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

摘要

本发明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。

权利要求

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的控制方法，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，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；

其特征在于，控制方法利用车载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，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足乘坐舒适性要求，期望油门开度αdes的计算公式为：αdes＝αss(tn)+kTHW·(THW(tn)-THWd)

上式中，αss(tn)为稳态车速下的油门开度，kTHW为第一控制增益；THWd为理想车间时距、由驾驶员设定，THW(tn)为当前实际车间时距、由下式计算：式中，d(tn)为车距距离，由毫米波雷达测得，v(tn)为自车速度；

在计算出期望油门开度αdes后，考虑到乘坐舒适性的要求，对αdes进行饱和处理：式中，αlimit根据驾驶员所能接受的纵向加速度进行实车标定；

c)最后，自动跟车控制器通过车载CAN总线调节发动机动力控制单元来实现具体的油门大小。

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。

3.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的控制方法，其特征在于，在所述的制动工况下，当发动机反拖力矩产生的制动减速度不足以满足避撞需求时，通过ESC主动制动单元向四个车轮施加制动压力，使得跟车过程中保持安全车距，所施加的制动压力计算公式为：pdes＝kTTCi·TTCi(tn)-pe(tn)

式中，pe(tn)为不同车速下发动机反拖力矩所等效的压力值，kTTCi为第二控制增益，避撞时间倒数TTCi(tn)由下式计算：式中，vr(tn)为毫米波雷达测得的相对车速；

最后，自动跟车控制器通过车载CAN总线调节ESC主动制动单元来实现期望的压力值。

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，制动工况下，自动跟车系统结合车-车通讯，使汽车对队列中前车的紧急减速及时做出反应，不管前车是否刹车，都产生制动力。

说明书

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

技术领域

[0001] 本发明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的控制方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

发明内容

[0007] 本发明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的控制方法，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。

[0008] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

[0009] 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，自动跟车系统包括传感器、控制器和执行器，其中：

[0010] 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)；

[0011] 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；

[0012] 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；

[0013] 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；

[0014] 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；

[0015] 在所述的起步工况下，控制方法具体包括如下步骤：

[0016] 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；

[0017] 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：

[0018] 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足乘坐舒适性要求，期望油门开度αdes的计算公式为：

[0019] αdes＝αss(tn)+kTHW·(THW(tn)-THWd)

[0020] 上式中，αss(tn)为稳态车速下的油门开度，kTHW为第一控制增益；THWd为理想车间时距、由驾驶员设定，THW(tn)为当前实际车间时距、由下式计算：

[0021]

[0022] 式中，d(tn)为车距距离，由毫米波雷达测得，v(tn)为自车速度；

[0023] 在计算出期望油门开度αdes后，考虑到乘坐舒适性的要求，对αdes进行饱和处理：

[0024]

[0025] 式中，αlimit根据驾驶员所能接受的纵向加速度进行实车标定；

[0026] c)最后，自动跟车控制器通过车载CAN总线调节发动机动力控制单元来实现具体的油门大小(在同一转速下，油门与发动机的驱动力矩呈线性关系，因此实质上调节的是发动机驱动力矩)。

[0027] 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。

[0028] 按上述方案，在所述的制动工况下，当发动机反拖力矩产生的制动减速度不足以满足避撞需求时，通过ESC主动制动单元向四个车轮施加制动压力，使得跟车过程中保持安全车距，所施加的制动压力的计算公式为：

[0029] pdes＝kTTCi·TTCi(tn)-pe(tn)

[0030] 式中，pe(tn)为不同车速下发动机反拖力矩所等效的压力值，kTTCi为第二控制增益，避撞时间倒数TTCi(tn)由下式计算：

[0031]

[0032] 式中，vr(tn)为毫米波雷达测得的相对车速；

[0033] 最后，自动跟车控制器通过车载CAN总线调节ESC主动制动单元来实现期望的压力值。

[0034] 按上述方案，制动工况下，自动跟车系统结合车-车通讯，使汽车对队列中前车的紧急减速及时做出反应，不管前车是否刹车，都产生制动力(减少连环追尾的风险)。

[0035] 本发明的工作原理：在原有的汽车自动跟车控制系统的基础上，针对城市驾驶中的低速走停跟车工况，扩展了车-车通讯与车-路通讯模块，能够更准确的感知当前工况并作出有效判断，根据车队列中的实时跟车状态，通过发动机怠速启停单元、发动机动力控制单元、自动变速器、ESC主动制动单元与电子驻车单元的协调作用，分别控制发动机的怠速启停、驱动力矩、自动变速器的挡位、制动压力及电子驻车系统的后轮夹紧力；在城市拥堵交通环境下，控制系统能够代替驾驶员实现城市低速/走停工况下的自动跟车，不仅能够减轻驾驶疲劳，并且能够提高跟车过程中的安全性、燃油经济性与乘坐舒适性。

