緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略研究

周志軍 陸春伶 周良杰

摘 要：針對(duì)緊急制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了階段劃分，提出一種結(jié)合避撞安全與車輛穩(wěn)定性的緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略，并進(jìn)行仿真與實(shí)車試驗(yàn)，提高了避撞準(zhǔn)確性與安全性。在建立車輛動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了上層決策控制器，以安全車距為控制目標(biāo)的中層控制器，以車輛穩(wěn)定性為目標(biāo)的底層控制器。采用駕駛員激進(jìn)程度與碰撞時(shí)間模糊控制器優(yōu)化了系統(tǒng)觸發(fā)，基于車輛模型確定了期望制動(dòng)減速度，通過(guò)車輪轉(zhuǎn)矩分配優(yōu)化了車輛穩(wěn)定性;搭建了CarSim與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真模型與實(shí)車測(cè)試環(huán)境，對(duì)控制策略進(jìn)行了離線仿真與實(shí)車試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，車輛緊急制動(dòng)效果良好，滿足了避撞需求。

關(guān)鍵詞：緊急制動(dòng)系統(tǒng);車輛穩(wěn)定性;分層控制;模糊控制

1 引言

隨著汽車保有量增高，由駕駛員缺乏經(jīng)驗(yàn)、注意力不集中、疲勞駕駛等造成的碰撞事故比例逐年增大。緊急工況下，制動(dòng)輔助系統(tǒng)可有效的降低碰撞事故的發(fā)生，使用前碰撞預(yù)警FCW與自動(dòng)避撞輔助系統(tǒng)AEB使追尾碰撞傷害發(fā)生率分別降低了20%、45%[1]，因此，緊急制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)研究得到廣泛關(guān)注。信度，而觸發(fā)過(guò)晚無(wú)法有效避免碰撞事故發(fā)生?？梢?jiàn)，AEB系統(tǒng)控制策略的研究對(duì)于自動(dòng)避撞輔助系統(tǒng)具有重要意義。

目前緊急制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略大多基于車輛運(yùn)動(dòng)模型與車間距或時(shí)距控制，未考慮駕駛員對(duì)控制策略的影響，而從碰撞危險(xiǎn)發(fā)生起始時(shí)刻至避撞完成，駕駛員操作都對(duì)控制策略起著重要影響。論文提出一種集成駕駛員特性的緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略，并進(jìn)行離線仿真與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了避撞準(zhǔn)確性與安全性，更符合駕駛員操作習(xí)慣。

2 緊急制動(dòng)系統(tǒng)工作階段與模式

當(dāng)緊急工況發(fā)生時(shí)，緊急制動(dòng)系統(tǒng)提前對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)備并且對(duì)駕駛員提供可能發(fā)生碰撞的報(bào)警。如果駕駛員在緊急的情況下作出了反應(yīng)，但是制動(dòng)力不足，那么制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)提供剩余的制動(dòng)力來(lái)達(dá)到最佳的目標(biāo)制動(dòng)力以避免碰撞。當(dāng)危險(xiǎn)程度升級(jí)，而駕駛員未采取制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)緊急制動(dòng)，避免碰撞發(fā)生。

因此，針對(duì)上述緊急制動(dòng)過(guò)程，緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略包括以下幾個(gè)階段：

2.1 制動(dòng)準(zhǔn)備階段

碰撞危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)送預(yù)建壓信號(hào)，縮小制動(dòng)片與制動(dòng)盤之間的距離，彌補(bǔ)駕駛員觸發(fā)緊急制動(dòng)后緊急制動(dòng)力的不足。

2.2 駕駛員報(bào)警階段

當(dāng)駕駛員跟車車距過(guò)小，安全距離報(bào)警將會(huì)觸發(fā)。駕駛員未有干預(yù)，且危險(xiǎn)程度仍在增加則啟動(dòng)預(yù)報(bào)警。危險(xiǎn)情況繼續(xù)惡化，將會(huì)進(jìn)行點(diǎn)剎報(bào)警。

2.3 緊急制動(dòng)輔助階段

當(dāng)駕駛員錯(cuò)誤估計(jì)情況的嚴(yán)重程度或駕駛員制動(dòng)力不足時(shí)，進(jìn)入緊急制動(dòng)輔助階段。

功能觸發(fā)的先決條件為：

（a）駕駛員處在危險(xiǎn)的情況下且危險(xiǎn)程度仍在加劇;

（b）駕駛員的制動(dòng)力大小超過(guò)設(shè)定閾值，同時(shí)考慮減速度大小與制動(dòng)系統(tǒng)壓力限制。

2.4 自動(dòng)緊急制動(dòng)階段

如果駕駛員未對(duì)前面的報(bào)警作出反應(yīng)，并且情況的危險(xiǎn)程度升級(jí)，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)緊急制動(dòng)，系統(tǒng)可提供三種不同的制動(dòng)模式：

（a）標(biāo)準(zhǔn)型部分自動(dòng)緊急制動(dòng)

自動(dòng)部分制動(dòng)觸發(fā)較早，與點(diǎn)剎報(bào)警同時(shí)觸發(fā)，給駕駛員爭(zhēng)取更多的反應(yīng)時(shí)間，即使駕駛員不作出反應(yīng)，也將降低碰撞事故的危險(xiǎn)程度。

