基于山区复杂路段下的车辆主动限速控制系统研究

汪旭，邵毅明，赵静

（1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

基于山区复杂路段下的车辆主动限速控制系统研究

汪旭1，邵毅明2，赵静2

（1.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

山区复杂路段交通事故频发，行车安全问题亟待解决，因此研究该路段下的主动限速控制技术具有重要意义。本文阐述了主动限速控制系统的原理与构成，并且对车辆的运行安全车速进行了分析与建模，提出了主动限速的控制策略。最后通过对该系统软硬件进行了调试，初步验证了其可行性比较合理，能够指导驾驶人的行车安全。

山区道路；主动限速；车速分析与建模；控制策略；软硬件调试

CLC NO.: U464.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-45-04

引言

随着国内经济的飞速发展和西部战略的大转移，我国的公路建设开始向西部及山区延伸，并且取得了瞩目的成果，随之而来的则是道路交通行车安全事故的频频发生。而传统的应对碰撞发生后的被动安全技术已经不能满足现代社会的需求了，研究主动安全技术新领域成了新的趋势。相关数据表明，尤其是在西部山区路段，由于道路线形复杂、坡弯组合过多，交通事故时有发生。

针对交通安全的车辆辅助驾驶技术，国内外的学者都对其进行了大量的研究。其中比较成熟的研究是ACC系统(自动巡航控制系统)，它将车辆定速巡航控制和车距保持控制技术有机结合，利用传感器技术，提高行车安全。但其在使用范围和功能上存在着一定的局限性，尤其是在弯坡路段的复杂情形下，传感器的灵敏度受到一定的影响，而不能及时获取道路信息，从而影响车辆保持最优速度行驶。总结国内外关于主动限速控制的相关研究，都忽略的道路环境的复杂性。

道路安全其实是一个复杂的系统，由“人-车-路-环境”组成，各个系统之间相互配合，紧密相连。国内的车辆辅助控制，没有综合考虑人、车、路系统，因此具有局限性。相关研究表明，超速行驶是山区事故频发的主要原因，因此研究山区弯坡复杂路段的主动限速控制系统有着重要的实际意义。基于交通安全，通过搭建辅助综合制动安全的平台，综合考虑人、车、路的关联，利用现代传感器技术、电子信息技术，主要研究车辆在弯道和坡道行驶时的主动限速控制系统，来提高危险路段的辨识度，为行车安全提供辅助驾驶功能。

1、车辆主动限速控制的原理与组成

1.1 限速控制系统原理

车辆主动限速控制系统利用现代传感器技术和电子控制技术，通过传感器采集车辆运行状态及路况信息，主要包括转弯半径、行驶坡度、行驶车速、车辆侧向加速度等，判断当前车辆行驶安全状态，当车辆险情发生时自动采取制动控制措施，降低车辆行驶速度，保证车辆在安全速度内行驶，提高车辆的安全驾驶性能，从而达到智能驾驶的目的。

该系统主要是将人、车、路的多种因素综合考虑，尤其是当车辆在山区弯道、坡道等危险路况下行车时，传感器采集道路信息及车辆运行参数，控制单元通过分析当前行驶数据，判断当前行车状态，并控制执行机构进行相应的限速控制。该系统能弥补目前市场上主动安全设备不能同步采集道路参数和车辆姿态的缺陷，通过实时辨识车辆行驶状态、预判驾驶行为，实时预警并主动实施限速。

1.2 限速控制系统组成

车辆主动限速控制系统主要由传感器、控制单元、执行机构三部分组成，其中传感器感知并采集道路环境与车辆运行参数，控制单元依据采集到的信息进行行车安全状态的判定，并依据算法向执行机构发出指令，最后执行机构接收指令并对车辆进行限速控制，从而确保行车的安全。其系统构成结构图如图1所示：

1.2.1 行车信息采集

传感器采集车辆行进中的信息，其中can总线采集车辆里程表中的车速信息，采用脉冲式测量法，利用磁阻式传感器作为车辆同步旋转的脉冲发射器，产生的车轮速与脉冲数成正比，根据比例计算出当前车辆的运行速度。其中车速的计算公式为：V = n1* 4 * C * 3.6/ n2。其中n1为单位时间内脉冲数，C为车辆周长，n2为齿轮一圈的齿数。其中，压力传感器置于发动机的进气歧管处，用来测量发动机的进气量，陀螺仪置于车内采集车辆纵向倾角,从而得出坡度，加速度计测量转弯路段上的侧向加速度大小。

