汽车电子巡航系统技术

汽车电子巡航系统
摘要: 汽车电子巡航系统(CCS),又称为定速巡航行驶系统,这种系统在车辆处于高速时有显著的优点。

关键词: 巡航系统；车辆控制
1.汽车电子巡航系统概述
1.1 简述
汽车巡航控制系统(Autonomous cruise Control System)指当汽车在高速公路上行驶时，驾驶员即使不踏加速踏板，汽车仍可以按驾驶员所希望的车速自动保持行驶功能。

汽车自动巡航控制系统根据驾驶员设定的目标车速和车辆行驶阻力的变化，自动调节节气门开度，以使车辆达到按目标车速自动行驶的目的。

汽车自动巡航控制系统除了维持车辆按驾驶员所希望的车速行驶外，还具备加速、减速和恢复的功能。

在汽车自动巡航控制状态下，如果踏下制动踏板或操纵巡航控制取消开关，则可自动解除巡航功能，如果重新按下恢复开关，则恢复解除前的固定的车速。

在巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶所可能遇到的阻力，车辆自动变换节气门开度或自动进行档位转换，以按存储在微处理器内的最佳燃料经济性规律或动力性规律稳定行驶。

1.2 汽车巡航技术的作用
巡航控制系统：当系统启动后，不用踩油门踏板就自动地保持车速，使车辆以固定的速度行驶，采用了这种装置，当在高速公路上长时间行车后，司机就不用再去控制油门踏板，减轻了疲劳，同时减少了不必要的车速变化，可以节省燃料。

当汽车在长距离的高速公路行驶时，启动巡航控制系统就可以自动将汽车固定在特定的速度上，免除驾车者长时间脚踏油门踏板之苦。

同时，它还能在巡航状态下对预定的车速进行加速和减速的调节。

1.3 国内外汽车巡航技术的发展分为三个阶段
第一阶段是年代中期，早期的汽车巡航控制系统主要是机械式和气动机械式巡航控制系统。

例如，日本丰田公司从年起就开始在车上装用机械式巡航控制系统。

之后，德国的公司也研制出了气动机械式巡航控制系统。

而年德国奔驰公司开发了晶体管控制的巡航控制系统，并在莫克利汽车上装用，这期间美国和日本相继出现了以模拟电路为基础的汽车巡航控制系统。

第二阶段是年代中后期，以数字信号为主的控制系统。

随着单片机技术的发展，特别是大规模集成电路及单片机的应用，出现了以数字技术为基础的巡航控制系统。

如年美国鲁卡斯汽车研究中心研究出了性能完善的运用卫星雷达的数字车速／车距控制系统，该系统可以更好地适应路面状况的变化。

日本日野公司于年投放市场一种基于燃油经济性的车速控制系统，其控制框图如图所示。

其控制部分的核心是微处理器。

美国摩托罗拉公司也
研制了一种采用微处理器控制的巡航控制系统，这种系统的所有输入指令以数字形式直接存储和处理，微处理器根据指令车速、实际车速以及其他输入信号，按给定程序完成所有数据处理，并产生步进电动机的驱动信号输出，改变节气门开度，每种车型的最佳加速度和减速度由编程人员决定。

从安全上考虑，将制动开关与节气门执行器直接相连，这样当踩下制动踏板时，在断开巡航控制系统的同时，将执行器的动力源断开，从而使节气门迅速脱离巡航控制系统的控制
第三阶段，从20 世纪90 年代开始，国外又开始发展以智能化为核心的汽车自动巡航控制系统和以定距离控制为主的自适应巡航控制系统。

1990 年美国鲁卡斯
公司研制出一种自动恒速智能控制系统，该系统采用了连续调频波雷达，通过雷达来探测前方车辆与本车的距离，通过处理单元计算出相对车速与距离，并将该信息提供给电子控制单元，通过执行器控制节气门来控制车速。

目前国外很多专家都在研究自适应巡航控制系统。

这种巡航控制系统主要由测速装置、转向角传感器、车速传感器、制动电子控制单元等组成。

目前不少车辆，特别是高级轿车已经把巡航控制系统作为配备设备或备选设备。

由于国内汽车起步较晚，并且就目前我国公路状况和实际应用来说，对汽车巡航控制系统的研究应用主要是以单车定速控制为主。

目前，模拟汽车恒速控制器在我国已经投人生产和使
用。

国内有多所高校和科研单位从事汽车自动巡航控制系统的研究，控制系统的硬件核心部件采用不同型号的单片机，控制策略多采用调节方式，也有人将模糊控制算法应用于巡航控制系统，模仿驾驶员驾驶汽车的情况，根据目标车速与实际车速之间的偏差及路面情况，利用自己的经验，决定加速踏板的变化量，从而使汽车车速趋近于目标车速。

