應(yīng)用領(lǐng)域：控制與仿真、汽車主動(dòng)安全、低速控制、剎車控制
挑戰(zhàn)：低速控制的速度控制范圍小并且精度要求高。由于車身零部件屬非線性時(shí)變系統(tǒng)，產(chǎn)生的累計(jì)誤差對(duì)控制系統(tǒng)造成極大影響。因此需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并要求系統(tǒng)作出快速響應(yīng)，從而使車輛能以極低的速度平穩(wěn)倒車。
應(yīng)用方案：通過 DAQ 設(shè)備驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，并分析超聲波的飛渡時(shí)間從而檢測(cè)車輛與障礙物的實(shí)時(shí)距離。通過 NI-USB8473 與車載 CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)獲取的實(shí)時(shí)速度、實(shí)時(shí)障礙物距離和實(shí)時(shí)制動(dòng)力等信息進(jìn)行分類。Fuzzy-PI 算法對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而控制車輛相關(guān)設(shè)備快速響應(yīng)。以此實(shí)現(xiàn)車輛低速平穩(wěn)倒車，并在距離障礙物的安全范圍內(nèi)自動(dòng)剎車確保車輛和駕駛員的安全。該方案已在長(zhǎng)安志翔 CV8 上成功實(shí)現(xiàn)倒車自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)相關(guān)功能，并對(duì)正在進(jìn)行的全自動(dòng)泊車項(xiàng)目的速度控制奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。
隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，汽車已成為新時(shí)代的代名詞。目前各國汽車的保有量均不斷上升，同時(shí)由汽車所導(dǎo)致的交通事故也呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國每三分鐘發(fā)生一起交通事故，每五分鐘有一人因交通事故而死亡。所以消費(fèi)者在選擇汽車作為代步工具時(shí)，除了考慮外觀和表面，亦對(duì)車身的安全性能給予了更多的關(guān)注。自19世紀(jì)九十年代以來，駕駛員輔助安全系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展。目前已開發(fā)出并安裝的輔助安全系統(tǒng)有電子輔助制動(dòng)系統(tǒng)（EBA）、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）、電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）、主動(dòng)避撞系統(tǒng)（ABC）和自動(dòng)泊車系統(tǒng)（ASC）等。上述輔助安全系統(tǒng)的主要功能大體可以概括成：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員或車輛處于危險(xiǎn)情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示駕駛員相關(guān)操作信息或直接制動(dòng)車輛以防止碰撞的發(fā)生。
從技術(shù)層面看，多數(shù)交通事故發(fā)生的關(guān)鍵問題是駕駛員無法準(zhǔn)確控制車速和車—障礙物的距離，此問題在倒車過程中表現(xiàn)得尤為突出。例如，在倒車過程中，駕駛員對(duì)車后存在視野死角和視線模糊的問題,無法正確判斷車輛與車后障礙物的實(shí)時(shí)距離，造成誤操作，從而導(dǎo)致各種擦碰事故頻發(fā)。
倒車自動(dòng)剎車系統(tǒng)的背景與設(shè)計(jì)原則
市場(chǎng)上的倒車剎車系統(tǒng)大體可分為兩類：倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)和倒車影像系統(tǒng)。倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)利用超聲波測(cè)距原理，在智能控制器的控制下，由裝置于車尾的探頭發(fā)送超聲波信號(hào)，并接收經(jīng)障礙物發(fā)射的回波信號(hào)，繼而控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出車—障礙物的實(shí)際距離。而倒車影像系統(tǒng)則是通過安裝在車后的遠(yuǎn)紅外線廣角攝像裝置，將車后的障礙物實(shí)時(shí)顯示在車內(nèi)顯示屏上，使得車后的狀況更加直觀可視。目前的倒車剎車系統(tǒng)的本質(zhì)是，在倒車過程中系統(tǒng)將所探測(cè)的車后環(huán)境反饋給駕駛員并給予一定操作提示，而不直接介入車輛動(dòng)力系統(tǒng)的控制。但當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或者駕駛員錯(cuò)誤操作時(shí)，依然無法避免碰撞的發(fā)生。因此，為了提高駕駛員及車輛的安全性，新一代的倒車剎車系統(tǒng)的開發(fā)迫在眉睫。
