1. 研究目的与意义（文献综述）

1、目的、意义及研究现状

1.1研究背景及意义

目前随着我国高速公路的迅速发展和汽车保有量的显著增加，高速公路的交通安全问题已成为我国迫切解决的大课题。我国每年都会发生大量的交通事故，每年的交通事故伤亡人数也是惊人的，交通事故造成的经济损失也非常巨大。为此，世界各大汽车厂商及相关研究机构不断致力于汽车电子技术的研发创新，希望通过改善汽车安全性能和开发汽车辅助驾驶系统，从而达到减少甚至避免交通事故的发生。在汽车辅助驾驶系统中，已经开发出了定速巡航控制系统（Cruise Control System，简称CCS），可以让驾驶员在不用踩油门踏板就自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶。安装了这种装置的车辆，当在高速公路上长时间行车时，驾驶员就不用再去控制油门踏板，减轻了疲劳，同时减少了不必要的车速变化，节省燃料。

作为一种辅助驾驶系统，定速巡航系统只能够按照驾驶员设定的速度值行驶，功能单一。当前方出现车辆或是障碍时，还需要驾驶员进行刹车制动或是减速行驶。为了进一步提高车辆智能化程度，由定速巡航控制系统发展而来的自适应巡航控制系统（Adaptive CruiseControl System，简称ACCS），可以通过传感器（通常为毫米波雷达或激光雷达等）探测前方一定距离以内的物体，并精确计算出它们与汽车之间的相对距离和相对速度，然后结合自身速度计算实现车速或安全车距所需要的油门和刹车的控制量，进而通过车载控制系统主动干预车辆的纵向控制，其原理如图1-1所示。如果车辆与前车距离小于预设的安全距离，车载控制系统会迫使车辆减速，避免两车发生追尾事故；如果前后两车之间的间隔距离足够远，车载控制系统又会把车辆加速到设定的速度。汽车巡航控制系统自20世纪70年代起各大汽车厂家都争相研制并装在较高级的轿车上，到了80年代中末期，由于微处理器在汽车上的广泛应用和高速公路建设的迅速发展，使得它更加完善。到20世纪末以及目前展出的21世纪汽车，该系统真可谓日臻完善，系统电路集成化水平提高，控制模块体积精巧，多路传输系统日渐成熟，自检系统更准确有效，定速巡航系统逐渐发展到自适应巡航系统。最初的自适应巡航系统仅仅适用于车速高于40km/h的情况，而现在自适应巡航控制系统已经发展到车辆的起停控制(Stop and Go, 简称SG)，碰撞报警及避免等。这将大大增加自适应巡航控制的使用范围，使得自适应巡航控制系统用于城市车辆的可能性增加。

图1-1车辆自适应巡航控制系统原理图

随着自适应巡航控制技术的逐渐成熟，该系统已经广泛应用在车辆中。特别是欧洲的奔驰、宝马、奥迪、沃尔沃等轿车均装用了自适应巡航控制系统，日本高速公路的迅速发展使得自适应巡航控制系统的装车率也不断得到级轿车已经把自适应巡航控制系统作为配备设备或备选设备。例如美国别克、凯迪拉克、提高，如日本皇冠、佳美、雷克萨斯等轿车也配备自适应巡航控制系统。而自适应巡航控制技术在国产车中的应用，无论从产品开发还是技术研究上来说，都还处于起步阶段，国产车中的顶级车型也只是配备定速巡航系统。

目前，自适应巡航控制技术已经发展成为车辆辅助驾驶系统的核心技术之一。它可以主动探测到前方车辆（也称为目标车辆，target vehicle）和障碍，使用车辆纵向速度控制技术，将目标车辆和宿主车辆（host vehicle）保持在合理的速度和安全的距离。在事故发生前提醒驾驶员潜在的危险，在紧急状况下自动采取制动等安全措施，提高车辆的安全性。作为一种自动驾驶技术，自适应巡航控制系统可以代替驾驶员进行加减速操作，大大减轻了驾驶员的驾驶强度。同时系统还可以对不同状态下车辆的极限加速度进行限制，提高车辆乘坐的舒适性 ,在定速巡航的状态下，避免了车速的变化，节省燃料。最近研究表明，高速公路上装有自适应巡航控制系统的车辆比例若达到1/4，还可以有效减少汽车拥堵和降低道路安全事故。

1.2研究目的

自适应巡航控制系统（ACC）作为现代先进的汽车安全控制系统（AVCSS）是一个重要的发展方向，它是在开发传统巡航控制技术中，基于定速巡航控制系统的功能，而且也具有应用汽车车轮速度传感器的车速反馈信息自动调整车速保持本ACC系统车辆与前方车辆的安全车距，可以有效地降低驾驶员的驾驶强度，提高司机的驾驶环境，减少交通事故。

