一种面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统及其控制方法，控制系统包括传感器、控制器和执行器，传感器包括毫米波雷达、车载DSRC无线通讯接收模块，执行器包括基于车载CAN总线通讯的发动机动力控制单元、ESC主动制动单元、电子驻车制动单元、自动变速器及发动机怠速启停单元。控制方法利用车‑车通讯、车‑路通讯以及各个执行器的协同控制，在停车工况、起步工况与制动工况下实现自动跟车，代替驾驶员的油门及制动操作。本发明专利技术不仅能够代替驾驶员实现城市低速/走停工况下的自动跟车，减轻驾驶疲劳，并且结合车联网技术与多种执行机构的协同控制，有效提高跟车过程中的安全性、燃油经济性与乘坐舒适性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及汽车驾驶员辅助系统，特别是一种基于车-车通讯和车-路通讯的面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统及其控制方法。
技术介绍
汽车产业的蓬勃发展给人们的生活带来了极大的便利，也引发了诸如道路堵塞、交通事故、环境污染、能源短缺等一系列问题，为此需要从本质上协调好人-车-路之间的关系。先进驾驶员辅助系统(ADAS)以人为中心，通过提高人对车、路的感知和决策能力，有效降低人为的交通事故，同时提升驾驶舒适性。受益于信息感知及车辆控制技术，ADAS车辆驾驶员的操作负担将显著减小。随着ADAS技术的普及，能够有效平缓交通流，从而对改善交通拥堵、降低燃油消耗率、间接减少污染物的排放均将起到积极作用。由此可以看出，ADAS技术为我国当前交通发展中遇到的种种问题提供了一条有效的解决途径，深入开展对ADAS的研究势在必行。作为汽车ADAS技术中的重要组成之一，城市自动跟车系统主要适用于城市拥堵工况下组成的汽车低速/走停队列或者等待红绿灯所组成的汽车低速/走停队列。试想一下，驾驶员如果长时间处于汽车队列频繁走-停状态的交通环境之下，容易造成精神紧张，甚至腿脚发麻。而城市自动跟车系统融合机-电-信一体化的交叉技术，可以将驾驶员从疲劳驾驶中释放出来。在接管繁重的驾驶任务的同时，还应当实现行车安全性、燃油经济性和乘坐舒适性的多目标优化。作为城市自动跟车系统的起源，自适应巡航系统(ACC)就是以控制器代替驾驶员的油门和制动操作来实现自动跟车的。第一代ACC系统出现在上世纪90年代初，主要应用于高速公路环境，车速一般大于40km/h才起效，此时变速器处于最高档。第二代ACC系统始于2000年左右，作用工况开始向城市环境延伸，要求应用车速扩展到从0开始的全速范围。因此所涉及的控制策略及其影响因素更为复杂。德国的博世、大陆公司、美国的德尔福公司、日本的日产、日立公司均研发了相关的第二代ACC系统，并投入到实车产品的应用上。但是上述产品的控制目标主要是保证跟车的安全性，对其他控制目标如燃油经济性、乘坐舒适性等均没有做过多的要求。国内的清华大学、北京理工大学对于ACC系统开展了多目标优化控制的研究，分别采用模型预测控制和多模式切换控制来使得自动跟车系统能满足多个控制目标的要求，但是上述系统受限于城市行驶环境感知的复杂性和底层执行机构联调的复杂性，很少向全速范围延伸。由上述分析可知，目前的城市自动跟车系统仍然存在先天不足，不能适应主动安全性、燃油经济性、乘坐舒适性的多目标要求。而近年来车联网技术的出现，使得从根本上解决这一问题成为可能。我们可以将车-车/车-路通讯理解为一种虚拟传感器，通过传感器信息融合能够获得许多关键信息，例如车队列中靠前几辆车的运动状态，路口红绿灯的当前状态及距离下一个状态剩余的时间等。并且这些信息具有良好的环境适应性，基本不会受到天气、道路、车载平台的影响。有了以上车联网背景下共享得到的行车信息为基础，我们可以在自动跟车控制中，对更多的执行机构采取协同控制，从而实现更多的优化目标。例如，为了更大程度的提高汽车的燃油经济性，根据研究分析，通过使用发动机怠速启停单元实现发动机的短时熄火，在城区间的道路，燃油消耗会节省3.4％；在市区内的燃油消耗节省则可达13.4％。因此，发动机怠速启停单元就是通过取消怠速工况，将怠速燃油消耗转变成一次启动燃油消耗(车辆启动瞬间所耗费的燃油相当于发动机怠速5秒所消耗的油量)，大大降低了油耗，并能间接降低尾气污染。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对现有城市低速/走停工况跟车存在的上述不足，提供一种基于车-车通讯和车-路通讯的面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统及其控制方法，实现多目标协调控制以及多执行器协同控制，在有效减轻疲劳驾驶隐患的同时，全方位推动辅助驾驶系统朝着智能化和实用化方向发展，满足行车安全性、乘坐舒适性、燃油经济性等要求。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统，包括传感器、控制器和执行器，其中：所述传感器包括毫米波雷达、实现车-车及车-路通讯的车载DSRC无线通讯接收模块(作为虚拟传感器)，所述毫米波雷达布置在汽车前保险杠上，用于测量前方目标车辆的相对距离和相对车速；所述车载DSRC无线通讯接收模块安装在车顶，用于获得汽车队列中的前车信息及红绿灯的预计变化信息，实现车联网(车联网的应用将为自动跟车系统的协调控制提供许多必要的额外信息)；所述执行器包括发动机动力控制单元、发动机怠速启停单元、自动变速器、ESC主动制动单元、电子驻车制动单元，所述发动机动力控制单元用于调节发动机驱动力矩的大小，发动机怠速启停单元用于在车辆怠速的必要时刻使发动机短时熄火，自动变速器用于在行车过程中实现自动的换挡功能，ESC主动制动单元用于自动施加轮缸制动压力，从而给予车轮一定的制动力矩，电子驻车制动单元用于在汽车静止时给予后轮一定的驻车夹紧力；所述控制器采用由上位机、下位机分层组成的自动跟车控制器，上位机用于从传感器中提取有效信息，对当前汽车所处的跟车工况进行定量表征，下位机用于对底层各个执行器协同控制，发出控制指令；所述传感器及执行器通过车载CAN总线与自动跟车控制器相连并进行数据交换。