基于滑?？刂频能囓噮f(xié)同主動避撞算法

王龐偉 余貴珍 王云鵬 王 迪

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

最近幾年來高速公路交通事故居高不下，其中追尾碰撞事故占75%以上［1－2］.為提高汽車在高速行駛過程中的主動安全性能、降低追尾碰撞事故發(fā)生率，迫切需要研發(fā)高性能的汽車主動避撞系統(tǒng).汽車主動避撞系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)和傳感技術(shù)，將獲取的外界信息(如車速、障礙物距離等)傳遞給駕駛員，同時在路況與車況的綜合信息中辨識是否存在安全隱患，在緊急情況下能自動采取措施控制汽車，使汽車能主動避開危險，保證汽車安全行駛［3－4］.

各國為構(gòu)建更安全的交通系統(tǒng)，在汽車主動避撞系統(tǒng)輔助或者取代駕駛員操作方面取得了一定的研究成果.文獻(xiàn)［5－7］中，在研究車輛主動安全控制系統(tǒng)時，基于車輛動力學(xué)原理，提出了一種狀態(tài)空間方程描述的非線性車輛縱向動力學(xué)系統(tǒng)控制模型.文獻(xiàn)［8－9］中，將非線性車輛系統(tǒng)狀態(tài)空間線性化方法與滑?？刂评碚撓嘟Y(jié)合，通過計算車輛的理想加速度完成車輛主動避撞.文獻(xiàn)［10］中，將汽車縱向動力學(xué)系統(tǒng)與汽車橫向方向角控制系統(tǒng)進(jìn)行耦合，分析其耦合特性，并分別采用滑?？刂坪蛣恿W(xué)方法綜合控制汽車安全性.文獻(xiàn)［11］中，通過車車之間的通信建立車輛信息網(wǎng)，通過獲取車輛換道過程中周圍車輛運行狀態(tài)來建立車輛動力學(xué)模型，計算出期望加速度值來控制車輛節(jié)氣門和制動踏板輸出，從而實現(xiàn)了公路上車輛換道時的緊急避撞.

綜上所述，目前常用的車輛主動避撞算法是以后車為控制對象實現(xiàn)避撞，在車距小于安全距離情況下采取緊急制動［12］.但實際運用中采取緊急制動不僅使駕駛員、乘客感到不適，而且還會增加燃料的消耗和輪胎的磨損［13－14］;并且在車間距過小時僅依靠后車制動無法完成避撞，仍然會造成追尾事故.基于汽車縱向動力學(xué)控制理論和車車通訊技術(shù)，本文提出了一種改進(jìn)的主動避撞算法，建立協(xié)同狀態(tài)下的車車協(xié)同運動模型;從汽車行駛的舒適性出發(fā)，基于后車實時計算期望加速度;同時把后車的車間距和車速信息傳送給前車，通過加速度分配對前后車進(jìn)行加減速控制，這樣在保證減速度在駕駛舒適性范圍內(nèi)基礎(chǔ)上通過前后車協(xié)同控制來避免事故發(fā)生，并用汽車動力學(xué)軟件CarSim和Matlab/Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真驗證了算法的可行性.

1 汽車協(xié)同主動避撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車協(xié)同主動避撞系統(tǒng)由信息采集單元、信息處理單元和信息輸出單元3部分組成.信息采集單元包括傳感單元(毫米波雷達(dá)、車速傳感器、加速度傳感器、制動傳感器、加速踏板傳感器和路面情況選擇開關(guān)等組成)、車車通訊單元(Wifi、Zigbee等)和定位單元(GPS、北斗等);信息處理單元主要為包含核心避撞算法的汽車電子控制單元(ECU，Electric Control Unit);信息輸出單元包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)(制動控制器、油門控制器等)、人機(jī)交互界面和報警機(jī)構(gòu)等.圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.

圖1 汽車協(xié)同主動避撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

協(xié)同主動避撞系統(tǒng)工作過程中，由信息采集單元不斷地采集相關(guān)信息并進(jìn)行車車信息交互，如車間距離、相對速度、后車速度、有無制動等，并將此信息傳送至信息處理單元.信息處理單元根據(jù)后車速度、相對速度建立期望加速度計算模型，由計算得出的期望加速度值作為汽車縱向控制的依據(jù)，然后交給執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括制動踏板和油門踏板去完成車輛縱向控制，從而完成協(xié)同主動避撞功能.

