58雙月刊

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偕宿
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1 專題報導財團法人車輛研究測試中心陳建次. 陳柏睿一研究背景台灣由於地狹人稠, 汽機車混流複雜, 車禍事故死傷人數居高不下, 所衍生的醫療花費與社會成本極高此外交通擁擠亦是一大問題, 除造成行車不便及時間浪費外, 所額外耗費的燃油成本及衍生之空氣污染程度亦相當可觀近年來由於電機電子通訊資訊及感測器等技術的迅速發展, 使得許多先進科技運用於傳統運輸系統的運作日益可行, 因此, 智慧型運輸系統 (Intelligent Transport Systems, ITS) 也應運而生,ITS 除可增進整體運輸系統的安全效率及舒適性外, 亦同時減少了交通對環境的衝擊智慧巡航控制系統 (Adaptive Cruise Control, ACC) 屬於 ITS 中先進車輛控制與安全服務 (Advanced Vehicle Control and Safety Service, AVCSS) 分項的一個子項目, 為傳統定速巡航系統 (Conventional Cruise Control, CCC) 技術的延伸傳統定速巡航系統之功能為, 依據駕駛者設定的巡航速度, 自動的來調整引擎節氣門開度, 進而達到維持固定速度巡航行駛的目的智慧巡航控制系統則是智慧化行車自動控制系統的一種,ACC 藉由前方車距的即時偵測, 以系統所限定之安全跟車時間間距 (Time gap) 及駕駛者輸入之巡航速度為控制參數, 適當的控制油門與煞車, 來達成適應前車狀況行駛的行車模式 ACC 主要係由前方車距偵測器車速感測器縱向加速度感測器煞車控制單元油門控制單元及邏輯運算控制單元等組件所組成前方車距偵測器目前大多採用 77 GHz 毫米波雷達, 近年來因影像辨識技術逐漸成熟, 未來亦有可能為 ACC 系統所採用來進行前方車距偵測 ; 車速感測器通常安裝於變速箱輸出軸上, 此感測器可偵測出變速箱輸出軸的轉動頻率進而換算出車輛的行駛速度 ; 縱向加速度感測器通常安裝於車輛質心處, 此感知器能擷取車輛行駛狀態下的縱向加速度值, 若車輛同時配有動態穩定系統則亦可從該系統附屬之陀螺儀處擷取縱向加速度訊號 ; 煞車控制單元可依據邏輯運算控制單元的控制訊號來對煞車系統進行適當控制 ; 油門控制單元可依據邏輯運算控制單元的控制訊號來對油門系統進行適當控制 ; 邏輯運算控制單元為車輛研測資訊

2 ACC 系統的核心, 此單元能依前方車距車速縱向加速度等參數, 經過合理的分析判斷與運算後以下將針對本中心發展智慧巡航控制系統之流程與成果作一簡要介紹 : 送出油門及煞車控制訊號, 利用油門及煞車系統的控制來產生適應於前車的自動行駛模式, 其目的是希望達成增加交通流量增加駕駛者舒適度與減輕駕駛負荷等功能 ACC 系統主要係運用於 40 kph 以上之行車環境, 然近年來因市區交通環境的複雜化, 使得駕駛者的駕駛負擔日益增加, 為了達到降低駕駛負擔增加行車安全之目的, 有車廠於原 ACC 系統硬體架構下, 發展一套適應於都市走走停停行駛環境之控制策略, 當原 ACC 系統硬體搭配此控制策略時即可於市區達成自動行駛的目的, 此項功能稱之為 Stop&Go(0~40 kph) 車輛中心 (ARTC) 於執行經濟部技術處科技發展基金計畫過程中, 開發建構了一部系統雛形車, 此系統雛形車安裝了車速縱向加速度油門踏板行程煞車踏板行程等感知器來擷取系統邏輯運算控制單元所需之參數, 此外亦於系統雛形車上進行油門及煞車控制器之改裝與測試, 最後並於 ARTC 試車場內重覆進行相關模擬測試以進行系統控制邏輯之開發與調校, 期能開發出一套屬於國人自行設計研發之智慧巡航控制系統二系統架構本中心所開發之智慧巡航控制系統架構如圖一所示系統設計包含 ACC ( kph) 與 Stop&Go (0 40 kph) 功能於車輛縱向運動控制, 我們利用真空泵的特性, 控制從引擎進氣岐管導入的負壓源, 達成油門與煞車踏板行程控制的目的本系統雛形車由一部 SUV 車改裝而成, 於前方保險桿裝置一雷射測距雷達, 並擷取車上 ABS 車速資訊, 以及裝置有監控油門與煞車作動行程之感測器控制器採模糊控制理論之設計, 由前車車速所推算之安全距離與實際距離差值, 以及相對車速等 2 項因子作為輸入, 輸出則為調變真空泵氣壓差之 PWM 訊號, 運用 Simulink 編寫邏輯控制程式, 並透過高階控制器的使用, 快速展現於實車試驗上, 從記錄器收錄車輛動態行為資訊, 作為修正控制器參數之研判系統開發試驗於 ARTC 試車場進行, 基於試驗安全考量, 先使用虛擬之 ACC 與 Stop&Go 之前車情境, 計算前後車之相對距離與相對車速, 進行實車控制器的調校, 之後再進行 2 車實際跟隨之控制試驗 14 車輛研測資訊