[0036] 本发明控制系统所适用的城市工况分为停车工况、起步工况和制动工况：对于停车工况，主要考虑是否怠速或有发动机怠速启停单元的介入，如果判断出车辆将要维持的停车时间在5s以上，则应当激活发动机怠速启停单元从而提高燃油经济性，并且自动变速器挂入空挡，电子驻车系统也同时起作用；在汽车起步工况下，如果起步慢跟车距离较大，会导致其他车辆插队，如果跟车距离过紧，则会导致驾驶员的不适感，因此，起步工况下主要考虑跟踪性能和纵向舒适性能，对起步时间及油门的大小进行调节；在汽车制动工况下，要将避撞性能摆在首位，通过自动调节制动压力，使得跟车距离一直保持在安全车距范围附近。

[0037] 本发明与现有技术相比具有以下主要优点：

[0038] 1)后车驾驶员由于视线盲区和反应延迟的影响，无法对跟车中出现的紧急情况做出及时的反应，本发明通过多车之间的无线通讯提前预知前车信息，摆脱了对前车状态的被动依赖，因此能有效提升跟车安全性，特别是避免连环追尾事故的发生；

[0039] 2)本发明通过与红绿灯之间的车-路通讯，预测所需要的停车时间，据此来决定发动机怠速启停单元是否有必要介入，由于自动跟车系统集成了怠速启停功能，因此能有效提升停车过程中的燃油经济性和减排效益；

[0040] 3)通过车-车通讯和车-路通讯，可以更准确的估计汽车的起步时间，因此能在起步过程中对前车的跟车实现更快的响应；

[0041] 4)与现有的自动跟车系统相比，本发明在控制目标中更好的融入了跟车安全性、燃油经济性、乘坐舒适性等指标，并且通过底层多种执行机构的协同控制实现多目标的优化。

附图说明

[0042] 图1为本发明自动跟车系统的结构示意图；

[0043] 图2为本发明自动跟车系统的原理示意图；

[0044] 图中，1-毫米波雷达；2-发动机动力控制单元；3-发动机怠速启停单元；4-自动变速器；5-车载DSRC无线通讯接收模块；6-自动跟车控制器；7-ESC主动制动单元；8-电子驻车制动单元。

具体实施方式

[0045] 下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

[0046] 参照图1～图2所示，本发明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，包括传感器、控制器和执行器，其中：

[0047] 所述传感器包括毫米波雷达1、实现车-车及车-路通讯的车载DSRC无线通讯接收模块5(作为虚拟传感器)，所述毫米波雷达1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5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)；

[0048] 所述执行器包括发动机动力控制单元2、发动机怠速启停单元3、自动变速器4、ESC主动制动单元7、电子驻车制动单元8，所述发动机动力控制单元2用于调节发动机驱动力矩的大小，发动机怠速启停单元3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4用于在行车过程中实现自动的换挡功能，ESC主动制动单元7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8用于在汽车静止时给予后轮一定的驻车夹紧力；

[0049] 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6，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；

[0050] 上述两个传感器和五个执行器通过车载CAN总线与自动跟车控制器6相连并进行数据交换，自动跟车控制器6通过两根CAN总线分别与2个传感器和5个执行器进行通讯，依靠CAN协议中特定的标识符来区分不同的通讯节点。

[0051] 所述自动跟车控制器6采用基于飞思卡尔的32位单片机K60，自动跟车控制器6处理传感器的有关信息与发送执行器控制指令。

[0052] 本发明是在汽车自动跟车系统的基础上，针对城市工况进行的功能扩展，结合了车联网技术，因而能在系统中突出协调控制的特点。本发明中的“协调”主要体现在三个方面：环境感知信息的协调、底层多种执行控制器的协调、多种控制目标的优化协调，因此本发明在实现缓解驾驶疲劳功能的同时，能进一步追求行驶安全性、燃油经济性、乘坐舒适性等全方位性能的提升。

[0053] 本发明提供的面向城市环境下汽车低速走停工况的自动跟车系统，可应用于三种普遍的城市工况下，下面分别进行说明：

[0054] 对于停车工况，需要预测当前车速为0的持续时间。如果预测时长小于或等于5秒，则当作临时停车处理，依靠ESC主动制动单元7提供液压制动力，电子驻车制动单元8和自动变速器4暂时不动作；如果预测时长大于5秒，则发动机怠速启停单元3的介入在燃油经济性上显得有利可图，同时，配合自动变速器4挂入空挡，并且控制电子驻车制动单元8实现电子驻车，避免汽车出现溜车，提高安全性。

