汽車主動防撞系統(tǒng)的規(guī)避控制研究

宋保林 周汽一

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2.海南熱帶汽車試驗有限公司）

汽車主動防撞系統(tǒng)的規(guī)避控制研究

宋保林1周汽一2

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2.海南熱帶汽車試驗有限公司）

提出了一種汽車主動防撞系統(tǒng)，介紹了該防撞系統(tǒng)的工作原理，并對其規(guī)避控制進(jìn)行了研究。依據(jù)汽車運動學(xué)理論對安全車距模型進(jìn)行了分析，建立了包括安全臨界、鎖定目標(biāo)、危險臨界和極限臨界的汽車縱向安全車距模型以及橫向安全車距模型；結(jié)合安全車距對危險目標(biāo)進(jìn)行識別和分類；針對不同危險程度的目標(biāo)制定了相應(yīng)的規(guī)避控制策略。

1 前言

目前，汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)正逐漸成為汽車安全領(lǐng)域的研究熱點，該系統(tǒng)主要是利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)來探測視野內(nèi)的行人、車輛或其它障礙物并判斷目標(biāo)的危險程度，從而在事故發(fā)生前提醒駕駛員注意并采取相應(yīng)的措施避免碰撞事故的發(fā)生[1]。

汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)包括信息采集、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分。本文針對該系統(tǒng)的規(guī)避控制[2]進(jìn)行研究，根據(jù)建立的安全車距模型進(jìn)行目標(biāo)危險等級分類，并制定出相應(yīng)的規(guī)避控制策略。

2 安全車距理論及目標(biāo)分類

2.1 安全車距理論

汽車在道路上行駛時，應(yīng)該使本車與前車或障礙物保持一個安全距離。因安全距離與本車的車速、本車與前車或障礙物的相對速度以及路面狀況有關(guān)，因此應(yīng)基于安全角度建立汽車的縱向安全車距模型，以幫助駕駛員保持安全距離。圖1為車輛縱向間距示意圖。

圖1中，u1為本車行駛速度，u2為前車行駛速度，本車與前車之間的安全車距為d。經(jīng)過一段時間t后，本車的行駛速度為u1′，所駛過的距離為d1；前車的行駛速度為u2′，所駛過的距離為d2；此時兩車的縱向間距為d0，d0表示兩車解除碰撞危險后需保留的最小安全車距，一般取2～5 m。上述4個距離之間滿足如下關(guān)系：

因汽車的行駛工況復(fù)雜多變，所以安全車距模型要在絕大多數(shù)交通狀況下保證主動防撞預(yù)警系統(tǒng)穩(wěn)定工作，以減少由于駕駛員判斷失誤造成的交通事故。該模型的參數(shù)應(yīng)能較方便和快捷地獲取，同時模型的構(gòu)建既不能過于靈敏，也不能過于遲鈍，因過于靈敏會導(dǎo)致安全車距偏大，會頻繁制動，影響駕駛舒適性；過于遲鈍會導(dǎo)致安全車距偏小，一般的危險狀況將不予警示，不能達(dá)到避免交通事故的目的。因此，構(gòu)建安全車距模型要兼顧以上兩方面，并使其能夠應(yīng)用于各種行駛環(huán)境和滿足各種駕駛行為特性[3]。

2.2 目標(biāo)危險等級分類

當(dāng)主動防撞預(yù)警系統(tǒng)工作時，雷達(dá)將視野中所探測的多個目標(biāo)的信息傳遞給規(guī)避控制器，規(guī)避控制系統(tǒng)需要快速準(zhǔn)確地從眾多目標(biāo)中識別出危險目標(biāo)，即對目標(biāo)危險等級進(jìn)行分類。被檢測的目標(biāo)可分為危險目標(biāo)、威脅目標(biāo)、潛在威脅目標(biāo)和非威脅目標(biāo)等4類。