（b）增強(qiáng)型部分自動(dòng)緊急制動(dòng)

當(dāng)駕駛員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型部分自動(dòng)緊急制動(dòng)不作反應(yīng)，或危險(xiǎn)程度更高，系統(tǒng)會(huì)激活具有更高減速度的部分緊急制動(dòng)來(lái)避免事故或者降低傷害。

（c）中速自動(dòng)緊急制動(dòng)

在汽車中等速度的時(shí)候激活，當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算出必須采用很大的、不舒服的減速度才可避免碰撞時(shí)，觸發(fā)此功能，自動(dòng)制動(dòng)來(lái)盡可能地減小兩車的相對(duì)速度。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制架構(gòu)如圖1所示，其可分為上層決策控制器、中層車輛運(yùn)動(dòng)控制器、底層車輛制動(dòng)穩(wěn)定控制器。上層決策控制器基于雷達(dá)、攝像頭等環(huán)境感知工具獲取車間信息，繼而判斷是否發(fā)生緊急工況，緊急制動(dòng)系統(tǒng)采取何種工作模式工作。中層車輛運(yùn)動(dòng)控制器依據(jù)車間信息、駕駛員輸入與車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，考慮制動(dòng)系統(tǒng)能力、駕駛員接受程度的基礎(chǔ)上，計(jì)算系統(tǒng)期望制動(dòng)減速度。底層車輛制動(dòng)穩(wěn)定控制器控制車輪制動(dòng)壓力，在保證車輛穩(wěn)定性的前提下完成車輛制動(dòng)，避免車輛碰撞事故發(fā)生。

3.2 上層決策控制器

單一碰撞時(shí)間作為緊急制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)條件存在誤判等諸多風(fēng)險(xiǎn)，因此上層控制器采用模糊控制算法基于駕駛風(fēng)格與碰撞時(shí)間進(jìn)行緊急制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)與工作模式判斷。

模糊控制器輸入量為駕駛員激進(jìn)程度與碰撞時(shí)間，輸出為車輛緊急危險(xiǎn)度，同時(shí)引入車間安全距離作為駕駛員緊急程度限制。當(dāng)碰撞時(shí)間降低時(shí)，駕駛員激進(jìn)程度所占權(quán)重依次減小，當(dāng)車間距離低于設(shè)定安全距離時(shí)，不再考慮駕駛風(fēng)格。設(shè)定的安全距離與車間相對(duì)速度成比例關(guān)系，相對(duì)速度越小，安全距離相對(duì)增大。

其車輛緊急危險(xiǎn)度歸一化至[0，1]范圍內(nèi)，并定義其模糊集為[ZO，S，M，B，EB]，即[零，小，中，大，巨大]，輸入輸出采用三角形隸屬度函數(shù)，設(shè)計(jì)的模糊推理規(guī)則如表1所示。

3.3 中層車輛運(yùn)動(dòng)控制器

基于確定的緊急制動(dòng)系統(tǒng)工作模式，中層車輛運(yùn)動(dòng)控制器以避撞安全距離為控制目標(biāo)計(jì)算避免碰撞發(fā)生的期望減速度。在緊急制動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程中，駕駛員介入制動(dòng)產(chǎn)生制動(dòng)減速度，則系統(tǒng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的目標(biāo)制動(dòng)減速度為。

（4）

基于縱向兩車距離運(yùn)動(dòng)模型，將控制時(shí)刻至碰撞發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行控制周期劃分，控制周期為T，控制周期內(nèi)制動(dòng)距離為

（5）

其中，為控制周期起始時(shí)刻本車相對(duì)前車速度，為期望本車相對(duì)前車制動(dòng)減速度。

基于本車狀態(tài)傳感器與雷達(dá)、V2X等通信方式，本車車速、相對(duì)車速與相對(duì)加速度均可測(cè)量

（6）

其中，為相對(duì)加速度，為本車加速度，為前車加速度。

在很短控制周期內(nèi)，假設(shè)前車制動(dòng)減速度不變，則聯(lián)合上式（4），（5）與（6）， 即可得出目標(biāo)制動(dòng)減速度為。

3.4 底層車輛制動(dòng)穩(wěn)定控制器

底層車輛制動(dòng)穩(wěn)定控制器根據(jù)目標(biāo)制動(dòng)減速度，結(jié)合車輛動(dòng)力學(xué)模型將制動(dòng)力分配至各個(gè)車輪，在保證車輛縱向穩(wěn)定性的前提下滿足縱向制動(dòng)減速度需求，同時(shí)控制耗能最小。

在需求制動(dòng)力較大時(shí)，結(jié)合不同路面附著系數(shù)，以車輪最佳滑移率為控制目標(biāo)，在前后軸實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分配的同時(shí)，每個(gè)車輪提供最大制動(dòng)力，以確保避撞。

ESC系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整制動(dòng)力矩。為確保制動(dòng)過(guò)程中車輛橫擺穩(wěn)定性，各車輪制動(dòng)力產(chǎn)生的橫擺力矩Mz理想值趨近為零