1.4 汽车巡航控制系统的工作环境
众所周知，汽车的行驶是在发动机产生动力以后，借助于地面对车轮的反作用力行驶的。

车速的变化情况非常复杂，会受到路面滚动阻力，汽车行驶时风的阻力，以及道路坡度等时变因素的影响而变化，而且也受到发动机工况、负荷情况等的影响。

坡道的阻力是随着道路坡度大小而变化的，即使在高速公路上也不可能避免爬坡或下坡行驶，车重越大时，坡道的阻力就越大，下坡时的惯性力也就越大，而路面的滚动阻力系数也随路面的情况、轮胎形状、温度、气压、行车速度等变化而随机地变化，风阻与车速的二次方成正比，由于汽车行驶过程中风速的大小和方向不断变化，并且车速越大，风阻也越大，巡航行驶时风阻便是一个不能忽略的因素，再如上发动机输出转矩与节气门的关系非常复杂，决定了巡航控制的实现是非常复杂的。

不但如此，由于巡航控制系统是工作在汽车上，而使用汽车的自然环境地区条件是千差万别的，有时两地的条件差异特别大，所以又必须考虑一下巡航的特殊工作环境。

如南方和北方的冬季温差特别大，汽车各零部件工作温度也相差较多，温度对电气零部件的额定工作电流是有影响的；同时湿度较高的环境容易造成电子元器件绝缘损坏或腐蚀机件；当汽车行驶在崎岖不平的山路时，又会产生很大的振动，这对电子控制系统来讲就要求较高；另外，汽车的供电系统有蓄电池和发动机两个电源，由于发电机发电程度不同，使蓄电池两端输出电压变化较大，同时发动机调节器一般是用通断方式控制发动机激励电流，所以汽车上的电源波动及瞬时过电压形成的电气环境也较恶劣；这些环境对汽车的保养与控制系统的可靠性等都是一些不利的因素。

在研究巡航系统时，应充分考虑到这些复杂的因素，才能设计出具有较高控制精度的应用系统。

2. 系统的总体构成
2.1 汽车电子巡航控制系统总体构成
图2.1 汽车电子巡航控制系统总体构成
电子巡航控制系统主要由主控开关、车速传感器、电子控制器和执行元件四部分组成。

（ 1 ）主控开关。

主控开关一般为组合式开关，安装在方便驾驶员操作的转向盘或其它部位。

它由主开关和控制开关组成，主开关为巡航系统的电源开关；控制开关一般有三个开关、五种控制功能，即SET/COAST （设置/ 减速）、RES/ACC （恢复/ 加速）和CANCEL（取消）。

接通主开关，当汽车行驶在40 ~ 200km/h 范围内时，压下SET/COAST 开关
并松开，巡航控制ECU 使汽车以松开开关时的车速稳定行驶。

此时，再压下SET/COAST 或RSE/ACC 开关，汽车将加速或减速，并以松开开关时的速度稳定行驶。

压下CANCEL 开关或安全系统起作用后，巡航系统取消，再压下RES/ACC 开关，汽车将恢复取消前设定的速度稳定行驶。

（ 2 ）车速传感器。

车速传感器通常和车速里程表驱动装置相连，具有非电子式车速表的汽车，巡航系统设有专用车速传感器，一般安装在汽车变速器输出轴上。

车速传感器有光电式、霍尔效应式、磁阻式等多种结构形式。

（ 3 ）执行元件。

执行元件是电子巡航控制系统的一个组成部分，有电动和气动两种控制形式。

电动控制方式一般采用步进电机控制，而气动控制方式多数采用进气歧管真空度
控制的真空伺服结构。

（ 4 ）电子控制器。

电子控制器又称巡航电脑，是整个控制系统的中枢，它接受来自制动踏板、车速传感器和操纵开关的信号，经处理后控制伺服装置，继而控制执行机构动作。

2.2 汽车巡航控制系统基本原理
图2.2 汽车巡航控制系统基本原理
由图可知，控制器的输入是以下两个车速信号的差：一个是驾驶员按要求的车速设定的车速信号；另一个是实际车速的反馈信号。

ECU 将这两种信号进行比较，得出误差信号，经放大、处理后成为节气门控制信号，送至节气门执行器，驱动节气门执行器工作，调节发动机节气门开度，以修正实际车速，从而将实际车速很快调整到驾驶员设定的车速，并
保持恒定。