1.2.2 控制单元处理信息与判断

传感器采集的信息传送给控制单元，控制单元分析并处理接收的信息，根据逻辑安全算法，判断当前行车的安全状态，并控制执行机构限速。山区弯坡路段，车辆高速行驶时，易发生交通事故。因此，我们基于在山区复杂路段下建立行车安全目标容许车速模型：

其中，θ为坡度，R为转弯半径，ay为侧向加速度,v为实际行驶车速, l为坡长。处理单元可以根据当前行驶的参数得出目标容许车速，与实际行驶车速之间进行对比判断，从而进行相关的限速操作。

1.2.3 限速执行机构

在危险路段车辆超速行驶时，电子控制单元计算出限速值与实际值之间的偏差，当驾驶员未及时做出反应时执行机构能采取主动限速控制措施。其主要是通过安装步进电机控制移动踏板拉杆，模拟驾驶人踏制动踏板减速。

2、山区弯坡路段车辆运动安全车速分析与建模

针对山区路段行驶安全，由于车辆在下坡和转弯时易出现超速行驶和发生侧翻可能性，因此我们主要考虑下坡路段和弯道路段两种路况。通过分析此路段下的车辆行驶受力图，利用车辆动力学的相关原理，得出车辆安全行驶车速，从而建立安全行驶的模型。

2.1 下坡路段

制动距离与行车安全密切相关，车辆在下坡路段行驶时，由于重力加速度沿坡面的分力，如果不采取制动措施，车速会迅速增加。坡度过长，也会使驾驶人行车中心理紧张，造成反应不及时，易使得车辆超速。因此，在下坡路段，驾驶人要充分考虑重力因素，合理控制车速。分析车辆在下坡路段的受力情况，如图2所示：

在下坡路段，制动距离与行车安全密切相关。根据汽车理论的相关知识，制动安全距离包括机械反应阶段和持续制动阶段。其中机械反应阶段制动距离,其中为驾驶人踩下制动踏板到产生制动力阶段的制动距离,为制动力增加到最大阶段的制动距离。其中：

S3为持续制动阶段的制动距离，t3为该阶段制动时间，该阶段行驶距离：

汽车下坡制动距离为：

进行单位换算km/h,得出安全距离：

的极限值，作为目标容许车速。下坡路段，由于重力分量的存在，其易导致车辆超速诱发事故。为了保证行车安全，建立安全行车模型：当车辆行驶的速度时，进行制动限制车速,即可保证安全行车，获得安全行车的范围。

2.2 转弯路段

转弯路段行车情况较复杂，危险主要集中在弯道上的侧翻与侧滑状态，这里我们考虑的路段是由一定倾角的弯道路段（弯坡组合路段）。当车辆在此路段行车时，汽车需要保持横向行驶稳定性，当车速较高时，其侧翻状态发生概率较大，且危险系数高于侧滑状态，是我们讨论的重点，如图3所示为车辆弯道路段的受力图。

车辆在弯道行驶时，由于离心力的作用，会导致内侧车辆的作用力向外侧转移。当离心力足够大的时，会使Fzi=0而产生侧翻，即其产生侧翻临界条件为Fzi=0。对图3中外侧车轮受力建立力矩方程：

3、主动限速控制策略研究

由于“人-车-路-环境”是一个复杂的系统，因此在山区路段行车时，道路环境、驾驶人等因素会相互制约，其都将影响主动限速控制系统的精确性。而且这些因素很多具有模糊性，例如道路环境的一些无法量化指标，驾驶人在实际的驾驶中的驾驶经验、心理因素、驾驶习惯等。因此为更好的提高行车安全中的控制精度，需要对限速控制系统进行控制策略研究。

本系统控制策略的研究重点是针对车辆在弯坡路段超速行驶时的合理制动，从而能够获得安全行车速度，其中道路环境对系统的干扰最大。为了提高控制精度，系统采用上下分层控制：上层主要根据车辆运行状态进行控制，获得理想车速；下层控制主要针对执行机构，来模拟驾驶员控制。其控制策略流程如图4所示：

其中X表示的是行车参数的输入到控制器中，行车中道路环境因素、驾驶人因素较多，这些因素的不确定性会使得制动控制时精度受影响。因此系统重点考虑下层控制，采用鲁棒控制器，是为了保证车辆在行车自我改善控制性能，降低这些因素的影响，从而来保证系统的鲁棒性。在采用鲁棒控制时，先确定控制变量的范围后，采用反馈补偿的方法，确保在道路环境（坡度、转弯半径、路况等）发生变化时，能够保证其限速的合理性。而自适应控制则是与鲁棒控制结合进行，基于概率控制理论，根据输出的安全速度模型，通过辨识机构的系统参数调整来修正控制部分的实际参数值，并根据参考模型得出的行车速度与实际速度差值计算，根据自适应的控制规则，不断调整差值，从而获得最优控制。