按上述方案，所述自动跟车控制器采用基于飞思卡尔的32位单片机K60。本专利技术还提供一种上述面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统的控制方法，利用车-车通讯、车-路通讯以及各个执行器的协同控制，在停车工况、起步工况与制动工况下实现自动跟车，代替驾驶员的油门及制动操作。按上述方案，在所述的停车工况下，通过车载DSRC无线通讯接收模块获取等待红绿灯变化到下一个状态所剩的时长与前方还有多少辆车仍处于停车状态来预测自车的停车时间：如果停车时间大于5秒，则自动跟车控制器激活发动机怠速启停单元，使得汽车短时熄火(控制发动机启停)；同时，配合自动变速器挂入空挡，并且控制电子驻车制动单元实现电子驻车；否则，视作临时停车处理，依靠ESC主动制动单元提供液压制动力，电子驻车制动单元和自动变速器暂时不动作。按上述方案，在所述的起步工况下，控制方法具体包括如下步骤：a)首先通过车载DSRC无线通讯接收模块(车-车通讯、车-路通讯)估计汽车的起步时间；b)然后通过调节期望油门开度与前车保持合理的车距与相对车速，具体为：期望油门开度由稳态车速下的油门开度与可实现跟踪性能的油门开度两部分组成，并经过饱和处理以满本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统，其特征在于，包括传感器、控制器和执行器，其中：所述传感器包括毫米波雷达、实现车‑车及车‑路通讯的车载DSRC无线通讯接收模块，所述毫米波雷达布置在汽车前保险杠上，用于测量前方目标车辆的相对距离和相对车速；所述车载DSRC无线通讯接收模块安装在车顶，用于获得汽车队列中的前车信息及红绿灯的预计变化信息，实现车联网；所述执行器包括发动机动力控制单元、发动机怠速启停单元、自动变速器、ESC主动制动单元、电子驻车制动单元，所述发动机动力控制单元用于调节发动机驱动力矩的大小，发动机怠速启停单元用于在车辆怠速的必要时刻使发动机短时熄火，自动变速器用于在行车过程中实现自动的换挡功能，ESC主动制动单元用于自动施加轮缸制动压力，从而给予车轮一定的制动力矩，电子驻车制动单元用于在汽车静止时给予后轮一定的驻车夹紧力；所述控制器采用由上位机、下位机分层组成的自动跟车控制器，上位机用于从传感器中提取有效信息，对当前汽车所处的跟车工况进行定量表征，下位机用于对底层各个执行器协同控制，发出控制指令；所述传感器及执行器通过车载CAN总线与自动跟车控制器相连并进行数据交换。...

【技术特征摘要】
1.一种面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统，其特征在于，包括传感器、
控制器和执行器，其中：
所述传感器包括毫米波雷达、实现车-车及车-路通讯的车载DSRC无线通讯接收模块，
所述毫米波雷达布置在汽车前保险杠上，用于测量前方目标车辆的相对距离和相对车速；所
述车载DSRC无线通讯接收模块安装在车顶，用于获得汽车队列中的前车信息及红绿灯的预
计变化信息，实现车联网；
所述执行器包括发动机动力控制单元、发动机怠速启停单元、自动变速器、ESC主动制
动单元、电子驻车制动单元，所述发动机动力控制单元用于调节发动机驱动力矩的大小，发
动机怠速启停单元用于在车辆怠速的必要时刻使发动机短时熄火，自动变速器用于在行车过
程中实现自动的换挡功能，ESC主动制动单元用于自动施加轮缸制动压力，从而给予车轮一
定的制动力矩，电子驻车制动单元用于在汽车静止时给予后轮一定的驻车夹紧力；
所述控制器采用由上位机、下位机分层组成的自动跟车控制器，上位机用于从传感器中
提取有效信息，对当前汽车所处的跟车工况进行定量表征，下位机用于对底层各个执行器协
同控制，发出控制指令；
所述传感器及执行器通过车载CAN总线与自动跟车控制器相连并进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统，其特征在
于，所述自动跟车控制器采用基于飞思卡尔的32位单片机K60。
3.一种上述权利要求1至2中任一权利要求所述的面向城市环境下汽车低速走停工况的
自动跟车系统的控制方法，其特征在于，利用车载DSRC无线通讯接收模块的车-车通讯、车
-路通讯以及各个执行器的协同控制，在停车工况、起步工况与制动工况下实现自动跟车，代
替驾驶员的油门及制动操作。
4.根据权利要求3所述的面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统的控制方
法，其特征在于，在所述的停车工况下，通过车载DSRC无线通讯接收模块获取等待红绿灯
变化到下一个状态所剩的时长与前方还有多少辆车仍处于停车状态来预测自车的停车时间：
如果停车时间大于5秒，则自动跟车控制器激活发动机怠速启停单元，使得汽车短时熄火；
同时，配合自动变速器挂入空挡，并且控制电子驻车制动单元实现电子驻车；否则，视作临

【专利技术属性】
技术研发人员：裴晓飞，过学迅，张成才，孙陈迪，孙俊，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42