图2.3 发动机节气门开度
通常将汽车在平坦路面上行驶时车速与节气门开度的关系存储在巡航控制系统ECU 的COM 中。

汽车在平坦、上坡与下坡路面上行驶时的车速与节气门开度的关系如图所示。

巡
航控制系统根据目标车速自动维持汽车恒速行驶。

汽车在巡航定速状态下，当汽车速度下降时，ECU 加大节气门开度，使发动机功率升高，转矩增大，车速达到设定速度。

反之，减小节气门的开度。

系统进行巡航控制时，若在平坦路面上车速为V0 时，按下设定开关进入巡航控制的自动行驶状态，此时节气门开度在0 点，一旦遇到爬坡时，则行驶阻力增加，如不进行调节控制，车速就会降到VC 点，但巡航控制器会按照一定的控制规则控制节气门，使节气门开度从0 点变为A 点，使车速稳定在V0 点，重新取得动力平衡。

当遇到下坡时，行驶阻力减小，巡航控制系统调节节气门的开度由0 点变到B 点，使车速保持在V0 点取得平衡。

因此，即使行驶阻力发生变化，车速也只在很小范围内变化，达到稳定行驶的目的。

当车速在40KM/H 以下、160KM/H 以上时，巡航系统不工作。

当然这个上下限的限定依车型的不同而略有不同。

2.3 汽车巡航控制系统的功能设计
恒速行驶功能：汽车自动巡航即指汽车在行驶时，驾驶员即使不踏加速踏板，汽车仍可以按驾驶员所希望的车速自动保持行驶的功能，这是巡航控制系统最基本的功能。

加速、减速功能：车辆处于巡航行驶的状态时，若按下加速开关，则设定速度增加，此为加速功能。

同样，若按下减速开关，则设定速度减小，此为减速功能取消、设定功能如果踏下制动踏板或操纵巡航控制的解除开关，则可自动解除巡航功能。

如果重新按下设定开关，汽车进入巡航状态。

自动选、换档功能：
巡航控制期间，随着道路坡度的变化以及汽车行驶所可能遇到的阻力，车辆自动变换节气门开度或自动进行档次转换，以按存储在内的最佳燃油经济性规律或动力性规律稳定行驶。

防止误操作及报警功能在不具备巡航条件的情况下，例如车辆在起步阶段或档位在二档以下等，驾驶员启动了巡航开关，巡航控制系统应防止类似的误操作，并具有报警的功能。

2.4 系统可扩展性、可靠性及抗干扰性设计
系统必须在国家认定的检测机构完成各种型式试验并有相应的试验报告，系统必须在国家认定的可靠性试验机构完成各种可靠性试验并有相应的试验报告，系统必须符合相关国家标准和汽车行业标准。

电磁兼容性是衡量系统能否推广应用和进入市场的先决条件之一，也是确保系统稳定性和数据安全性的必备条件。

电磁兼容性一方面要求系统对周围环境所产生电磁干扰降至最低；另一方面又要求自身在严重电磁干扰的恶劣环境下，仍能保持正常工作。

同其他工业控制现场相比，汽车电子产品的工作环境温度范围大, 电磁干扰和其他电子噪声强，环境恶劣，为此在设计电路时，要充分考虑电磁敏感度和电磁干扰, 采取必要的抗干扰措施。

硬件方面采用电磁兼容设计，重点考虑静电场、磁场和传输线路及电路引入的干扰。

稳压电源设计中，考虑到由于蓄电池与汽车交流发电机、起动机、点火线圈相连，不仅电压波动大，而且含有尖峰脉冲干扰很大，因此必须采用宽范围的稳压设计，并加入电源电压监测软件方面采用避错和容错等技术，对信号进行软件滤波，设计上电复位抗干扰程序，运用失效保险等技术设计抗瞬间干扰程序；并且发生错误时，还可根据出错种类进行处理。

3. 系统硬件组成
3.1 微控制器与电源电路、复位电路
3.1.1 电源电路
Vcc:+5V 电源电压。

Vss:电路接地端。

3.1.1 电动机电路图
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3.1.2 复位电路
3.1.2 8051 单片机复位电路
3.2 系统传感器
3.2.1 车速传感器
车速传感器检测电控汽车的车速，控制电脑用这个输入信号来控制发动机怠速，自动变速器的变扭器锁止，自动变速器换档及发动机冷却风扇的开闭和巡航定速等其它功能。