1.3国内外的研究现状

汽车自适应巡航控制系统是传统的巡航控制系统的进一步发展，目前已成为驾驶员辅助驾驶系统的重要组成部分。汽车巡航控制系统(Cruise ControlSystem)起源于二十世纪七十年代的美国，是指汽车在行驶过程中，不需踩动加速和制动踏板，通过调节发动机节气门的开度使汽车保持驾驶员预先设定的行驶速度定速行驶。汽车巡航控制系统发展至今已有30多年，它经历了机械控制、晶体管控制、模拟式微机控制和数字式微机控制四个阶段。50年代末到70年代中期，美国和日本相继出现了以模拟电路为基础的定车速控制系统。日本丰田公司从1965年起就开始在汽车上装用机械控制的巡航系统，后来德国VDO公司又研制出了气动机械式巡航控制系统。1968年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航系统并在莫克利牌汽车上装用。到70年代中后期，随着单片机技术的发展，出现了以数字技术为基础的巡航控制系统，模拟式微机控制的巡航系统已普遍采用。从1981年起，开始采用数字式微机控制的巡航系统。80年代末期开始，国外又开始发展以智能化为核心的自主式智能化巡航控制系统也就是自适应巡航控制系统。

汽车巡航控制系统实现了汽车在高速公路上的定速巡航行驶，其结构如图1-2。由图可见，控制器有两个输入信号，一个是驾驶员预先设定巡航速度;另一个是在汽车行驶过程中，车载速度传感器实时采集的汽车实际车速信号，由车速传感器检测后反馈给控制器。控制器检测两个输入信号之间的偏差，经计算产生一个送至发动机节气门电控机构的控制脉冲信号，执行机构根据所接收到的控制信号调节发动机节气门开度来改变发动机转速及输出功率，使车速达到并保持设定的巡航车速。汽车巡航控制系统减轻驾驶员操作负担，提高车辆行驶安全性及乘坐舒适性，但其本身也存在着不足。当遭遇突发情况，如前车制动减速或其它车道的车辆以小间距切入时，需要本车减速以避免碰撞，巡航控制系统无法做出相应的反应，只能由驾驶员踩动制动踏板终止巡航控制系统，

图1-2定速巡航行驶结构图
再人工完成减速避撞的操作。传统巡航控制技术的这一局限性，以及汽车使用者对汽车行驶安全性与乘坐舒适性的要求的进一步提高，产生了新一代汽车巡航控制技术一一自适应巡航控制。从目前汽车电控系统研究的分类角度讲，汽车自适应巡航控制系统是驾驶员辅助驾驶系统的一个重要组成部分。驾驶员辅助驾驶系统是指利用传感器系统感知到的道路交通环境信息，通过车载微处理器获得行驶信息，并进行控制指令的自行决策和规划，给驾驶员提出驾驶建议或部分地替代驾驶员进行车辆控制操作。辅助驾驶系统将汽车行驶时周围的环境和车辆本身有效的联系起来，且具有一定的决策控制能力，在驾驶员无法做出正确反应的紧急状态下，或者是交通状况较为简单的条件下，部分替代驾驶员操纵汽车，减轻驾驶员的操作负担，提高车辆的乘坐舒适性，弥补驾驶员决策和操作能力的不足，提高汽车的行驶的综合性能。

目前的驾驶员辅助系统主要包括防碰撞预警系统(ForwardCollisionWarning、准确泊车系统(Precision-Docking System、车道保持系统(Lane-Keeping System、精确机动系统(Precise ManeuveringSystem)、嗜睡警示系统(Drowsy Driver Countermeasures)以及自适应巡航控制系统等。其中自适应巡航控制系统由于其显著提高车辆行驶的主动安全性、乘坐舒适性和行车经济性等性能，受到广泛的关注。汽车自适应巡航控制的概念最早是在上世纪60年代提出的，但由于当时的电子信息技术、传感器技术与其它硬件技术水平的限制，并没有得到汽车研究人员的重视，也没有在汽车上实际应用。到上世纪80年代中期至90年代初，随着各国对智能运输系统及智能车辆研究的兴起，逐渐得到了国外汽车生产厂商及研究人员的重视。如美国的PATH项目，欧洲的PROMETHUES, T-TAP,PROMOTE-CHAUFFEUR等项目以及日本的ASV项目等都有针对汽车自适应巡航控制或类似汽车纵向控制的研究内容，并做了大量的实车试验，推动了汽车自适应巡航控制系统的发展与应用，但此阶段汽车自适应巡航控制系统并没有作为一个成熟的车用电控系统装车。1995年，三菱公司首次将装配有自适应巡航系统“Preview DistanceControl”的样车投放市场，该系统已经具有现代自适应巡航控制系统的雏形。1998年，丰田公司在其生产的豪华轿车Progres上安装了使用激光雷达测距传感器的自适应巡航控制系统;1999年，Jaguar公司与Delphi公司(提供雷达传感器单元)，TRW公司(提供制动控制单元)以及西门子公司(提供发动机节气门控制单元)合作共同开发了汽车自适应巡航控制系统。2000年，凌志公司及奔驰公司也分别推出其自适应巡航控制产品，分别作为Lexus LS430及Benz C级及S级轿车的选配件。此外，国外一些汽车电子公司也参与了车辆自适应巡航控制系统的研究工作，如WABCO公司推出的汽车自适应巡航产品采用毫米波雷达作为检测两车相对距离与相对速度信息的传感器，具有巡航、自动车间距调整及危险状态报警的功能;Eaton公司也于2002年推出与碰撞预警系统集成在一起的“SmartCruise”自适应巡航控制系统;其它如Delphi公司、Bosch公司等都推出相应的汽车自适应巡航控制系统。国内对汽车自适应巡航控制系统的研究主要集中在一些高等院校和科研机构，如清华大学、北京理工大学和吉林大学等汽车相关的院系，正对汽车自适应巡航控制系统及相关技术进行着研究与开发，并取得了阶段性的进展。