汽車在道路上行駛時，最大的威脅往往來自與本車橫向間距較近的前方目標(biāo)，即同一車道內(nèi)的目標(biāo)，而橫向間距較大的車輛一般情況下不存在威脅。如圖2所示，在雷達(dá)掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)了眾多目標(biāo)（不包括目標(biāo)N），目標(biāo)B與本車A處于同一車道且相對距離最小，視為危險目標(biāo)；目標(biāo)C、D、E與本車的相對距離相近，但目標(biāo)C與本車同車道，危險程度較大，定義為威脅目標(biāo)；目標(biāo)D、E為潛在威脅目標(biāo)，若目標(biāo)D、E在某時刻越線行駛或并道行駛則由潛在威脅目標(biāo)變?yōu)橥{目標(biāo)；目標(biāo)F與本車同車道且有一定相對距離，定義為潛在威脅目標(biāo)；其余目標(biāo)與本車距離較遠(yuǎn)或所處車道較遠(yuǎn)，所以均定義為非威脅目標(biāo)。

2.3 安全車距類型

根據(jù)目標(biāo)危險等級的不同，安全車距d可分為安全臨界車距dS、鎖定目標(biāo)車距dT、危險臨界車距dD和極限臨界車距dL等4種臨界距離。

安全臨界車距dS是汽車行駛時與前方車輛或障礙物之間的距離，該距離能保證在絕大多數(shù)情況下本車是安全可靠的。在安全臨界車距dS內(nèi)，即使前方突然出現(xiàn)靜止障礙物或前方運動目標(biāo)突然減速，也不會對本車的安全構(gòu)成威脅。

鎖定目標(biāo)車距dT是指當(dāng)前方目標(biāo)出現(xiàn)后，在未出現(xiàn)不安全狀況前防撞系統(tǒng)即將目標(biāo)鎖定并將安全隱患完全排除，此時本車與目標(biāo)車輛或障礙物之間的距離即為鎖定目標(biāo)車距dr。

安全臨界車距dS是預(yù)判車輛行駛狀況是否安全的重要指標(biāo)，當(dāng)高于此值時表示車輛處于安全行駛狀態(tài)。與dS對應(yīng)的一個指標(biāo)是危險臨界車距dD，是指考慮前車可能采取的制動強(qiáng)度及本車制動反應(yīng)時間等因素所需保持的臨界安全距離，低于此值時說明車輛的行駛環(huán)境是危險的，可能會有交通事故的發(fā)生。

極限臨界車距dL是指汽車不發(fā)生追尾事故所要維持的極限車距，當(dāng)小于此距離時必然發(fā)生交通事故。

3 安全車距數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 縱向安全車距

根據(jù)已有的制動過程分析理論可得汽車制動距離s計算式[4，5]為：

式中，t1為駕駛員反應(yīng)時間；t2為消除制動間隙時間；t3為制動力增長時間；u0為制動初速度；u′為制動末速度；aφ為附著系數(shù)為φ的路面所提供的最大制動減速度。3.1.1安全臨界車距dS

在計算dS時，認(rèn)為前方目標(biāo)車輛速度低于本車速度并且突然緊急制動，制動減速度為a2，在看到前車制動后本車以制動減速度a1緊急制動，緊急制動后兩車的速度均為零[6]，即本車和前車的制動末速度均為0，按照上述條件及式（2）可得本車的制動距離d1為：

由于駕駛員意識到前車速度降低時，前車已經(jīng)處于制動力增長階段，則前車的制動距離d2為：

式中，t3′為前車制動力增長時間；u2為前車制動初速度。

假設(shè)t3=t3′，d0為兩車制動后停止時保留的最小安全車距，并認(rèn)為兩車的制動減速度均來自地面的最大制動減速度，即a1=a2=aφ，則可得出安全臨界車距dS的計算式為：

令u1-u2=urel為兩車的相對速度（本車速度與前方目標(biāo)車速之差），則式（5）可表示為：

3.1.2 鎖定目標(biāo)車距dT

鎖定目標(biāo)車距dT是在安全臨界車距的基礎(chǔ)上增加一段距離得到的，這段距離是提前預(yù)告時間t0內(nèi)本車所行駛的距離，t0是依據(jù)駕駛員特性和駕駛習(xí)慣所設(shè)定的，建議t0取0～1 s。由以上分析可得鎖定目標(biāo)車距的計算式為：

