基于CAN总线的安全车距保持系统

一、前言

作者设计的基于CAN总线的安全车距保持系统通过对车辆的油门开度和制动压力进行控制，在危险工况下，迫使车辆减速，从而减轻碰撞强度甚至避免碰撞；在安全工况下，使自车与前车保持安全距离行驶，能取代驾驶员进行部分操作，降低驾驶员的劳动强度，提高行车安全性。利用CAN总线优越的容错性和可靠性，满足安全车距保持系统的分布式协同控制和实时性的要求。

二、系统功能设计

系统功能设计主要是对安全车距保持系统的结构以及功能进行设计，系统结构如图1所示。该系统根据驾驶员设定及车辆状态确定当前的安全车距，并结合当前的车况和路况信息，通过安全车距保持控制算法确定使车辆保持安全距离行驶需要的油门开度和制动压力。油门和制动执行器控制算法通过控制相应执行器实现期望的油门开度和制动压力，同时当前的车况和路况信息会通过显控装置提供给驾驶员，以扩展驾驶员的感知能力。

根据安全车距保持系统的特点，通过模块化设计，将整个系统分解为车辆信号采集、雷达信号处理、整车控制器、辅助制动和电子油门5个部分，其功能如下。

（1）车辆信号采集主要采集轮速和发动机转速传感器的脉冲信号、加速度传感器和加速度踏板位置传感器的模拟信号、制动踏板和转向的开关信号，并对原始信号进行处理，提取需要的车辆状态信息。

（2）雷达信号处理主要对雷达传感器的信息进行处理，提取车辆前方有效目标物的相对速度和相对距离信息。

（3）整车控制器主要接受驾驶员对安全车距的设定，根据自车以及前方目标物的状态，确定保持驾驶员设定的安全车距行驶需要的油门开度和制动压力，并将主要车况和路况信息提供给驾驶员。

（4）辅助制动主要通过对制动执行器的控制实现期望的制动压力。

（5）电子油门主要通过对油门执行器的控制实现期望的油门开度。

要实现上述各项功能，仅通过单一的电控单元很难保证安全车距保持系统实时性，同时也不利于系统的扩展以及与其它电控系统的信息共享。为保证系统的实时性和可靠性，实现系统的开放式通信和各部件的分布式协同控制，作者将CAN总线应用于安全车距保持系统。

三、控制系统设计

采用dSPACE公司的Micro Auto Box为整车控制器、MC9S12DP256单片机为其它各部分电控单元的核心，通过对CAN协议和通信软件的设计，将系统各部分作为网络节点挂接在CAN总线上，从而构成了行车安全辅助系统的控制网络。在此基础上，针对各模块的功能，设计相应的控制算法、信号采集和处理算法，并通过CAN网络实现信息共享和分布式协同控制，从而实现安全车距保持系统的各项功能。

（一）CAN网络设计

CAN控制网络设计主要对网络的结构、应用层协议等进行设计。按安全车距保持系统功能将整个系统进行分解，通过对CAN协议和各部分通信程序的设计，将各部分作为网络节点挂接在CAN总线上，构成图2所示的行车安全辅助系统控制网络。

网络应用层协议采用CAN210B标准，网络中的信息采用标准信息帧，所有信息帧以20ms为固定周期广播式发送。 [page]

图2 安全车距保持系统CAN控制网络

（二）信号采集节点

车辆信号采集节点主要执行车辆信号采集功能。其软件部分主要包括脉冲信号采集、A/D信号采集、开关量采集、工程量转换和CAN通信。对于脉冲信号频率的计算，利用MC9S12DP256的增强型捕捉口通过对脉冲信号上升沿进行捕捉获取脉冲信号的周期，从而得到车轮和发动机的转速。

（三）雷达信号处理节点

雷达信号处理节点执行雷达信号处理功能。其软件部分主要包括雷达传感器CAN通信、有效目标信息提取和整车CAN通信。有效目标信息提取主要根据雷达探测到的前方所有目标物的相对距离和方向角信息对该目标是否位于自车车道内进行判断，从多个目标中选取出有效目标，并将该目标的相对距离和相对速度信息作为前方有效目标的信息。

（四）整车控制器节点

整车控制器节点执行整车控制器功能。硬件部分包括基于Micro Auto Box的控制器和基于笔记本PC机的人机交互界面，其中人机交互界面采用dSPACE公司的Control Desk软件进行设计，该软件包含笔记本与Micro Auto Box的计算机总线通信程序。