2 協(xié)同主動避撞算法

根據(jù)協(xié)同主動避撞算法特點，首先根據(jù)前后兩車的車距以及當(dāng)前的車速信息，運用滑模控制理論計算當(dāng)前情況下后車的理想減速度值，并根據(jù)與當(dāng)前路面摩擦系數(shù)決定的最大制動減速度，比較計算得出期望減速度值，進(jìn)而根據(jù)實際情況計算出分配給前車的加速度值，如圖2所示.

圖2 車車協(xié)同運動模型

車車通訊單元采用WiFi無線通訊方式，基于IEEE802.11p 通信協(xié)議，采用 2.4GHz頻段，考慮實際無線通信在數(shù)據(jù)傳輸時存在延誤時間，在算法計算過程中用Δ表示.車輛組網(wǎng)環(huán)境下每輛車將自身傳感器信息按照統(tǒng)一的通訊協(xié)議與其他車輛進(jìn)行無線信息交互，通訊協(xié)議主要信息如表1所示.

表1 車車通訊協(xié)議主要信息

通過車車通訊信息交互，首先計算執(zhí)行主動避撞需要的響應(yīng)時間:

式中，T為汽車執(zhí)行避撞響應(yīng)時間;h為駕駛員固定反應(yīng)時間.

根據(jù)后車當(dāng)前車速，計算得出理想車間距:

式中，vi(t)為第i輛跟隨車輛的速度;Dmin為當(dāng)車隊處于靜止?fàn)顟B(tài)時連續(xù)兩車之間保持的最小車間距.

此時兩車車間距為

式中，xi(t)，xi－1(t)為后車和前車的位移;l為車身長度.

從汽車應(yīng)具有的制動能力來說，緊急制動時，為保證汽車行駛安全性，最大減速度一般為7.5～8m/s2;但在實際使用制動時，考慮到汽車駕駛舒適性［15］，除緊急情況外，通常不應(yīng)使制動減速度大于4m/s2.故在避撞算法設(shè)計時應(yīng)將汽車平均制動減速度限制在3～4m/s2.

假設(shè)保證汽車駕駛舒適性最大減速度為ac，根據(jù)運動學(xué)方程:

保證汽車駕駛舒適性的最小距離為

所以當(dāng)前理想車間距偏差如下:

式中，δi(t)為第 i輛跟隨車輛的車間距偏差;ξi(t)為連續(xù)兩車車間距.

車輛縱向控制器最佳控制效果為使所有車輛的車間距偏差和連續(xù)兩車的相對速度之和趨向于0，根據(jù)滑?？刂评碚摚源艘罁?jù)選取滑模切換函數(shù):

根據(jù)滑?？刂评碚?，選取等速趨近律，建立滑?？刂品匠?

滿足時，滑模切換函數(shù)Y→0，也就是δi(t)+

λ表示滑?？刂破鲄?shù)，在控制系統(tǒng)中代表趨近速度，如果λ很小，則趨近速度很慢，即調(diào)節(jié)過程偏慢;反之，如果λ比較大，則達(dá)到切換面時，系統(tǒng)具有較大的速度，這樣將引起較大的抖動.參數(shù)選取時需要根據(jù)控制效果調(diào)整［16－17］.

將式(7)代入式(8)得

將式(3)和式(6)代入式(9)，展開:

從而可以計算得出后車?yán)硐爰铀俣戎禐?/p>

ai(t)＜0時，則當(dāng)前情況車輛需要執(zhí)行主動避撞，此時執(zhí)行主動避撞可以保證汽車行駛的舒適性，避免了緊急剎車帶來的安全隱患.

由當(dāng)前地面和輪胎的附著系數(shù)決定最大制動減速度:

式中，μ為附著系數(shù)，文獻(xiàn)［18－19］中有根據(jù)行駛信息估算附著系數(shù)的方法，干燥路面下可以計為常量;g為重力加速度.

比較式(11)和式(12)取最小值，后車期望減速度aF為

當(dāng)aF=amax時，僅靠后車無法完成緊急制動，需要前車加速協(xié)同完成避撞，通過車車通訊分配給前車加速度aΔ為

由此算法計算得出前車期望加速度值，此時通過車車通訊獲取前車車距ξi－1(t)信息，并判斷是否滿足車距條件:

當(dāng) ξi－1(t)≥Sc時，前車車距條件滿足，前車可以執(zhí)行加速避撞，期望加速度為

式中，aP為前車期望加速度;ai－1為前車?yán)硐爰铀俣?aΔ為后車分配給前車的加速度.

當(dāng) ξi－1(t)＜Sc時，則前車前方有障礙物，從而前車車距不滿足條件，只能靠后車執(zhí)行緊急制動完成避撞.