3 專題報導圖一智慧巡航控制系統架構圖車輛研測資訊

4 三感知器架設系統感知器主要功用為準確擷取並即時輸入系統運作過程所需之參數資訊到邏輯運算控制單元 (ECU) 中,ECU 得到這些資訊後即可進行判斷與運算, 並輸出正確之控制訊號到致動器, 使得致動器產生作動, 進而達到控制之目的 ARTC 研發之智慧巡航控制系統感知器架設包含 :1. 前方障礙物偵圖二前方障礙物偵測器架設情形測器 ;2. 節氣門位置感知器 (TPS);3. 煞車踏板行程計 ;4. 加速度感知器 ;5. 車速感知器等五項輸入參數, 各項參數各有其擷取之目的, 後續將就參數擷取目的擷取方式等來做介紹 ( 一 ) 前方障礙物偵測器目前市售 ACC 系統之前方障礙物偵測器以毫米波雷達為市場使用之主流, 但因前方障礙物偵測器目前仍為車廠之重要管制零件取得不易, 且即使取得也可能遭遇訊號解碼之困難, 因此本研究採用雷射測距雷達, 作為前方障礙物偵測器, 其裝置於試驗車之保險桿下方, 如圖二所示, 該雷達擷取頻率達 1KHz 以上, 靜態偵測性能達 100 公尺以上 ( 二 ) 節氣門位置感知器目前市售車輛若其引擎形式為噴射引擎就會安裝節氣門位置感知器 (Throttle Position Sensor, TPS), 大部分之節氣門位置感知器都是採用電阻型式電阻式節氣門位置感知器係將一可變電阻安裝於節氣門之轉動樞軸上, 當節氣門轉動時會帶動可變電阻轉動而使電阻值產生改變, 電阻值的改變會使輸出電壓值產生變化, 如此一來就可經由電壓的變化情形來瞭解節氣門的位置變化為何 ACC 系統作動期間需透過節氣門位置訊號參數來瞭解節氣門之位置作動頻率及移動速率, 以作為控制命令調整之依據,ACC 系統雛形車係透過節氣門位置感知器來取得節氣門位置訊號 ( 三 ) 煞車踏板行程計 ACC 系統作動期間需透過煞車踏板行程訊號來瞭解煞車踏板移動行程量踏板作動頻率及踏板移動速率, 以作為控制命令調整之依據,ACC 系統雛 16 車輛研測資訊

5 專題報導型車係透過於煞車踏板處安裝一行程計來擷取煞車踏板移動行程參數, 行程計安裝位置如圖三所示 ( 五 ) 車速感知器 ACC 系統雛型車之車速訊號擷取自 ABS 輪速訊號, 透過頻率轉電壓之電路設計, 經實車校正後獲得電壓與車速關係, 車速訊號頻率轉電壓過程主要係透過一自製電路來完成, 此電路包含電源處理區塊訊號處理區塊與頻率轉電壓區塊, 轉換電路之圖三煞車踏板行程計架設情形電路板如圖五所示 ( 四 ) 加速度感知器 ACC 系統作動期間的乘坐舒適度為系統能力評估的重要參考因素, 而車輛縱向加減速的控制對乘坐舒適度有很重要的影響, 因此為了得到舒適平穩的加減速控制, 邏輯運算控制器於系統執行過程中圖五車速訊號頻率轉電壓電路板圖將持續追蹤車輛之加減速度 ACC 系統雛型車係透過一 2G 加速度計來取得加減速度訊號, 之所以會選擇 2G 之加速度計, 主要是因為一般車輛之縱向最大加減速度不易超過 1G, 若選擇太大規格之加速度計, 會使得所擷取之訊號解析度過於模糊, 因此才會選擇 2G 之加速度計來作為加減速度訊號擷取來源, 加速度感知器安裝位置如圖四所示四致動器架設智慧巡航控制系統雛型車之油門及煞車踏板驅動機構主要是採用真空定速器來作為油門煞車踏板牽引力量來源, 此真空定速器由一鋼製外殼組成, 其內有兩大氣室, 分別為真空室及大氣室, 兩氣室間隔著一富有彈性之膜片, 氣室出口端有三個電磁閥, 這些電磁閥可以控制兩氣室出口之開與閉, 當電磁閥作動時會使得兩氣室分別充滿大氣與真空進而產生兩室壓力差, 此時膜片就會往壓力低的氣室移動, 膜片移動時亦會帶動附著於其上之鋼索移動, 鋼索的移動即可產生油門或煞車踏板的牽引圖四加速度感知器架設情形車輛研測資訊