汽车自适应巡航控制系统主要由信息感知单元、控制单元、执行单元和人机交互界面构成，其结构如图1-3所示。控制单元根据雷达传感器和车辆状态传感器传递的本车和本车道上前方车辆的行驶信息，通过对本车行驶工况的分析，决策出对汽车的控制作用，输出控制信号给节气门控制机构或制动执行机构，保证本车以设定的巡航车速行驶或与本车道前车保持一定的安全距离行驶。

图1-3

目前，对汽车自适应巡航控制系统的研究受到国内外研究机构的广泛关注，尤其是对汽车自适应巡航控制系统控制方法的研究。以下列举一些现有汽车自适应巡航系统的控制方法:

（1）韩国现代汽车公司与汉阳大学合作开发的汽车ACC系统控制算法中理想加速度的获得采用了P控制;韩国汉阳大学在汽车ACC系统研究中将控制工况分为距离控制、速度控制、定速巡航控制。

（2）欧洲PROMETHEUS项目在MAN客车开发的汽车ACC系统控制器，将交通工况分为自由、跟随、切入工况，针对不同工况设置简单的线性控制器。

（3）美国PATH项目中开发的汽车ACC系统中采用滑模控制方法对车辆进行纵向控制，并将控制工况分为驱动控制与制动控制。

（4）德国巴伐利亚研究中心和BMW研制的汽车ACC系统控制算法为模糊查表法。

（5）西班牙科学研究委员会AUTOPIA项目建立了具有PD模糊控制器的汽车ACC系统。

（6）吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室基于“驾驶员稳态预瞄动态校正假说”建立的基于最优预瞄加速度模型的汽车ACC决策与校正控制算法。

汽车ACC系统已得到了充分的发展，但在某些性能方面还有待加强。汽车ACC系统未来的发展趋势如下:

（1）环境信息感知环节

如何提高恶劣天气下汽车ACC系统的稳定性，确定主目标并对其进行跟踪，弯道工况时对主目标的跟踪和根据主目标的跟踪判断出前方是弯道路况，减少系统的误报率更好的确定汽车未来的行驶状态

（2）集成化

汽车ACC系统还会同防抱死制动系统和防滑控制系统以及发动机电控系统集成起来，有助于降低成本增强各系统间的内在联系，充分利用各种车辆信息，从而提高系统的稳定性和可靠性。

（3）走停控制

走停控制是汽车ACC系统针对车速低、车距近的行驶情况所做的功能扩展。同时，还向汽车ACC系统提出了增加车辆的自动起步和自动泊车功能。这样既使在堵车情况下也无须驾驶员参与，驾驶员只需操纵车辆的转向，可以从烦琐的停车、起步驾驶操作中解放出来。走停控制作为低速巡航具有重要的实际意义，可以很大程度地避免汽车在二、三级公路上发生交通事故。2004年9月，日本欧姆龙公司推出具备新一代激光传感器的汽车ACC系统，配有激光传感器和交流发电机式起动机的汽车，在经过短暂的停止后，如前面的车辆突然启动，也能够很快启动，提高了车辆在走停工况下的性能。

（4）协同自适应巡航控制

协同自适应巡航控制(Cooperative Adaptive Cruise Control简称CACC)是指将装配自适应巡航控制系统的汽车通过V-V C Vehicle-Vehicle)或R-VC Roadside-Vehicle)无线通讯设施相连接组成协同控制自适应巡航控制系统。汽车不仅可以根据雷达传感器感知前方环境，还可以通过无线通讯获得前方车辆和其它相关车辆的信息，使彼此“相连”的车辆协同的完成控制操纵。这种汽车ACC系统的应用可以提高高速公路的效率、行车的安全性和乘坐的舒适性，正逐渐受到人们的关注。

2. 研究的基本内容与方案

2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

主要内容:

本文主要内容放在车辆数学模型建立和上下层控制器的设计。文章共分为五个部分：

3. 研究计划与安排

时间	任务
2018/3/22	完成开题报告
2018/3/28	完成英文文献资料的翻译
2018/4/8	完成总体方案的设计
2018/5/20	完成系统软硬件的设计
2018/6/1	毕业论文提交

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 孙涛，夏维，李道飞.基于模型预测控制的协同式自适应巡航控制系统[j],中国机械工程, 2017,28 (4):486-491.

[2] 李朋, 魏民祥, 侯晓利. 自适应巡航控制系统的建模与联合仿真[j]. 汽车工程, 2012, 34(7):622-626.

[3] 党睿娜. 具有换道辅助功能的车辆自适应巡航控制[c], 清华大学, 2013.