新一代的倒車剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵問題即如何更好地控制車速和車—障礙物的距離。Kyongsu Yi提出適用于Stop-and-Go（S&G）控制系統(tǒng)的車—車距離控制算法，此算法包含了距離控制和利用節(jié)氣門及剎車控制以達(dá)到加速度軌跡追蹤的目的。其控制器采用LQ最佳控制法則，在控制效果上，此算法擁有良好的距離控制性能，并能有效地克服建構(gòu)模型的誤差問題。但其無法控制車速維持在低速范圍。Venhovens在此基礎(chǔ)上改善了速度控制策略，從而提升S&G控制系統(tǒng)在低速范圍的準(zhǔn)確性。但其依然無法解決車輛勻速行進(jìn)的問題，由此產(chǎn)生的聳車現(xiàn)象降低了駕駛員的舒適性。所以車輛的低速控制，尤其是倒車過程中的低速控制依然有待發(fā)展，同時(shí)這也是新一代倒車剎車系統(tǒng)的核心所在。
由于低速控制的速度控制范圍小、精度要求高以及實(shí)時(shí)性強(qiáng)，同時(shí)由于車身零部件屬非線性時(shí)變系統(tǒng)，因此產(chǎn)生的累計(jì)誤差對(duì)控制系統(tǒng)會(huì)造成極大影響。故系統(tǒng)在對(duì)車身狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析的同時(shí)必須要求相應(yīng)系統(tǒng)對(duì)控制指令作出快速響應(yīng)。本文開發(fā)的新一代倒車剎車系統(tǒng)——基于LabVIEW的倒車自動(dòng)剎車系統(tǒng)著重于改善車輛在倒車過程中低速平穩(wěn)倒車，以確保駕駛員的行車舒適度。同時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到車—障礙物距離處于危險(xiǎn)范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)使車制動(dòng)，從而保證駕駛員及車輛的安全性。
倒車自動(dòng)剎車系統(tǒng)的控制指標(biāo)如下：
1) 車速方面：預(yù)定車速；實(shí)時(shí)車速；實(shí)時(shí)加速度；期望壓力值；實(shí)際壓力值。
2) 距離方面：車—障礙物實(shí)時(shí)距離；預(yù)定警戒距離。
倒車自動(dòng)剎車系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
⒈ 系統(tǒng)模塊圖（見圖1）
系統(tǒng)總共包括四個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)處理中心（DPC）、探測(cè)模塊、剎車控制模塊以及顯示模塊。DPC主要負(fù)責(zé)收集匯總實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并根據(jù)相關(guān)控制算法對(duì)其余各模塊發(fā)出相應(yīng)控制指令。探測(cè)模塊通過NI設(shè)備驅(qū)動(dòng)
超聲波傳感器并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至DPC。剎車控制模塊通過NI-8473與車載CAN通信無縫連接，返回車身實(shí)時(shí)狀態(tài)信息至DPC并將DPC處理后的控制指令發(fā)送至車載相關(guān)設(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與LabVIEW平臺(tái)的信息交互。顯示模塊基于LabVIEW平臺(tái)顯示車身實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及測(cè)距模塊的車—障礙物的距離，并可修改剎車控制算法中特征變量的參數(shù)大小。
⒉ 探測(cè)模塊設(shè)計(jì)
⑴ 工作原理
大部分剎車系統(tǒng)傳感器的探測(cè)范圍是30cm～200cm。本系統(tǒng)選取性價(jià)比較高的