[0055] 如何依靠车联网下的有效信息来预测停车时间是本发明的关键。如果汽车是因为等候红绿灯而停车，那么可以通过车-路通讯获得红绿灯距离变化到下一个状态所剩的时长，从而计算将要停车的时间。如果汽车是属于拥堵形成的走停队列的情况，可以通过车-车通讯获得队列中处于前列的汽车是否也处于停车状态。通常汽车由静止起步的反应时间至少需要1秒，换句话讲，如果车队列中距离自车前方还有N辆车处于停车状态，那么汽车的停车时间预测为N秒。

[0056] 对于起步工况，有两个关键问题需要解决：起步时间与调节油门大小。如果起步不及时，会使得车队列间距过大，影响车流通过效率；而起步过早会有追尾的危险。类似的，可以通过车-车/车-路通讯来估计汽车的起步时间。当红绿灯还剩2秒转换为绿灯，或队列中自车前方的第2辆车开始起步，发动机怠速启停单元3立即控制发动机处于怠速状态，挂入1挡，随后释放ESC主动制动单元7的液压制动力或电子驻车制动单元8的后轮夹紧力。

[0057] 在汽车起步后的低速跟车过程中，主要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。期望油门开度大小由两部分组成，一部分用来维持当前的稳态车速，克服汽车的行驶阻力；另一部分用来满足跟踪性能的要求，使得汽车具有足够的加速能力。因此，期望油门开度的计算公式为：

[0058] αdes＝αss(tn)+kTHW·(THW(tn)-THWd)

[0059] 式中，αss(tn)为稳态车速下的油门开度，需要根据不同车型进行实验标定，以确定不同车速对应的油门关系曲线。通常情况下，αss(tn)在低速下的查表值不会大于10度，但是还要考虑上坡/下坡因素的影响并对其进行调整。kTHW为第一控制增益；理想车间时距THWd由驾驶员设定，一般定为1～2s。当前实际车间时距由下式计算：

[0060]

[0061] 式中，d(tn)为车距距离，由毫米波雷达1测得，v(tn)为自车速度；

[0062] 在计算出期望油门开度αdes后，考虑到乘坐舒适性的要求，还要对αdes进行饱和处理：

[0063]

[0064] 上式中的αlimit需要根据驾驶员所能接受的纵向加速度进行实车标定；最后，自动跟车控制器6通过车载CAN总线调节发动机动力控制单元2来实现具体的油门量；由于在同一转速下，油门与发动机的驱动力矩呈线性关系，因此实质上调节的是发动机驱动力矩。

[0065] 对于制动工况，汽车制动力矩的产生主要由两部分组成：发动机反拖力矩与液压制动力矩；当发动机反拖力矩产生的制动减速度不足以满足避撞需求时，通过向四个车轮自动施加一定的制动压力，使得跟车过程中保持必要的安全车距；因此，期望制动压力的计算公式为：

[0066] pdes＝kTTCi·TTCi(tn)-pe(tn)

[0067] 式中，pe(tn)为不同车速下发动机反拖力矩所等效的压力值，kTTCi为第二控制增益，避撞时间倒数TTCi(tn)由下式计算：

[0068]

[0069] 式中，vr(tn)为毫米波雷达测得的相对车速，最后，自动跟车控制器6通过车载CAN总线调节ESC主动制动单元7来实现期望的压力值。

[0070] 此外结合车联网技术，还能减少车队列中由于驾驶员视线受阻或反应滞后造成的多车连环追尾事故的风险，增强行车的安全性。如果队列中自车前方的第2辆车开始紧急减速，不管前车是否刹车，自动跟车系统都会产生必要的制动力，此时，TTCi计算式中的相对车速vr与车距信息由车载DSRC无线通讯接收模块5的车-车通讯功能获得。

[0071] 在车联网下，车-车无线通讯的实现要求相关车辆均装备DSRC无线通讯接收模块5，因此对于自车而言，雷达传感器及其他车载传感器的信息可以通过DSRC通讯向外发送，同时接收周边其他车辆传来的DSRC信息；类似的，车-路无线通讯要求城市路口的红绿灯装备也有DSRC无线发送模块，它需要定时向外发送红绿灯变化的有关信息，只有这样才能被附近经过的并装有DSRC无线通讯接收模块5的汽车所接收到。

[0072] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。