车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号或者是光电式数字信号，车速传感器通常安装在驱动桥壳或变速器壳内，车速传感器信号线通常装在屏蔽的外套内，这是为了消除有高压电火线及车载电话或其他电子设备产生的电磁及射频干扰，用于保证电子通讯不产生中断，防止造成驾驶性能变差或其他问题，在汽车上磁电式及光电式传感器是应用最多的两种车速传感器，在欧洲、北美和亚洲的各种汽车上比较广泛采用磁电式传感器来进行车速(VSS)、曲轴转角(CKP)和凸轮轴转角(CMP)的控制，同时还可以用它来感受其它转动部位的速度和位置信号等，例如压缩机离合器等。

3.2.2 节气门电位器
图3.2.2 节气门电位器
电控节气门系统,工作原理：加速踏板踏入量被传递到节气门杆的加速踏板位置传感器，发动机电控单元发出指令，并通过电机驱动节气门，以控制节气门开度。

控制节气门开度与点火时刻其优点是在加速、减速时可降低冲击：在变速时，可降低变速冲击，通过动力传动系的综合控制达到运转平顺性。

此外，在SNOW 模式（雪地行驶模式）时，规定与加速踏板开度相关的节气门开度特性，确保打滑路面上车辆的稳定性。

在VSC（车辆稳定控制系统）工作时，也能同时控制发动机功率，确保车辆的稳定，实现车辆稳定性控制系统、自动变速器（雪地行驶模式）之间的协调控制。

驾驶者的意愿（加速踏板踏入量）由内装节气门杆的加速踏板位置传感器进行检测，该节气门开度与燃油电喷系统（EFI）、自动变速器（ECT）、车辆稳定控制系统（VSC）等各种控制信号配合，由发动机电控单元决定合适的节气门开度，再由节气门执行器开启或关闭节气门。

节气门开度通过节气门位置传感器被反馈到发动机电控单元。

加速踏板位置传感器、节气门位置传感器设有主副系统，因此当系统发生故障时仍可保持不断监视功能，确保运转安全性。

3.2.3 A/D 转换器
数模转换器，又称D/A 转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。

D/A 转换器基本上由4 个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。

模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D 转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。

3.3 执行机构及操纵杆
3.4 硬件设计抗干扰措施
硬件方面采用电磁兼容设计，重点考虑静电场、磁场和传输线路及电路引入的干扰。

稳压电源设计中，考虑到由于蓄电池与汽车交流发电机、起动机、点火线圈相连，不仅电压波动大，而且含有尖峰脉冲干扰很大，因此必须采用宽范围的稳压设计，并加入电源电压监测。

4. 系统软件设计
4.1 车辆巡航控制系统程序设计要求
巡航控制系统的信号采集、控制量输出，以及控制决策的确定等各项功能都要通过软件编程来实现。

控制系统中的应用软件是根据系统的各项功能要求而设计的。

它首先应该可靠地实现控制系统的各项功能。

软件设计的主要原则是：
软件设计与硬件设计综合进行。

在软件设计中，应充分发挥单片机的高性能潜力，进行硬件的软化，以减少控制系统硬件电路元器件的数量，降低系统的造价和提高系统的可靠性。

各功能程序实现模块化、子程序化，这样便于程序的调试、移植和修改。

同时，大量重复使用的程序设计模块在各处可进行调用，因此可节省大量的程序存储空间。

对程序存储区和数据存储区进行合理规划，以提高程序运行速度，有效地利用程序存储空间。

在系统程序设计中，同时进行抗干扰设计。

软件抗干扰也是提高控制系统可靠性和抗干扰的有效措施。

4.2 车辆巡航控制系统程序组成
在汽车电子巡航控制系统中，车速信号反馈至电子控制器，并与指令车速进行比较，因而系统工作在闭环控制方式，采用的控制方法如前所述。

通过对单片机编程来实现转速、节气门的双闭环控制，使车速在允许的误差范围内保持稳定。

其中，涉及的模块主要有初始化模块、启动判断模块、执行器驱动模块、中断模块等。

初始化模块包括对单片机的初始化和对执行机构进行调整。

单片机的初始化主要完成对单片机引脚输入输出的设定、A/D 转换工作方式的设定。

此外，系
统软件还包括按键状态检测程序、微调车速程序、恢复巡航程序、解除巡航程序、A/D 采样程序、车速采集程序。

车速传感器采集车速信号，单片机首先判断车速信号的大小是否在可巡航的范围内，
如车速在可巡航的范围内，驾驶员按下设定键后，车速就设定在这个值上。

每隔一段时间就会检测一下实际车速与设定车速的差值是否在允许误差范围内，若不在，单片机发出命令给伺服电动机，让伺服电动机动作，调整节气门开度，使实际车速接近设定车速。