超聲波傳感器測(cè)量距離，其探測(cè)范圍為30cm～250cm，盲區(qū)為30cm。
超聲波傳感器的工作原理（見圖2）及脈沖時(shí)序（見圖3）。
傳感器的引腳定義（見表1）。
通過Time-of-Flight（TOF）算法計(jì)算發(fā)射波與接收波的時(shí)間差，從而得出超聲波探頭與障礙物間的距離，其距離計(jì)算公式（見式1）如下：
D=(c*t)/2 式1
式1中D為
超聲波傳感器與障礙物的距離，c為聲波在空氣中的速度，t為發(fā)射波與接受波的時(shí)間差。
⑵ 方案設(shè)計(jì)及指標(biāo)設(shè)定
由圖3可知，超聲波傳感器的激勵(lì)波脈沖時(shí)序在發(fā)射周期初始階段連續(xù)發(fā)射14個(gè)40kHz的脈沖串后持續(xù)低電平至周期結(jié)束，屬于非常規(guī)信號(hào)源，對(duì)外圍硬件電路設(shè)計(jì)造成極大困難。針對(duì)此問題，LabVIEW DAQ平臺(tái)的相關(guān)設(shè)備降低了采集系統(tǒng)構(gòu)筑的難度。
▲ 采用的NI cDAQ-9178為8槽USB機(jī)箱，具有50多個(gè)結(jié)合集成信號(hào)調(diào)理的可熱插拔I/O模塊，機(jī)箱中內(nèi)置4個(gè)通用32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，并可借助使用DAQ Assistant的NI-DAQmx軟件自動(dòng)代碼生成;
▲ NI 9269采用單通道輸出14個(gè)12V、40kHz的模擬電壓信號(hào)后持續(xù)低電平，信號(hào)周期30ms;
▲ NI 9221采用單通道模擬輸入模塊，采樣頻率1kHz，采樣點(diǎn)數(shù)1k。
本系統(tǒng)屬低速控制范圍（即車速低于5Km/h），在為保證駕駛員的安全性的同時(shí)避免車輛碰撞障礙物，依據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式V02=2aS設(shè)定預(yù)定警戒距離為70cm，并在開發(fā)程序過程中設(shè)定70cm為停車標(biāo)識(shí)符（StopFlag）（見圖4）。
⒊ 剎車控制模塊
⑴ 車輛模型
車輛數(shù)學(xué)模型的建立有利于提升驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。北科大的陳柏全教授在Matlab/Simulink平臺(tái)上構(gòu)建如圖5所示的車輛縱向模型。
為了減小車身零部件對(duì)系統(tǒng)的非線性因素導(dǎo)致的累積誤差影響，本系統(tǒng)僅通過試驗(yàn)車的電動(dòng)真空助力泵（EVB）所提供的助力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力輸出。
根據(jù)牛頓第二定律可建立車輛縱向模型的一階線性微分方程，如式2所示：
式2中Mv 為車身質(zhì)量，v為實(shí)時(shí)車速，F(xiàn)b 為制動(dòng)力，F(xiàn)a為空氣阻力，g為重力加速度，θ為路面坡度，F(xiàn)θ為怠速驅(qū)動(dòng)力。
⑵ 速度曲線規(guī)劃
規(guī)劃的曲線必須盡可能的平順并且沒有緊急制動(dòng)情況的出現(xiàn)，這在速度控制領(lǐng)域內(nèi)有多種方法可實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于如何使駕駛員在加減速時(shí)感覺較舒適，則是目前速度控制領(lǐng)域比較重要的課題。Kyongsu Yi在論文中指出，駕駛員感到較為舒適的加減速不應(yīng)高于2.5m/s2。根據(jù)此研究成果，本系統(tǒng)的預(yù)定速度設(shè)定為1.6Km/h（見圖6），預(yù)定加速度設(shè)為1.4m/s?（見圖7），理論上的車輛制動(dòng)距離為7cm。根據(jù)圖6的預(yù)定速度軌跡，可將其分成加速、勻速以及減速三個(gè)狀態(tài)，首先控制車速以定加速度從0Km/h升至1.6Km/h；若系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到StopFlag為0（即車—障礙物在停車范圍以外），系統(tǒng)維持車速處于勻速狀態(tài)即以1.6Km/h定速行駛；若系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到StopFlag為1（即車—障礙物在停車范圍以內(nèi)），則進(jìn)入減速狀態(tài)，速度以定加速度從1.6Km/h降至0Km/h。
⑶ 速度控制器設(shè)計(jì)
速度控制器采用離散型的增量PI算法。經(jīng)整理后如式3所示：