4、主动限速控制系统软硬件设计与调试

4.1 软硬件的设计

主动限速系统由硬件部分与软件部分组成，其中硬件包括PCB板中的陀螺仪，加速度计，步进电机，进气歧管压力传感器，拉线式位移传感器OBD车载诊断仪，语音报警装置等。软件是通过分层进行制动控制，包括信号层、控制层、执行层。其中将部分ARM芯片在PCB电路板上进行布置，通过搭建软硬件测试平台，完成道路测试前的准备工作。图5所示为系统硬件的实物图：

软件部分主要涉及到信号层、控制层、执行层部分，其中信号层部分主要是行车信息的采集，控制层部分通过建立模型，运用控制策略得到最优车速，执行层最后完成报警及制动踏板的控制。同时系统还包括一些调试的软件，如USR-TCP串口调试软件，以及用于编程控制的Keil uVision调试软件。图6所示为控制中心流程图。

4.2 软件的调试

本研究通过搭建的实验平台，通过软件调试驾驶员在超速行驶时的主动限速的及时性和可靠性。测试现场图如图7所示：将芯片控制器通过RS232数据线与PC机连接，通过WIFI与芯片进行数据的传输，通过在PC机中USR-TCP串口调试软件中输入行驶车速命令；同时将建立的安全车速模型写入Keil软件中，并确定车速区间，如图8所示为程序的编写与修改测试。通过反复的调试所编写的程序，将模拟的行车数据通过串口调试软件发送到芯片控制器中，来驱动步进电机的转动。同时不断的修改编写的程序，来完善系统的控制精度。调试结果表明；控制系统能根据给定的速度差与速度差变化率来控制步进电机，且准确率较高，达到了预期的控制效果。

5、结论

本文针对山区复杂路段提出了车辆主动限速控制的安全行车系统，并根据行车路况的复杂性，建立了弯道、坡道的安全车速模型，通过采用模糊鲁棒控制来提高控制精度；且初步搭建了软硬件的实验平台，通过系统的调试，结果显示系统反应较灵敏，基本能达到控制要求，实现了系统的主动限速控制。

该系统是车辆辅助安全驾驶的探索，能够减轻驾驶员的驾驶负荷，在结合“人-车-路-环境”多重因素下的道路交通安全行车的领域具有一定的研究意义。但由于实验条件的限制，该系统没能进行道路实验，也是今后需要进一步的探讨。

[1] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 李克强，王跃建，高峰等.基于ITS技术的汽车驾驶安全辅助系统[J]．汽车技术，2006(zl).32-35.

[3] Dave Crolla.车辆动力学及其控制[M].喻凡，译.北京：人民交通出版社，2004.

[4] 邵毅明，高红博.公共汽车主动速度控制系统研究[J].公路与汽运，2009.10-12.

[5] 苏宏业等.鲁棒控制基础理论[M].北京:科学出版社，2010.

[6] 李本旺.车辆辅助驾驶主动限速控制系统研究[D].重庆交通大学.重庆，2014.

[7] 徐慧芬, 唐伯明, 徐建涛.长大下坡路段交通安全分析[J].重庆交通学院学报，2007.26(1).78-79

[8] 吕先洋.车辆主动速度控制研究[D].重庆交通大学.重庆，2012.

[9] 徐进, 罗庆, 毛嘉川等.考虑弯道几何要素和交通量影响的汽车行驶速度预测模型[J].中国公路学报,2012,(5).48-51.

The Research of Car Initiative Speed Control System for the Complex Mountain Road

Wang Xu1, Shao Yiming2, Zhao Jing2
( 1. College of Electromechanical and Automobile Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074; 2.School of Traffic＆Transportation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074 )

In the complex mountain road, the traffic accidents often take place, so we should to solve the traffic safety problems. Therefore, study of the active speed limit control technology has important significance. In this article, we depicted the principle and structure of the active speed control system. And according to the vehicle safety driving speed, we are analyzing and modeling, and puts forward the control strategy of active speed limit. At last, when we are debugging the software and hardware of the system, we can verify the feasibility of the system, and it can guide the driver's driving safety.

Mountain Road; Active speed limit; Analysis and modeling of vehicle; Control strategy; The software and hardware debugging

U464.1

A

1671-7988(2015)06-45-04

汪旭，就读于重庆交通大学2013级硕士研究生，研究方向为车辆与道路安全。