6 力真空定速器如圖六所示圖六真空定速器構造圖圖七油門踏板驅動機構構造圖油門踏板驅動機構構造圖如圖七所示, 其作動情形為當真空定速器內電磁閥作動時會使得真空定速器內之真空室與大氣室間產生壓力差, 此壓力差會使得彈性膜片往真空室移動, 此時油門踏板驅動鋼索亦會隨之移動進而帶動油門踏板移動, 油門踏圖八煞車踏板驅動機構構造圖板一移動就會帶動節氣門鋼索移動, 使得節氣閥體移動產生引擎加速的效果煞車踏板驅動機構構造圖如圖八所示, 其作動情形為當真空定速器內電磁閥作動時會使得真空定速器內之真空室與大氣室間產生壓力差, 此壓力差會使得彈性膜片往真空室移動, 此時煞車踏板驅動圖九煞車行程變化與 PWM 命令關係鋼索亦會隨之移動進而帶動煞車踏板移動, 煞車踏板的移動會帶動總泵推桿推動總泵內之活塞移動建立起煞車油壓, 此油壓經由煞車油管傳送至煞車分泵, 推動煞車蹄片夾緊煞車圓盤, 使得車輛產生減速煞車的效果圖十節氣門開度變化與 PWM 命令關係 18 車輛研測資訊

7 專題報導圖九與圖十分別為不同 PWM( 脈波頻寬調變模組 ) 命令與煞車踏板行程變化及節氣門開度變化之關係, 不同的控制命令可使受控體有明顯的反應速率差異, 此特性可做為車輛不同程度之加減速控制車將持續加速, 但由於受限駕駛所設定之巡航目標車速, 本車最終將維持在目標車速上定速巡航, 而當測得前方車距低於 90 公尺, 且前車車速低於定速巡航目標車速時, 將轉由前車速計算之安全車距做為追蹤目標, 若當前車速有高低變化時, 所需保持之安全距離將隨之增長或縮短, 以計算式做說明, 五控制邏輯設計與實現本中心所發展之智慧巡航控制系統, 包含 Stop&Go 與 ACC 之功能, 簡單以下面情境描述功能, 當具備有智慧巡航系統之車輛行駛於高速公路, 由駕駛完成設定目標車速後, 駕駛無須再控制油門, 車輛即自動加速並維持在目標車速巡航, 一旦雷達偵測到前方較低速之車輛, 系統自動減速並與前車維持一安全距離跟車巡航, 直到前方低速車輛變換車道, 雷達無偵測到前方任何障礙後, 系統當前方無車輛時相對車速 (Δv) 與距離誤差 (Δd) 由 (a)~(c) 式求得, 若偵測前方有低速車輛時則由 (d)~(f) 式求得 Safety distance = Target speed Time gap + Safety factor......(a) Relative speed (Δv) = Target speed - Speed of the host vehicle (b) Distance error (Δd) = Safety distance - integral of the relative speed...(c) 則自動加速並回復到原目標車速定速巡航, 當車輛駛離高速公路進入市區道路, 於道路壅塞情況下, 系統可執行走走停停之跟車模式, 降低駕駛之負荷由以上描述可知控制器需完成定速巡航控制與定距跟隨控制等 2 項行為, 而其切換的判斷在於前方是否有車輛, 為達此目的採如圖十一之判斷流程設計, 當前方 90 公尺內 ( 判定是否有前車之基準 ) 無任何車輛時, 會假設有一部虛擬的前車始終位於前 Safety distance = Speed of the preceding vehicle Time gap +Safety factor (d) Relative speed (Δv) = Speed of the preceding vehicle - Speed of the host vehicle (e) Distance error (Δd) = Safety distance - Relative distance (f) 方 100 公尺處, 理論上為追上前面的虛擬車輛, 本車輛研測資訊

