基于緊急變道策略的汽車主動避障安全車距模型

邊明遠(yuǎn)

(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084)

隨著世界范圍內(nèi)汽車交通事故發(fā)生起數(shù)的連年遞增，交通安全問題成為了現(xiàn)代社會的一大公害。據(jù)統(tǒng)計，在所有的交通事故中，汽車碰撞事故(包括車車碰撞和車與固定物碰撞)是主要形式，占交通事故的60%～70%。而汽車碰撞事故大多是由行車速度過快、行車間距過小、剎車不及時等因素造成［1］。汽車主動避撞系統(tǒng)能在事故發(fā)生前提醒駕駛員注意，并在緊急狀況下自動采取安全措施，可以有效減少汽車碰撞事故的發(fā)生。

汽車行駛安全狀態(tài)判斷是汽車主動避撞系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，而這項技術(shù)的核心內(nèi)容之一是提出有效的安全車車距模型，利用安全距離的實時計算結(jié)果與實際車間距離的比較來進(jìn)行行車安全狀態(tài)的判斷。

基于車輛制動過程運動學(xué)分析的安全距離模型［2－6］是主動避撞系統(tǒng)采用較多的行駛安全狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)。它適用的典型交通情況是:在跟隨行駛過程中前方車輛突然原地停止這種極端工況。模型建立時僅考慮了保證車輛行車安全的要求，沒有考慮道路交通效率方面的因素，導(dǎo)致的結(jié)果是利用該模型確定的安全距離較大，如以該模型為基礎(chǔ)進(jìn)行車輛的主動避撞控制，將使道路交通效率大大降低。

而在實際行駛過程中，駕駛員針對道路上故障物采取的避險策略往往是緊急變換車道操作。該操作方式在操控適當(dāng)?shù)那闆r下可以在較短的距離內(nèi)使車輛避開前方障礙物，并保持車輛行駛的穩(wěn)定性。

本文基于車輛緊急變換車道的最佳路徑規(guī)劃策略，提出了一種結(jié)合車輛縱向速度調(diào)節(jié)控制和車道變換操作的車輛緊急避障方法，并建立了緊急車道變換工況下的安全車距模型，與基于車輛制動動力學(xué)分析過程的安全車距模型一起，形成了基于2級安全行駛車間距的主動避撞系統(tǒng)控制策略。

1 基于車輛制動過程分析的安全距離模型

式(1)為基于車輛制動過程運動學(xué)分析的避撞報警安全距離模型

式中:v1、v2、a1、a2分別為自車和前車的速度及制動減速度;d0為兩車靜止時應(yīng)保持的最小安全距離;tx為自車制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)時間，對于采用液壓制動系統(tǒng)的車輛一般為0.2 s;thum為駕駛員的制動反應(yīng)時間，包括駕駛員看到危險報警信號的心理及生理反應(yīng)、判斷決策以及采取相應(yīng)動作的時間，一般為0.3 ～2.0 s。

當(dāng)前車靜止或車道前方為靜態(tài)障礙物時，式(1)演變?yōu)?/p>

式中v0為進(jìn)行靜態(tài)障礙物避撞時本車的初始速度。

2 汽車緊急車道變換路徑規(guī)劃及安全距離模型

在車輛行駛過程中，為了避開障礙物而進(jìn)行的換道運動如圖1所示。車輛從初始狀態(tài)到障礙規(guī)避過程中，不但會產(chǎn)生車道行駛方向的位移dx，也會產(chǎn)生橫向運動的位移dy。自車與障礙物不發(fā)生角碰撞的必要條件是當(dāng)車輛外側(cè)前角部位的橫向位移等于障礙物寬度方向的尺寸時，自車與前方障礙物尚有一定的富余空間。當(dāng)車輛行駛過程中與前方障礙物的初始距離一定時，不發(fā)生碰撞事故所需的x方向的距離大小最終取決于自車的行駛軌跡。最佳的車道變換軌跡不但可以保證足夠小的x方向行駛距離，也可以保證車輛的行駛穩(wěn)定性。

圖1 基于車道變換的車輛避障運動

基于避障目的的車道緊急變換一般采用單移線的行駛軌跡。目前用于表征車輛最佳車道變換的數(shù)學(xué)模型有很多種［7］，本文采用基于正弦函數(shù)加速度模型的車道變換軌跡模型［7－8］。假設(shè)車輛在車道變換操作之前沿直線行駛，初始的側(cè)向加速度、速度及側(cè)向位移都為零，并且在進(jìn)行變換車道之前對縱向行駛速度進(jìn)行了調(diào)整，則車輛的橫向加速度模型為

式(3)中:tadj為車輛在變道行駛之前進(jìn)行縱向車速調(diào)整的時間;te為車輛完成變道過程所需要的時間，參考眾多文獻(xiàn)，本文設(shè)定為3.6 s;ye為車輛變換車道完成后的橫向位移，考慮到單移線變道的特征，ye為一個車道的寬度，即3.75 m。

本文對高速行駛車輛基于避障目的的緊急變換車道運動做如下假設(shè):

1)本車前方為突然出現(xiàn)的靜止障礙物;