式3中KP=K*T/Ti，KI=K，K為增益系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，T為足夠小的常量本系統(tǒng)選取系統(tǒng)程序運(yùn)行周期時(shí)間即50ms。
由于車輛影響系統(tǒng)動(dòng)能因素較多，故在增量式PI算法的基礎(chǔ)上結(jié)合Fuzzy算法。式3經(jīng)Z變換整理后如式4所示：
根據(jù)式4構(gòu)建的Fuzzy—PI控制器如圖8所示：
在Fuzzy算法中，本系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)車速與預(yù)定車速軌跡的誤差量定義相關(guān)特征變量的歸屬函數(shù)，即實(shí)時(shí)速度歸屬函數(shù)（見圖9）、速度誤差量歸屬函數(shù)（見圖10）及速度積分誤差量歸屬函數(shù)（見圖11）。上述三個(gè)歸屬函數(shù)均采用三角形分布的歸屬函數(shù)。由于試驗(yàn)車是自動(dòng)檔車型，怠速下的速度最大值在5Km/h左右，而本系統(tǒng)是將車速控制在3Km/h以下，故速度歸屬函數(shù)介于0-3Km/h。一般而言，在考慮微控制器的運(yùn)算速度情況下，所設(shè)計(jì)的語意法則不超過9個(gè)，結(jié)合本系統(tǒng)輪速傳感器的有效精度是0.01Km/h，故上述三個(gè)歸屬函數(shù)均采用了5個(gè)模糊語言變量。
相關(guān)歸屬函數(shù)的定義原則是：當(dāng)速度誤差較大時(shí)，調(diào)整為較大參數(shù)，使得速度可以快速地收斂到預(yù)定軌跡；反之，若誤差量較小，調(diào)整為較小參數(shù)，使得速度可以穩(wěn)定在預(yù)定軌跡附近。速度積分誤差量的歸屬函數(shù)定義則是為了解決系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，即減小實(shí)時(shí)車速與預(yù)定軌跡車速間的誤差。KP及KI的模糊控制表如表2、表3所示。
經(jīng)多次測(cè)試后得到的特征變量參數(shù)如式5及式6所示。最后在解模糊化時(shí)，本系統(tǒng)采用最大隸屬度去最大值法。
KP={18/NB，10/NS，5/ZR，10/PS，20/PB} 式5
KI={20/NB，10/NS，8/ZR，10/PS，15/PB} 式6
軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果
⒈ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
基于LabVIEW的倒車自動(dòng)剎車系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：
⑴ 數(shù)據(jù)采集（下位機(jī)部分）
依據(jù)前文所述的系統(tǒng)模塊可將數(shù)據(jù)采集分為兩個(gè)部分。在測(cè)距模塊中，驅(qū)動(dòng)NI 9264模擬輸出產(chǎn)生周期為30ms的40kHz超聲波激勵(lì)信號(hào)，通過NI9205接收反射波信號(hào)，并利用Labview的脈沖探測(cè)函數(shù)計(jì)算超聲波的傳播時(shí)間，從而計(jì)算出車—障礙物的實(shí)時(shí)距離。在剎車控制模塊中，利用NI 8473與車載CAN網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，實(shí)現(xiàn)DPC與車載設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。
⑵ 數(shù)據(jù)處理（上位機(jī)部分）
數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理（即DPC）是基于LabVIEW2010平臺(tái)開發(fā)的。剎車控制模塊的數(shù)據(jù)傳輸通過LabVIEW2010平臺(tái)下的CAN模塊與車載CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，獲取實(shí)時(shí)車速及EVB實(shí)際壓力值的CAN報(bào)文，并通過相同的CAN通道發(fā)送EVB期望壓力值報(bào)文。DPC使用LabVIEW平臺(tái)中的“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模型對(duì)數(shù)據(jù)采集部分返回的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按一定周期進(jìn)行處理，以此減少系統(tǒng)耗時(shí)，從而加快程序處理的速度，并提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。通過LabVIEW狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行特征參數(shù)的提取，以此確定車輛在倒車行進(jìn)過程中的加速狀態(tài)、勻速狀態(tài)以及減速狀態(tài)，并針對(duì)不同狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制。
