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- UID
- 871057
- 性别
- 男
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应用领域：控制与仿真、汽车主动安全、低速控制、刹车控制
挑战：低速控制的速度控制范围小并且精度要求高。由于车身零部件属非线性时变系统，产生的累计误差对控制系统造成极大影响。因此需要对相关数据进行实时分析并要求系统作出快速响应，从而使车辆能以极低的速度平稳倒车。
应用方案：通过DAQ设备驱动超声波探头，并分析超声波的飞渡时间从而检测车辆与障碍物的实时距离。通过NI-USB8473与车载CAN网络实时通信，对车辆状态进行实时监测，并对获取的实时速度、实时障碍物距离和实时制动力等信息进行分类。Fuzzy-PI算法对信息进行分析处理，从而控制车辆相关设备快速响应。以此实现车辆低速平稳倒车，并在距离障碍物的安全范围内自动刹车确保车辆和驾驶员的安全。该方案已在长安志翔CV8上成功实现倒车自动刹车辅助系统相关功能，并对正在进行的全自动泊车项目的速度控制奠定夯实基础。
使用的产品：
LabVIEW 2010软件开发平台
NI DAQ平台
LabVIEW CAN模块
NI 8473
NI 9269
NI 9221
cDAQ-9178
正文：
一. 引言
随着工业化进程的不断加速，汽车已成为新时代的代名词。目前各国汽车的保有量均不断上升，同时由于汽车所导致的交通事故也呈现逐年上升趋势。据统计，在中国每三分钟发生一起交通事故，每五分钟有一人因交通事故而死亡。所以消费者在选择汽车作为代步工具时除了考虑外观和表面，亦对车身的安全性能给予更多的关注。自19世纪九十年代以来，驾驶员辅助安全系统得到迅猛发展。目前已开发出并安装于的辅助安全系统有电子辅助制动系统(EBA)、自适应巡航系统(ACC)、电子稳定性控制系统(ESC)、主动避撞系统(ABC)和自动泊车系统(ASC)等。上述辅助安全系统的主要功能大体可以概括成当系统检测到驾驶员或车辆处于危险情况时，系统提示驾驶员相关操作信息或直接制动车辆以防止碰撞的发生。
从技术层面看，多数交通事故发生关键问题即驾驶员无法准确控制车速和车—障碍物的距离，此问题在倒车过程中表现得尤为突出。例如，在倒车过程中驾驶员对车后存在视野死角和视线模糊的问题,使得驾驶员无法正确判断车辆与车后障碍物的实时距离，因此造成误操作从而导致各种擦碰事故频发，此类事故的频发降低了驾驶的安全性。
二. 倒车自动刹车系统的系统背景与设计原则
市场上的倒车刹车系统大体可分为两类：倒车雷达系统和倒车影像系统。倒车雷达系统利用超声波测距原理，在智能控制器的控制下，由装置于车尾的探头发送超声波信号，并接收经障碍物发射的回波信号，继而控制器进行数据处理从而计算出车—障碍物的实际距离。而倒车影像系统则是通过安装在车后的远红外线广角摄像装置，将车后的障碍物实时显示在车内显示屏上，使得车后的状况更加直观可视。目前的倒车刹车系统的本质是在倒车过程中系统将所探测的车后环境反馈给驾驶员并给予一定操作提示，而不直接介入车辆动力系统控制。当出现紧急情况或者驾驶员误操作时，依然无法避免碰撞的发生。因此为了提高驾驶员及车辆的安全性，新一代的倒车刹车系统的开发迫在眉睫。
新一代的倒车刹车系统的关键问题即如何更好的控制车速和车—障碍物的距离。Kyongsu Yi提出适用于Stop-and-Go(S&G)控制系统的车—车距离控制算法，此算法包含了距离控制及利用节气门及刹车控制以达到加速度轨迹追踪的目的。其控制器采用LQ最佳控制法则，在控制效果上，此算法提供了一个良好的距离控制性能，并且有效的克服建构模型的误差问题。但其无法控制车速维持在低速范围。Venhovens在此基础上改善了速度控制策略，从而提升S&G控制系统在低速范围的准确性。但其依然无法解决车辆匀速行进，由此产生的耸车降低了驾驶员的舒适性。所以车辆的低速控制，尤其在倒车过程中的低速控制，依然有待发展，同时也是新一代倒车刹车系统的核心所在。