2)相鄰車道沒有車輛行駛，本車可根據(jù)避撞需要進(jìn)行換道行駛;

3)本車在變換車道之前通過最大強(qiáng)度制動作用來進(jìn)行縱向車速調(diào)整，在變換車道過程中不對車輛施加制動作用。

根據(jù)以上假設(shè)，本車在整個緊急換道避障動作前后的運動符合以下規(guī)律:

假設(shè)路面的峰值附著系數(shù)為μmax，則車輛進(jìn)行制動作用調(diào)整車速時的最大制動減速度為am=μmaxg，則本車在進(jìn)行車速調(diào)節(jié)的過程中車輛的縱向運動特征為:

在進(jìn)行速度調(diào)節(jié)完成之后的tadj時刻，本車的行駛速度為隨后車道變換過程中的縱向行駛速度

在車輛開始變道行駛之后，有

根據(jù)車輛變道時的橫向加速度特征，本車的橫向速度和位移分別為

假設(shè)障礙物的寬度為w，那么在本車的前外側(cè)通過變道達(dá)到障礙物的最外側(cè)輪廓時(有可能產(chǎn)生的碰撞點，時間tc)，有

由式(10)可以求解出本車在達(dá)到可能的碰撞點時變道的時間tc－tadj。

在本車開始調(diào)整車速到抵達(dá)可能碰撞點時車輛縱向的行駛距離

要保證車輛在抵達(dá)碰撞點之前行駛的距離最短，應(yīng)滿足

由式(10)及(12)可求解出能夠滿足本車在最短距離內(nèi)通過車道變換避免碰撞的車速調(diào)節(jié)時間tadj。

當(dāng)車輛到達(dá)碰撞點時，車輛的航向角度

要保證本車在整個行駛過程中都不與前方的障礙物發(fā)生碰撞，設(shè)定應(yīng)保持的安全距離

式(14)即構(gòu)成了基于車道變換操作的針對靜態(tài)障礙物的汽車緊急避障的安全行駛距離模型。其中:Lv為汽車的車身長度，一般設(shè)為5 m;d0為靜態(tài)安全距離，設(shè)為2 m。

假設(shè)本車與障礙物的初始距離為D0，那么當(dāng)D0≥Ds時，可以通過車道變換操作避免與障礙物發(fā)生碰撞;否則，將會發(fā)生碰撞事故。

3 汽車緊急避障安全車距模型的仿真驗證

假設(shè)本車的行駛初速度為100 km/h，與本車道前方靜止障礙物的初始距離為70 m，障礙物的輪廓寬度為2 m，路面的峰值附著系數(shù)為0.8。

圖2為在采用不同的縱向速度調(diào)節(jié)時間時車輛緊急避障換道行駛路徑。根據(jù)式(10)及(12)求解出的最佳制動調(diào)整車速時間為1.58 s，此時在進(jìn)行避障操作的過程中車輛能夠在較短的距離內(nèi)避開障礙物，并且行駛軌跡較為平滑，車身航向角變化合適;當(dāng)采用較短的制動調(diào)整車速時間(0.8 s)時，車身航向角也較小，但由于車輛縱向行駛的速度仍然較大，所以完成車道變換過程需要行駛的縱向距離較長;當(dāng)車輛采取較長的制動減速時間(2.5 s)來調(diào)整車速時，車輛初速度可以得到充分的衰減，并在較短距離內(nèi)完成車道變換，但車身的航向角變化較大，不利于保持行駛的穩(wěn)定性。

圖2 采用不同的縱向速度調(diào)節(jié)時間時車輛緊急避障換道行駛路徑

在車輛初速度為100 km/h的情況下，采取不同的車速調(diào)整時間避開不同寬度障礙物時需要的緊急換道安全車距如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)障礙物寬度為2.0 m時，采用0.80 s、1.58 s、2.30 s三種制動調(diào)節(jié)車速時間策略時需要的安全換道車距分別為71.5 m、74.3 m和72.6 m，隨著障礙物寬度的增加，需要的安全車距也逐漸增加，但由于采用較短的制動減速時間(0.80 s)時車速衰減較小，所以在障礙物寬度增大時需要的安全換道車距增加較快。較長的制動減速換道策略可以保證實現(xiàn)換道的安全距離較短，但車身側(cè)偏角過大，不利于保持車輛行駛時的穩(wěn)定性。在這幾種情況下，基于車道變換策略的緊急避障安全車距都大大小于基于車輛完全緊急制動方式的安全車距85.9 m，可以保證車輛在更短的距離內(nèi)實現(xiàn)避撞操作。

圖3 不同障礙物寬度時基于換道操作的緊急避障安全車距

4 結(jié)論

1)基于車道變換操作的汽車主動避障控制策略可以使車輛在較短的距離內(nèi)實現(xiàn)避障控制，從而需要較小的安全車距。

2)車道緊急變換時車輛的行駛軌跡主要取決于換道運動開始前采取的通過制動方式調(diào)整車速的策略。

3)本文提出的換道路徑優(yōu)化策略和安全車距算法可以保證車輛避撞的實現(xiàn)，同時保證車輛行駛時的橫向穩(wěn)定性。

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