8 求得 Δv 與 Δd 之目的為提供模糊控制法則 (Fuzzy control) 之輸入如圖十二, 本計劃之初曾嚐試使用 PID 控制設計, 此法則用於定速巡航上有很好的追蹤效果, 但對於定距之車輛跟隨, 由於追蹤目標隨前車速變化不再是固定值,PID 控制法則無法快速反應模糊控制器的特色, 是倚賴駕駛行為經驗, 將其融入控制器的設計與調校, 而無須很清楚的受控運動模型做分析, 以本系統之車輛跟隨控制為例, 實際人為駕駛在判斷執行加速或減速的命令, 取決於當時 2 車間之相對距離與 2 車間之相對車速, 相對距離遠則下達加速命令, 反之相對距離近則下達減速命令 ; 當相對車速為正值 ( 前車遠離 ) 則下達加速命令, 反之相對車速為負值 ( 迫近前車 ) 則下達減速命令, 模糊控制策略將此因素之程度給予有意義之名稱, 再透過 if and if then 的判斷來獲得輸出命令, 本文不再詳述模糊控制法則之理論, 僅將本系統模糊控制器之輸入設計與融合法則設計以圖十三表示, 輸出值 u 為正則表示加速命令, 反之若為負表示減速命令, 其絕對值的大小代表強弱程度圖十一定速巡航與定距跟隨之判斷架構 20 車輛研測資訊

9 專題報導圖十二智慧巡航控制系統控制器迴路設計控制邏輯的實現係使用德國dSPACE開發之高階控制器來達成其特色為可藉由Simulink軟體快速的建構控制邏輯程式下載至控制器立即進行實車試驗並透過其人機介面軟體即時監控下達命令與即時調整控制參數此設備為國外系統控制器開發常用工具之一六控制邏輯實車試驗與調校在進行控制器參數調校時較嚴謹且安全的做法是先於車輛動態模型上進行虛擬控制實驗以確認控制邏輯的合理性以及將控制參數調校至大概的範圍後再進行實車試驗此方式可大量減少實車trial and error的時間且可確保在較安全的狀態下試驗車輛運動模型的來源除由車輛運動力學建構外亦可運用套裝軟體如Carsim完成但無論採用何種方式試驗車本身之引擎扭力轉換變速圖十三智慧巡航控制系統控制器模糊控制法則設計車輛研測資訊

10 器煞車輪胎等設計參數必須能夠掌握本研究受限於相關參數取得不易, 以及國內尚無完整車輛模型量測設備與技術, 因此直接進行實車控制邏輯調校, 為確保實車試驗的安全, 設計如圖十四之虛擬前車之試驗方法, 避免兩車真實跟車實驗可能的追撞, 其透過傳送一部虛擬的前車車速變化給控制迴路, 即時計算任何時刻的相對車速與積分後的圖十六模擬 Stop&Go 使用環境之前車速相對距離, 如此可取代原雷達所需提供之資訊虛擬前車先由本試驗車模擬前車的加減速行駛行為, 並記錄其車速之時間域資料獲得, 本實驗建立較高速行駛與低速走走停停之模擬情境, 虛擬前車之行駛行為如圖十五圖十六, 本計畫之實車試驗於 ARTC 試車場之高速周回路進行, 其為全長 3.5 公里之環型跑道下列的實驗結果將呈現傳統定速巡航虛擬前車 Stop&Go 試驗虛擬前車 ACC 試驗以及真實前車 Stop&Go 試驗之結果, 圖十七為連續步階命令追蹤之結果, 其目的為確認定速巡航時, 控制器對駕駛所下達的目標車速之反應, 圖十七 (a) 說明車速追蹤有很好的表現, 車速小幅度飄移之原因, 來自於試驗跑道南北端側傾設計所致, 圖十七 (b) 圖十七(c) 分別為油門與煞車之命令, 從油門與煞車交替使用的合理性分析, 定速巡航應儘量不作動煞車控制為原則, 雖結果於低速時之煞車作動較為頻繁, 但一般之定速巡航均使用於車速 50 kph 以上, 因此此設圖十四使用虛擬前車進行控制器設計計仍能符合要求圖十八為利用虛擬前車進行低速 Stop&Go 跟車試驗結果, 圖十八 (a) 說明對前車車速有很好之追蹤效果, 即 2 車車速相近, 圖十八 (b) 說明試驗車均能依系統所計算之安全距離來與前車保持相對距離, 圖十八 (c) 圖十八(d) 所呈現的油門與煞車作動甚為合理, 煞車僅於前車減速時發生圖圖十五模擬 ACC 使用環境之前車速 22 車輛研測資訊