软件部分主要为车距保持系统控制算法，流程图如图3所示。其中安全距离模型采用时距模型，时距由驾驶员设定。

当前方有目标车辆时，以安全距离模型输出的安全车距为控制目标进行车距控制，控制算法采用LQ方法进行设计；当前方无目标时，以驾驶员设定的最高车速为目标进行车速控制，控制算法采用PI方法进行设计。车距控制和车速控制组成整车控制器的上位控制器，其输出为使被控车辆按期望目标行驶时所需要的期望加速度。下位控制器根据输入的期望加速度输出相应的油门开度和制动压力，使车辆以期望的加速度行驶。其主要包括车辆动力学逆模型（用以消除车辆传动系统的非线性）和PI加速度控制器（用以实现对期望加速度的跟踪控制）。

（五）辅助制动节点

辅助制动节点执行辅助制动功能。其硬件系统主要包括辅助制动控制器、驱动器、压力传感器和制动执行器。其中制动执行器主要包括压力源、压力调节和梭阀。软件部分主要包括信号采集、控制算法和CAN通信。其中的控制算法包括电机控制和电磁阀控制。电机控制是对电机的启停进行控制，当蓄能器压力低于4MPa时，启动电机直到蓄能器压力达到6MPa，然后关闭电机。

电磁阀控制主要通过脉宽调制方法对电磁阀的开启时间进行控制从而实现对制动压力的控制。当期望制动压力大于当前制动压力时，关闭回油阀，对进油阀进行控制；当期望制动压力小于当前压力时，关闭进油阀，对回油阀进行控制。控制电磁阀的脉冲信号频率为10Hz，脉冲信号占空比由期望制动压力与实际制动压力的误差通过比例环节产生。此外，当期望制动压力低于设定值时，则认为不需要进行辅助制动，此时辅助制动系统处于停止状态以减少能量消耗。 [page]

（六）电子油门节点

电子油门节点执行电子油门功能。其硬件系统主要包括电子油门控制器、驱动器、节气门开度传感器和油门执行器。其中油门执行器为直流电机，通过它拖动发动机的节气门实现对发动机的控制。其软件部分主要包括信号采集、控制算法和CAN通信。对直流电机采用脉宽调制方法进行控制，脉冲信号频率为2kHz，脉冲信号占空比由期望油门开度与实际油门开度的误差通过比例积分环节产生。

四、系统集成和试验

集成前面设计的CAN网络以及各节点，便构成基于CAN纵向的安全车距保持系统，如图4所示。

图4 基于CAN总线的安全车距保持系统

在完成系统集成基础上，通过一系列试验对系统性能进行验证，试验过程中使用CAN总线分析工具Can Analyzer对网络情况进行监测，部分结果如图5所示。

图5 安全车距保持系统试验结果

试验结果说明如下。

（1）试验过程中，在20ms通信周期下，CAN网络的负载率和错误率都在允许范围内，能够满足安全车距保持系统的实时性和可靠性的要求。

（2）从图5（a）和图5（b）可知，系统对安全车距具有良好的跟踪性能，稳态距离误差小于1m，稳态速度误差小于1km/h，该系统能够满足使用要求。

（3）由于物理结构限制，实际油门开度和制动压力有一个下限，分别为怠速油门开度和残留制动压力。为保证油门和制动顺利切换，油门开度和制动压力期望值的下限略低于物理下限，从而导致当期望油门开度和制动压力小于物理下限时，实际值便不能跟踪。这是为避免同时出现较大的油门开度和制动压力从而损坏传动轴，但并不会影响系统的性能。当期望值在允许范围内时，从图5（c）和图5（d）可知开发的辅助制动和电子油门系统对期望制动压力和油门开度具有较好的跟踪性能，能够满足系统对执行器的要求。

五、结论

（1）设计的CAN网络以及各部分硬件均能够正常工作，达到了预期设计目标。

（2）各部分的控制算法均能够较好地对相应的被控对象进行控制，具有较好的跟踪性能。

（3）安全车距保持系统能够实现车辆以驾驶员设定的安全车距跟随前车行驶，且系统的控制精度能够满足使用要求。

（4）以该系统为平台可集成其它的行车安全辅助系统，比如车道保持、起停系统、前向报警、车道偏离报警、视觉增强系统以及现有的一些车辆动力学控制系统等，从而实现人车路一体化的先进安全车辆控制系统，提高行车安全性。(end)