，研究项目都包括系统概念分析、系统配置、操作测试与演示和发展完善三个方面。30先进的车辆控制系统案例对于横向控制，PATH研究者主要设计了由路面参考线和车辆传感器组成的横向控制系统。路面参考线包括一系列安装在车道中间每隔一定距离(PATH项目中间距为1米)的永久性磁钉。车上安装了四个磁性传感器，两个放在纵轴上，另外两个传感器放在保险杠下面，一边一个，离中间的传感器大约30 cm。这四个传感器测得的数据被传输给计算机处理中心，处理结果将作为横向控制的依据。横向控制系统的作用是:在保证行驶质量的情况下，保证驾驶员和乘客的舒适性，使车辆运行

18、尽量靠近路中线。31先进的车辆控制系统案例在 PATH系统中，放在中间的两个磁性传感器检测路中央永久磁钉产生的水平和竖直方向的磁场，由此测定车辆中心线的位置。另两个在保险杠上的传感器测磁场竖直方向的分量。它们读取一系列磁场的极性，来提供道路几何信息，包括前方道路的半径和曲率等信息，帮助控制系统获得一个平稳的行驶。1990年，PATH项目和IMRA America公司联合进行了一个较大规模的AVCS试验。试验装置包括装有磁铁参考线的道路系统和试验车等。试验道路设在加州大学伯克利分校的一条480米长的试验路上，由两直线段和一个半径为9米的圆曲线组成，试验车装有航向传动装置、磁传感器和电脑控制台等装

19、置。32先进的车辆控制系统案例磁感应系统的测试表明，车辆位置离中心线25 cm时，系统误差为1 cm,当偏离量达到40 cm时，系统将报警。当速度从20 km/h到60 km/h，在曲线上达到的最大速度为50 km/h。这些测试表明，车辆在具有磁性标志的车道上行驶时，最大偏差为1015 cm。另外，为考虑全面性，在不理想的条件下也进行了测试。这些不理想条件包括增大装载重量、减小轮压、路面光滑、不正确的磁源位置和丢失磁钉等。车速定为40 km/h。测试结果表明，即使在不理想的状况下，车辆在试验路上的偏差也只是稍稍增加。总之，试验证明了系统概念和横向控制算法的正确性。33先进的车辆控制系统案例PA

20、TH项目的纵向控制是基于车队的综合联动控制的研究。车队联动运用了车辆之间的纵向最小距离概念，PATH项目的设计者对其进行了模拟和试验。综合联动控制系统包括一台电脑、一个通信系统、一个雷达系统、传感器和传动设备。传感器测车速、加速度、油门角度、刹车压力和入口常压温度。这些传感器测得的数据在经过处理后，产生刹车和油门传动的控制信号。34先进的车辆控制系统案例在PATH试验的开始阶段，试验用的小汽车装备了VORAD安全系统提供的雷达装备，实验时共用了4辆这样的小汽车。雷达系统提供中间车辆与前面车辆相对距离和距离比例，控制算法所需要的数据参照头车行驶的状况确定，这些数据由一个二波段无线频道在902 -

21、 928 MHz发送。速度和加速度值以120 kbit/s速率传送。后面的车辆使用这些测量值计算刹车或加减速的控制信息。35先进的车辆控制系统案例在一段11公里的路上，试验车以匀速行驶，领头车通过巡航控制，中间尾随车辆进行联动控制，分别以车间距21 m,15 m和9.14 m进行测试。在领头车从25 m/s到34 m/s进行加减速时，还进行了其他的一些试验。此项试验表明，AVCS能保证平稳行驶，并能用于标准化生产的小汽车。1997年在DEMO 97的演示中PATH试验车的自动驾驶表演更是令人叹服。36先进的车辆控制系统案例2.日本的先进的安全汽车ASV日本的先进的安全汽车ASV ( Advan

22、ced Safety Vehicle)项目是以安全技术为中心、谋求汽车智能化的国家性项目。1991年，由运输省、学者和汽车制造商组成的ASV推进研讨会发起了这个联合项目，1991 - 1995年完成了它的第一期研究开发计划，之后进行它的第二期计划。第二期计划的推进体制已经包含了所有政府部门。37先进的车辆控制系统案例第一期的ASV进行了4个领域20个系统的技术开发，如“事故预警技术”中的轮胎气压警报系统和磕睡中驾驶警报系统，“事故规避技术”中的车间距离控制系统，“冲突时的损害减轻技术”中的车辆冲击吸收结构，“冲突后的防止灾害扩大技术”中的灭火、解除门锁装置等系统。下面通过几个例子来说明ASV的

23、先进安全技术。38先进的车辆控制系统案例(1)轮胎气压警报系统因为在高速公路上汽车轮胎的异常是与重大事故密切相关的，所以必须在轮胎爆裂之前就将它的异常检测出来。和一般道路不同，在高速公路上不能停车检查，故在高速运行中，在车内不断检测轮胎空气压力、将事故防范于未然很有必要。丰田汽车装备的轮胎气压警报系统，当轮胎的空气压力下降时，就向驾驶员发出警告。它是利用轮速传感器测量各车轮的旋转速度的变化，然后计算比较，从而发现轮胎气压的下降，发出警报。该系统的特点是可以同时检测 4个轮胎的空气压力变化。39先进的车辆控制系统案例(2)磕睡中驾驶警报系统该系统是以检测驾驶员的磕睡状态(意识低下状态)，在使处于

24、磕睡状态的驾驶员清醒的同时，当驾驶员陷于不能安全驾驶时使车辆自动停下，试图减少事故为目的的系统。通过检测行驶状态和通过检测驾驶员的生理状态来检查驾驶员是否处于磕睡状态的方法很不相同。前一方法是:为测定修正操舵周期使用操舵角传感器;为检测对道路白线的偏移使用CCD摄像机;为检测车速的变化用车载导航器的速度传感器。40先进的车辆控制系统案例后一方法是:使用戴在驾驶员手腕上的心率传感器测其心率变化;使用CCD摄像机监视驾驶员的眼睛的运动。以上各传感器检知的信号由车载计算机处理，当超过了限定值时可判断为磕睡状态。此外，防止磕睡中驾驶的方法还有:通过内部仪表盘上的显示器用光、声形式发出警报，敦促驾驶员停

25、车休息;通过坐席振动或驾驶操纵杆振动或散发令人清醒的香气，提高驾驶员的清醒度;警告后若驾驶员仍处于危险状态的情况下，或者车辆自动操舵，或者一边向周围车辆发出危险灯信号促使其注意、一边自动刹车。41先进的车辆控制系统案例(3)车间距自动控制系统本田汽车装备的车间距自动控制系统具有检测驾驶横向摆动的功能。它是通过车载导航器的检测前进方向用陀螺仪检出车辆是否在晃动着前进。类似地，ASV中有好多功能并不是靠安装新的专用装置，而是利用已有的装置(如车载导航器)来实现。该车间距自动控制系统就是省去CCD摄像机，使用激光高性能雷达，综合运用各种传感器来检测车间距，这样花费7万日元就可实现检测车间距的功能，使车间距自动控制系统的费用降到原来