（7）

其中，為各車輪縱向力，為輪距，為質(zhì)心與前輪中心距離。

車輪是否打滑基于車輪滑移率判斷。抱死時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速與車輛速度間存在著差值，滑移率即車輪滑轉(zhuǎn)程度?；坡蕿樯鲜霾钪蹬c車速的比值，公式為：

（8）

車輪制動(dòng)力隨滑移率增加而增加，高速路面上，當(dāng)滑移率在10%～20%范圍內(nèi)時(shí)，制動(dòng)力最大，低附路面上，此范圍在4%～5%。超出此范圍，車輪處于打滑狀態(tài)，制動(dòng)力降低且喪失轉(zhuǎn)向能力。

4 離線仿真試驗(yàn)

4.1 CarSim-Matlab/Simulink聯(lián)合仿真

在CarSim-Matlab/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境下對(duì)緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。CarSim提供了包括車輛模型、毫米波雷達(dá)、場(chǎng)景、測(cè)試工況等環(huán)境，結(jié)合Matlab/Simulink中建立的控制策略，可實(shí)現(xiàn)緊急避撞制動(dòng)系統(tǒng)虛擬測(cè)試環(huán)境，同時(shí)提供了動(dòng)畫(huà)與測(cè)試曲線數(shù)據(jù)。

測(cè)試工況采用AEB Inter Urban中的靜止車輛追尾（Car-to-Car Rear stationary， CCRs）評(píng)分工況，前方目標(biāo)車輛靜止，后車高速追尾前車。設(shè)定如下：前車車輛靜止，本車速度30-80km/h。

4.2 仿真結(jié)果

在設(shè)定仿真工況為本車速度45km/h，高附路面下的車間相對(duì)距離與制動(dòng)減速度仿真結(jié)果如圖4所示。制動(dòng)減速度得益于電子制動(dòng)助力器，其控制線性度較ESP液壓控制高，制動(dòng)減速度平穩(wěn)，由于本車速度較低，制動(dòng)減速度峰值小于10m/s2。如圖2（a）所示。圖2（b）中，黑點(diǎn)為緊急制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)刻，其觸發(fā)距離為19.68m，車輛剎停時(shí)距離前車距離為1.82m。

5 實(shí)車試驗(yàn)

試驗(yàn)車采用SGMW公司生產(chǎn)的新寶駿系列，實(shí)時(shí)仿真機(jī)使用dSPACE公司的MircoAutoBox，采集各車身與毫米波雷達(dá)等傳感器數(shù)據(jù)，如圖3所示。

測(cè)試工況與仿真工況相同，在不同車速下，緊急制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)距離與剎停距離如圖4所示，觸發(fā)距離隨車速增加而增大，剎停距離在1.5m～1.7m與仿真工況接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了控制策略的有效性。

6 結(jié)論

針對(duì)緊急制動(dòng)系統(tǒng)，提出一種結(jié)合避撞安全與車輛穩(wěn)定性的緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略，并進(jìn)行仿真與實(shí)車試驗(yàn)，提高了避撞準(zhǔn)確性與安全性，結(jié)論如下：

（1）基于緊急制動(dòng)系統(tǒng)工作階段與模式，制定了緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略，分為上層決策控制器、中層車輛運(yùn)動(dòng)控制器、底層車輛制動(dòng)穩(wěn)定控制器。在低附路面緊急制動(dòng)時(shí)保證了車輛穩(wěn)定性，提高了制動(dòng)效果，避撞安全性更佳。

（2）設(shè)計(jì)了由駕駛員激進(jìn)程度與碰撞時(shí)間作為輸入的模糊控制器，輸出為車輛緊急危險(xiǎn)度，優(yōu)化了避撞觸發(fā)時(shí)刻，避免了系統(tǒng)誤觸發(fā)。

（3）通過(guò)聯(lián)合仿真與實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略的有效性，可有效避免碰撞發(fā)生。

受試驗(yàn)資源影響，實(shí)車試驗(yàn)未在低附路面展開(kāi)，后續(xù)將展開(kāi)低附路面的控制算法實(shí)車驗(yàn)證相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]Cicchino J B . Effectiveness of forward collision warning and autonomous emergency braking systems in reducing front-to-rear crash rates[J]. Accident Analysis & Prevention，2017，99（Pt A）：142-152.

[2]裴曉飛，劉昭度，馬國(guó)成，et al.Safe distance model and obstacle detection algorithms for a collision warning and collision avoidance system%汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)的安全距離模型和目標(biāo)檢測(cè)算法[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2012，3（1）：26-33.

[3]鄭蘇，段敏，陳天任.車輛主動(dòng)避撞系統(tǒng)控制策略研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020（1）：26-30.

[4]Salehinia S，Ghaffari A，Khodayari A，et al. Modelling and controlling of car-following behavior in real traffic flow using ARMAX identification and Model Predictive Control[J]. International Journal of Automotive Technology，2016，17（3）：535-547.

[5]侯德藻，劉剛，高峰等.新型汽車主動(dòng)避撞安全距離模型[J]. 汽車工程，2005，27（2）：186.