3 算法驗證

3.1 CarSim和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真

CarSim是專門針對車輛動力學(xué)的仿真軟件，能真實地模擬實際場景和車輛行駛狀態(tài)，廣泛地應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)的開發(fā).CarSim可以方便靈活地定義試驗環(huán)境和試驗過程，詳細(xì)地定義整車各系統(tǒng)的特性參數(shù)和特性文件.將上述的協(xié)同避撞算法驗證分析，需要按照實際情況搭建驗證環(huán)境.根據(jù)實際情況，在CarSim動力學(xué)仿真軟件中建立仿真環(huán)境，仿真環(huán)境界面如圖3所示.

按照圖3所示，此模型的輸入量是當(dāng)前車速和當(dāng)前車距，輸出量是目標(biāo)節(jié)氣門開度和目標(biāo)制動壓力，將實際的車速和車距反饋給輸入，實現(xiàn)閉環(huán)控制.

圖3 CarSim和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真界面

仿真環(huán)境為200m直道和50m半徑彎道的橢圓形道路干燥高速路面，按照本文算法要求仿真環(huán)境主要參數(shù)如表2所示.

表2 仿真環(huán)境參數(shù)列表

為驗證協(xié)同避撞算法，前車行駛的速度輸入80 km/h急減速到20 km/h，車速輸入曲線如圖4所示.

圖4 仿真環(huán)境中前車行駛曲線

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)搭建的算法仿真環(huán)境，分別加入傳統(tǒng)主動避撞算法和協(xié)同主動避撞算法驗證效果，仿真結(jié)果如下.

如圖5所示，圖5a為傳統(tǒng)主動避撞算法位移仿真結(jié)果，結(jié)果說明在豎虛線標(biāo)記時刻大約9 s左右后車位移超過了前車位移，發(fā)生了追尾事故;圖5b改進(jìn)為協(xié)同主動避撞算法后，后車位移始終在前車位移之后，未發(fā)生追尾事故.

圖5 避撞算法改進(jìn)前后位移曲線對比

如圖6所示，圖6a改進(jìn)算法前后車的減速度明顯小于舒適度值，車輛會由于減速度過大導(dǎo)致緊急制動，容易引發(fā)安全事故;圖6b的減速度始終控制在舒適度值之內(nèi)，不會給車輛造成緊急制動，保證了駕駛員和乘客的舒適性.

圖6 避撞算法改進(jìn)前后加速度曲線對比

如圖7所示，圖7a改進(jìn)算法前前車和后車的車速迅速減到20 km/h，車輛發(fā)生了緊急制動，車輛行駛存在安全隱患;圖7b改進(jìn)算法后，兩車車速不會迅速減到20 km/h，兩車沒有采取緊急制動，車輛行駛不存在安全隱患.

圖7 避撞算法改進(jìn)前后車速曲線對比

利用CarSim仿真軟件得出的仿真效果如圖8和圖9所示.兩車在設(shè)定的仿真環(huán)境中行駛，改進(jìn)避撞算法前，兩車會在9 s、位移130m左右發(fā)生追尾事故，改進(jìn)為協(xié)同主動避撞算法后，在9 s時刻由前后車進(jìn)行加速度分配，后車減速同時前車執(zhí)行加速避撞，有效地避免了追尾事故的發(fā)生，并且兩車的加速度范圍均在舒適度范圍內(nèi)，避免了緊急制動造成的安全事故.

圖8 避撞算法改進(jìn)前發(fā)生追尾事故

圖9 避撞算法改進(jìn)后避免發(fā)生追尾事故

4 結(jié)論

本文在總結(jié)國內(nèi)外汽車主動避撞系統(tǒng)和主動避撞控制方法基礎(chǔ)上研究了車車協(xié)同主動避撞算法，避免了實際應(yīng)用中緊急制動造成的安全事故和由于車距過近僅靠后車無法完成避撞的問題.本文依據(jù)車輛動力學(xué)系統(tǒng)特點和控制執(zhí)行器結(jié)構(gòu)特點建立的基于滑?？刂频膮f(xié)同避撞算法，從汽車行駛舒適性出發(fā)，計算后車期望加速度，通過分配前后車加速度來完成協(xié)同主動避撞.搭建CarSim和Matlab/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境較為準(zhǔn)確地模擬實際系統(tǒng)的動態(tài)特性，驗證了車車協(xié)同主動避撞算法可以保證汽車行駛舒適性和安全性，在遇到車距過近情況時通過加速度分配可使前后車協(xié)同完成避撞，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)主動避撞算法的不足.

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