11 專題報導十九為利用虛擬前車進行高速 ACC 跟車試驗結果, 圖十九 (a) 說明對前車車速有很好之追蹤效果, 圖十九 (b) 說明即使前車有 2 次較激烈之減速行為發生, 系統均能保持大於安全距離之控制, 圖十九 (c) 圖十九 (d) 所呈現的油門與煞車作動亦同樣相當合理圖二十為真實前車進行低速 Stop&Go 跟車試驗結果, 前車假想於市區走走停停的行車模式行駛, 本車使用雷達偵測彼此間之相對運動關係, 圖二十 (a) ~ 二十 (d) 所呈現之結果, 無論於車速追蹤車距保持以及油門與煞車作動的合理性, 均與先前運用虛擬前車之試驗結果相近, 驗證此控制器符合實際設計目標圖十八以虛擬前車進行低速 Stop&Go 跟車試驗結果圖十七定速巡航控制結果圖十九以虛擬前車進行高速 ACC 跟車試驗結果車輛研測資訊

12 實際上 Stop&Go 因使用於市區道路, 相較於 ACC 使用於高速公路道路環境, 需考量更週延之前方偵測系統 ( 增加人機車之辨識 ), 通常會使用 24GHz 雷達與影像辨識技術的輔助, 建議後續研究可將此部分一併納入, 以期所研究之系統更符合實際使用需求八致謝本研究承蒙經濟部技術處科技發展基金補助, 特此致謝圖二十真實前車進行低速 Stop&Go 跟車試驗結果七結論本研究於虛擬前車試驗方法, 已驗證符合低速 Stop&Go 與高速 ACC 之設計, 但於實車跟車試驗僅進行低速 Stop&Go 的驗證, 主因在於所使用之雷射雷達的散射角太小 ( 約 0.3 度 ), 易受車輛行駛俯仰效應影響, 導致偵測目標的失誤, 考量實車高速 ACC 試驗之危險性, 本計畫暫不進行此項試驗, 待日後搭配性能較佳之雷達後再進行本研究使用單一控制器完成傳統定速巡航 ACC 與 Stop&Go 之功能, 如此可避免於不同情境下必須使用不同控制法則的切換此外本研究也提出虛擬前車之試驗方法, 以較安全的方式進行實車控制邏輯之調校九參考文獻 [1] 陳柏睿, 智慧巡航系統雛型車建構與控制系統設計製作報告, 財團法人車輛研究測試中心技術報告,No.CB ,2006 [2] 陳建次陳柏睿, 智慧巡航系統邏輯設計與實車驗證技術報告, 財團法人車輛研究測試中心技術報告,No.CB ,2006 [3] ISO 15622: Transport information and control systems-adaptive Cruise Control systems- Performance requirements and test procedures, [4] SAE J2399: Adaptive Cruise Control (ACC) Operating Characteristics and User Interface, 車輛研測資訊

13 專題報導 [5] J.E. Naranjo, C. Gonzalez, J. Reviejo, R. Garcia, and T. de Pedro, Adaptive Fuzzy Control for Inter-Vehicle Gap Keeping, IEEE, vol. 4, no.3, pp , Sept [6] M. Person, F. Botling, E. Hesslow and R. Johnsson, Stop & go controller for adaptive cruise control, IEEE International Conference, pp , Aug , [7] C. T. Chen, Novel System Design and Implementation of An All-Speed Fuzzy Adaptive Cruise Controller, MS thesis, Department of Electrical Engineering, National Chung Hsing University, [8] P. H. Shi, Design and implementation of an FPGA-based Intelligent Cruise Control System, MS thesis, Department of Electrical and Control Engineering, National Chiao Tung University, [9] J. W. Chen, Fuzzy Neural Networks based Adaptive Cruise Control, MS thesis, Department of Electrical and Control Engineering, National Chiao Tung University, [10] F. Sanchez, M. Seguer, A. Freixa, P. Andreas, K. Sochaski and R. Holze, From Adaptive Cruise Control to Active Safety Systems, SAE Technical Paper, no , 車輛研測資訊

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untitled Development of All-Speed Intelligent Cruise Control System Adaptive Cruise Control Fuzzy Control (77 GHz) (40kph )(ACC) (24GHz) (40kph ) Stop&Go This combination of advanced sensing and automatic control