系统同时不断地检测是否有按键按下。

若有取消键、空档开关、手制动键、脚制动键其中之一被按下，巡航就被解除。

加速键或减速键被按下后，系统会修改目标车速。

恢复键被按下后，车辆重新按设定的速度行驶。

如果车速在1S 之内的变化过大时，巡航系统也将自动退出控制状态。

4.3 巡航控制系统软件设计抗干扰措施
由于在实际的系统中强干扰主要是来自系统本身，例如被控负荷电动机的通断、状态变化等，这些干扰是可预知的，在软件的设计中，可采取适当措施避开。

当系统要接通或断开大功率负荷时，暂停一切数据采集工作，待干扰过去后再恢复进行，这比单纯在硬件上采取抗干扰措施要好得多。

在适当的地方封锁某些中断源、多个通道的相互封锁，都是避免或减弱系统内部相互干扰的有效方法。

程序失控防护措施在控制现场中，大多数情况下干扰都不会造成计算机系统硬件的损坏，主要是对软件运行造成不良影响，其主要特征是，指令码和数据码的个别位受干扰而发生跳变，使得程序的执行出现错误，最典型的错误情况莫过于程序计数器发生跳变，结果可能把数据码当成指令码而把指令码当成数据码来执行。

这种盲目执行程序的结果，一方面会破坏RAM 中的数据，另一方面可能会使程序错乱或进入死循环，使整个系统失控，严重时有可能造成设备的损坏，甚至危及人身安全，所以采取有效的程序失控防护措施，是非常必要的。

巡航定速器的安全功能
4种不同的单独作用在刹车系统的安全功能
1．当刹车踏板被踩下时，刹车灯开关会传递信号给电子模块组件，电控放开节气门同时使发动机回到怠速状态。

2．为使巡航器运作，电子模块组件必须连接到刹车灯开关。

如果电子模块组件至刹车灯开关间电路被断开，就被视同踩踏刹车踏板，巡航器被解除并使发动机回到怠速状态。

3．因为上述功能依靠刹车回路作用，如果刹车灯系统故障，巡航器将不能工作。

4．巡航器将会连续不断的监控车辆的巡航速度。

任何原因使得车辆时速突然在一秒钟内失速16公里，将会关闭巡航器。

因此，每当踩煞车降低车速系统将关闭。

同时，车辆时速突然在一秒钟提速16公里，也将关闭巡航器，类似车轮在结冰的路面打滑空转。

其他附加安全功能
1．真空式：所有阀门在不工作状态都将会使车辆回到怠速状态。

比如，真空阀关闭的同时安全阀和排气法开启。

如果三个阀门中任意一个阀门故障或失去动力，单元组件将不会工作。

电子式：节气门的开启依靠一块电磁阀，如果系统的电力发生故障，电磁阀门将释放节气门回到怠速状态。

2．所有阀门或电磁阀的动力始终由微电脑监控，一旦钥匙关闭即使是瞬间，系统单元将关闭不会恢复直到重新设置。

3．微电脑监控车辆的速度，在时速低于40公里时系统单元将不会工作。

4．OFF按钮可将整个系统关闭。

5．在一些手动变速箱车辆有一个单独的开关，每当踩下离合器踏板时可关闭系统。

6．每当系统开启，系统将会重新设置，将所有储存记忆的阀门的巡回位置设置到0。

这是个正时程序功能，在此程序完成前，巡航器系统将不会工作。

7．“监视人”回路可监控微电脑的运作并将切断系统，如果微处理器发生任何的错误。

8．足以令人惊奇的是，我们的巡航器系统的多数电子器件部分以安全性和可靠性为本。

我们的巡航器在电子器件方面将会运作得非常好。

在电路板方面，多数的电阻和电容器是为了保护来自车辆方面的意外的瞬间电压冲击。

每一块线路板都有自己单独的电源，所以集成电路可以运行在5.1V的电位，这是一个非常低的汽车电压同时保证连续不断，甚至电源中断，相反就会造成故障。

9．整个巡航器系统设计为通常的开放式开关和开放式阀门，一旦发生故障就将完全阻止巡航器的运作，而不会使系统工作在一个不正常的状态。

10．当我们设计巡航器系统时，我们与世界上一家大型的电子器件工厂合作开发了一种巡航器专用的集成电路，使得零件数量减少，改善并增加了可靠程度的同时使得我们能够为系统设计添加一些附加的安全功能。