⒉ 控制軟件界面及功能
數(shù)據(jù)傳輸、處理與控制軟件界面主要包括3大功能模塊：參數(shù)配置模塊、功能驗(yàn)證模塊以及報(bào)表輸出模塊。界面如圖12、圖13、圖14所示。
⒊ 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示及試驗(yàn)結(jié)果
⑴ 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示
在參數(shù)配置界面對(duì)Fuzzy—PI算法的特征變量的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置，繼而通過功能驗(yàn)證模塊進(jìn)行實(shí)車測(cè)試效果。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合分析，實(shí)時(shí)修改算法的相關(guān)參數(shù)值。圖15即在實(shí)車驗(yàn)證狀態(tài)下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線圖。
⑵ 成果分析
報(bào)表輸出功能將速度軌跡及加速度軌跡以Excel的格式輸出，其結(jié)果如圖16、圖17所示。
圖16所示的測(cè)試結(jié)果顯示實(shí)際車速軌跡與預(yù)定車速軌跡的穩(wěn)態(tài)誤差在-0.2Km/h到0.3Km/h之間，且車輛完全制動(dòng)時(shí)的車—障礙物實(shí)時(shí)距離為54cm。圖17顯示整個(gè)控制過程中的實(shí)時(shí)加速度軌跡，在勻速狀態(tài)時(shí)的加速度均低于1.4m/s2，遠(yuǎn)小于人體舒適的加速度極限（≤2.5m/s?）。由此可知，實(shí)際控制效果已基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。
⒋ 現(xiàn)場(chǎng)成果
本系統(tǒng)安裝于長(zhǎng)安志翔CV8上，車載CAN網(wǎng)絡(luò)通過NI 8473與筆記本電腦上的LabVIEW平臺(tái)實(shí)時(shí)通信。同時(shí)將
超聲波傳感器安裝于車后牌照正上方，并通過NI DAQ平臺(tái)配置NI9269及NI9221的相關(guān)參數(shù)，從而驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。圖18為超聲波傳感器與相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的連接圖，圖19為現(xiàn)場(chǎng)時(shí)設(shè)備連接圖。
結(jié)論
從技術(shù)層面講，NIDAQ平臺(tái)和LabVIEW開發(fā)環(huán)境的無縫連接，使用戶輕松地通過圖形化開發(fā)環(huán)境訪問底層硬件，快速建立系統(tǒng)原型和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理功能極大地節(jié)省了采集終端軟件的開發(fā)時(shí)間，在NI DAQ平臺(tái)和LabVIEW CAN模塊的配合下，使得采集終端能夠?qū)崟r(shí)并且高質(zhì)量地完成數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理的工作，為整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)研究提供靈活、強(qiáng)大的底層硬件支持。
基于LabVIEW平臺(tái)的倒車自動(dòng)剎車系統(tǒng)已在長(zhǎng)安志翔CV8上成功實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。該系統(tǒng)的成功開發(fā)在速度控制領(lǐng)域及相關(guān)輔助系統(tǒng)開發(fā)方面取得突破性進(jìn)展，同時(shí)為長(zhǎng)安汽車有限公司正在進(jìn)行的全自動(dòng)泊車系統(tǒng)的開發(fā)奠定了夯實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