3.1.3 危險臨界車距dD

危險臨界車距dD的計算是在安全臨界車距的基礎(chǔ)上減去駕駛員反應(yīng)階段汽車所駛過的距離：

3.1.4 極限臨界車距dL

分析dL時前車制動減速度a2是以實際值為依據(jù)進(jìn)行計算的，此時本車開始制動進(jìn)入制動力增長階段，并以最大制動減速度aφ減速行駛。當(dāng)a2較小時，在兩車停止前某一時刻兩車的速度相同，即u1′= u2′，如果此時兩車之間的間距能保證為d0則可脫離危險；當(dāng)a2較大時，前車停止后本車速度仍大于0，即u1′＞u2′=0，此時需要后車速度為零后仍保留d0的間距才能保證安全。

假設(shè)在t時刻兩車速度相同，即u1′=u2′=u3，則

由式（9）可得：

因aφ＞a2，所以式（10）和式（11）的分母為正，即u3值的大小只與分子有關(guān)：

通過式（11）～式（13）可得：

由式（14）和式（17）聯(lián)合可得到dL的數(shù)學(xué)模型為：

通過式（15）和式（16）可得：

3.2 橫向安全車距

雷達(dá)所測的目標(biāo)信息包括與本車之間的相對距離、相對角度及相對速度。根據(jù)距離和角度可以得到目標(biāo)車輛與本車的橫向間距，通過橫向距離的大小可判定車輛是否與本車處于同一車道，從而得到汽車的橫向安全車距。

得到橫向安全車距模型的前提條件為：設(shè)本車行駛車道的寬度為a，本車寬度為b；探測用毫米波雷達(dá)安裝在車輛前方正中央，探測距離最大為150 m，探測角度為±10°（規(guī)定沿著汽車縱向行駛方向往右偏轉(zhuǎn)為正，向左偏轉(zhuǎn)為負(fù)）；相對速度為±250 km/h。用于得到橫向車距的目標(biāo)信息取決于探測到的目標(biāo)輪廓中相對角度絕對值最小的一點。

圖3為車輛橫向間距示意圖，由圖3可看出，右側(cè)車道的目標(biāo)B所處的位置恰好為臨界狀態(tài)，若下一時刻向左移動則被系統(tǒng)確定為威脅目標(biāo)，相反向右移則定為潛在威脅目標(biāo)。

雷達(dá)所識別的目標(biāo)B對應(yīng)的參數(shù)為Tb（Rb、θb、vrb）（vrb為本車A與目標(biāo)B的相對速度），可得：

式中，Rb為本車A與目標(biāo)B的直線距離；θb為本車A與目標(biāo)B的相對角度。

右側(cè)的橫向威脅臨界車距為：

因此右側(cè)的威脅目標(biāo)滿足的判定條件為：

對于目標(biāo)B即為：

即

目標(biāo)B在右側(cè)車道中間行駛時對本車的威脅較小，只有當(dāng)B車偏左行駛才有可能由潛在威脅目標(biāo)發(fā)展成為威脅目標(biāo)，因此由右側(cè)車道正中間位置到圖3中B車所處的緊鄰車道線位置之間的區(qū)域定為潛在威脅區(qū)域，則右側(cè)潛在威脅目標(biāo)的判定條件為：

按照上述理論，圖3中左側(cè)車道目標(biāo)C已成為威脅目標(biāo)，由于此時θc為負(fù)數(shù)，所以

同理可得左側(cè)威脅目標(biāo)滿足的判定條件為：

同理可得左側(cè)潛在威脅目標(biāo)的判定條件為：

根據(jù)所構(gòu)建的縱向和橫向安全車距模型，可對目標(biāo)危險進(jìn)行判定：首先通過雷達(dá)檢測信息及橫向間距模型判斷車輛是否與本車處于同一車道；然后通過目標(biāo)與本車的相對距離判斷其在縱向安全車距模型中的類型，從而對目標(biāo)的危險程度進(jìn)行劃分。

4 規(guī)避控制策略

規(guī)避控制策略是指當(dāng)汽車處于某一行駛狀態(tài)時為避免交通事故發(fā)生所應(yīng)采取的措施，汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)的工作模式便是由控制策略決定的。