由于低速控制的速度控制范围小、精度要求高以及实时性强。同时由于车身零部件属非线性时变系统，因此产生的累计误差对控制系统会造成极大影响。故系统在对车身状态进行实时监控分析的同时必须要求相应系统对控制指令作出快速相应。本文开发的新一代倒车刹车系统—基于LabVIEW的倒车自动刹车系统着重于改善车辆在倒车过程中以低速平稳倒车，以确保驾驶员的行车舒适度。同时，当检测到车—障碍物距离处于危险范围时，系统自动使车制动从而保证驾驶员及车辆的安全性。
倒车自动刹车系统的控制指标如下：
1)车速方面：①预定车速②实时车速③实时加速度④期望压力值⑤实际压力值
2)距离方面：①车—障碍物实时距离②预定警戒距离
三. 倒车自动刹车系统的总体设计
3.1 系统模块图
 图1 系统模块图
系统总共包括四个模块，分别是数据处理中心(DPC)、探测模块、刹车控制模块以及显示模块。DPC主要负责收集汇总实时数据并根据相关控制算法对其余各模块发出相应控制指令。探测模块通过NI设备驱动超声波传感器并将相关数据发送至DPC。刹车控制模块通过NI-8473与车载CAN通信无缝连接，返回车身实时状态信息至DPC并将DPC处理后的控制指令发送至车载相关设备，以此实现车载设备与LabVIEW平台的信息交互。显示模块基于LabVIEW平台显示车身实时数据以及测距模块的车—障碍物的距离，并可修改刹车控制算法中特征变量的参数大小。
3.2 探测模块设计
3.2.1 工作原理
大部分刹车系统传感器的探测范围在30cm至200cm之间，本系统选取性价比较高的超声波传感器测量距离。其探测范围为30cm至250cm之间，盲区为30cm。超声波传感器的工作原理及脉冲时序如图2、3。
图2 传感器工作原理图
图3 脉冲时序图
传感器的引脚定义如表1所示：
通过Time-of-Flight(TOF)算法计算发射波与接收波的时间差，从而得出超声波探头与障碍物间的距离，其距离计算公式如(1)式所示：
D=(c*t)/2 (1)
式中D为超声波传感器与障碍物的距离，c为声波在空气中的速度，t为发射波与接受波的时间差。
3.2.2 方案设计及指标设定
由图3可知超声波传感器的激励波脉冲时序在发射周期初始阶段连续发射14个40kHz的脉冲串后持续低电平至周期结束，属于非常规信号源，对外围硬件电路设计造成极大困难。针对此问题，LabVIEW DAQ平台的相关设备则降低了采集系统构筑的难度。
 图4 停车标识符范围
▲ 采用的NI cDAQ-9178为8槽USB机箱，具有50多个结合集成信号调理的可热插拔I/O模块，机箱中内置4个通用32位计数器/定时器，并可借助使用DAQ Assistant的NI-DAQmx软件自动代码生成
▲ NI 9269采用单通道输出14个12V、40kHz的模拟电压信号后持续低电平，信号周期30ms
▲ NI 9221采用单通道模拟输入模块，采样频率1kHz，采样点数1k
本系统属低速控制范围(即车速低于5Km/h)，为保证驾驶员的安全性同时避免车辆碰撞障碍物，依据运动学公式V02=2aS设定预定警戒距离为70cm。并在开发程序过程中设定70cm为停车标识符(StopFlag)，如图4。
3.3 刹车控制模块
3.3.1 车辆模型
车辆数学模型的建立有利于验证系统的可行性，北科大的陈柏全教授在Matlab/Simulink平台上构建如图5所示的车辆纵向模型。
 图5 车辆纵向模型
为了减小车身零部件对系统的非线性因素导致的累积误差影响，本系统仅通过试验车的电动真空助力泵(EVB)所提供的助力实现制动力输出。
根据牛顿第二定律可建立车辆纵向模型的一阶线性微分方程，如(2)式所示：
 (2)式中Mv 为车身质量，v为实时车速，Fb 为制动力，Fa为空气阻力，g为重力加速度，θ为路面坡度，Fθ为怠速驱动力。 |
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