根據(jù)檢測目標(biāo)的信息，針對不同危險程度的目標(biāo)應(yīng)該采取不同的控制策略。安全車距模型以及危險目標(biāo)等級分類是制定規(guī)避控制策略的理論基礎(chǔ)。綜合考慮不同的目標(biāo)及路況等因素，制定了以下4種規(guī)避控制策略。

a.安全控制策略。針對非威脅目標(biāo)，當(dāng)雷達(dá)探測的本車與目標(biāo)之間的實際相對車距遠(yuǎn)大于安全臨界車距或橫向安全車距時，車輛運行是安全的，主動防撞預(yù)警系統(tǒng)執(zhí)行安全控制策略。

b.報警控制策略。對于潛在威脅目標(biāo)，相對車距介于危險臨界車距與安全臨界車距之間時，主動防撞預(yù)警系統(tǒng)認(rèn)為此時的駕駛環(huán)境不能完全保證安全，系統(tǒng)提醒駕駛員“小心駕駛”的同時伴有級別較低的聲光報警，此時系統(tǒng)執(zhí)行報警控制策略。

c.減速控制策略。當(dāng)執(zhí)行報警控制策略后駕駛員沒有及時響應(yīng)或響應(yīng)錯誤，以至于實際車距小于安全臨界車距、潛在威脅目標(biāo)變?yōu)橥{目標(biāo)時，主動防撞預(yù)警系統(tǒng)判定當(dāng)前的行駛狀態(tài)為危險，但是只要此時距離不小于危險臨界車距，則危險狀態(tài)可通過調(diào)整車輛動力輸出等方式得到改善，并不一定會發(fā)生交通事故。此時系統(tǒng)提醒駕駛員“減速行駛”并伴有較高級別的聲光報警，系統(tǒng)執(zhí)行減速控制策略。

d.制動控制策略。在執(zhí)行減速控制策略后，若駕駛員沒有采取措施或前車仍以較大減速度進(jìn)行減速行駛，或者突然有其它潛在威脅目標(biāo)轉(zhuǎn)換為危險目標(biāo)時，會導(dǎo)致相對車距小于危險臨界車距，系統(tǒng)將判定當(dāng)前的行駛狀況非常危險，發(fā)生事故的可能性較大。此時主動防撞預(yù)警系統(tǒng)提醒駕駛員“緊急制動”并伴有高等級的聲光報警，且同時自動、快速地增加制動壓力直到車輛脫離危險為止，即此時系統(tǒng)執(zhí)行制動控制策略。

5 結(jié)束語

對汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)避控制進(jìn)行了研究。依據(jù)汽車運動學(xué)理論對安全車距模型進(jìn)行構(gòu)建，建立了包括安全臨界、鎖定目標(biāo)、危險臨界和極限臨界的汽車縱向安全車距模型以及橫向安全車距模型；結(jié)合安全車距以及危險目標(biāo)等級劃分，提出了針對不同級別的危險行駛狀況所采取的有效規(guī)避控制策略。

1 Seiler P，Song B，Hedrick J K.Development of a collision avoidance system.Development，1998，（4）：17～22.

2 Chakroborty P，Kikuchi S.Evaluation of the General Motors based car-following models and a proposed fuzzy inference model.Transportation Research PartC:EmergingTechnologies， 1999，7（4）:209～235.

3 Chien Cc.Intelligent vehicle highway systems(IVHS): Advanced vehicle control system;PhD Thesis，University of Southern California，1994.

4余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

5喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

6黨宏社，韓崇昭，段戰(zhàn)勝.汽車防碰撞報警與制動距離的確定.長安大學(xué)學(xué)報，2002，22（5）:89～91.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2014年7月15日。

Research on Active Control of Vehicle Anti-collision System

Song Baolin1，Zhou Qiyi2
（1.Henan Vocational and Technical College of Communications，2.Hainan Tropical Automobile Test Co.，Ltd）

A vehicle active anti-collision system is presented in this paper，in which its working principle is introduced，and its anti-collision control is studied.Firstly the safety distance model is analyzed according to vehicle kinetic theory.And vehicle longitudinal and lateral safety distance model which include safety critical distance，lock-in target distance，danger critical distance and limit critical distance are established.Then the danger targets are identified and classified based on safety distance model.Finally，the corresponding danger-prevention control strategy is established according to different degrees of danger.

Vehicle anti-collision system,Safety distance,Control strategy

汽車主動防撞系統(tǒng)安全車距控制策略

U461.91

A

1000-3703（2014）08-0028-04