基于駕駛行為的追尾避撞控制策略研究?

劉志強(qiáng)，張春雷，張愛(ài)紅，倪 捷，朱偉達(dá)

基于駕駛行為的追尾避撞控制策略研究?

劉志強(qiáng)1，張春雷1，張愛(ài)紅2，倪 捷1，朱偉達(dá)1

(1.江蘇大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013； 2.公安部交通管理科學(xué)研究所，無(wú)錫 214151)

本文中提出了一種通過(guò)制動(dòng)或換道來(lái)實(shí)現(xiàn)的追尾避撞控制策略。首先通過(guò)模擬駕駛儀采集駕駛員避免追尾碰撞的換道時(shí)機(jī)、制動(dòng)強(qiáng)度、最大加速度變化率和反應(yīng)時(shí)間，構(gòu)建了駕駛員制動(dòng)避撞行為和換道避撞行為模型；然后建立基于制動(dòng)安全距離、碰撞時(shí)間和換道安全距離的危險(xiǎn)估計(jì)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算行車(chē)發(fā)生追尾碰撞的危險(xiǎn)等級(jí)并據(jù)此選取相應(yīng)的主動(dòng)避撞介入時(shí)機(jī)和方式；最后依據(jù)碰撞時(shí)間和結(jié)合前饋控制的線性狀態(tài)反饋控制方法，分別建立制動(dòng)避撞策略和換道避撞策略。Matlab仿真和實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該避撞控制策略能通過(guò)自主換道或制動(dòng)避免中低速跟車(chē)行駛時(shí)的追尾碰撞。

追尾避撞；模擬駕駛儀；駕駛員避撞行為；避撞控制策略；自主換道或制動(dòng)

Keywords:rear-end collisions； driving simulator； drivers'collision avoidance behavior； collision avoidance control strategy；autonomous lane change or braking

前言

車(chē)-車(chē)碰撞可分為正面碰撞、側(cè)向碰撞和追尾碰撞，其中追尾碰撞所占比例最大，2012年全國(guó)高速公路事故中追尾碰撞占32%__[1]。為減少追尾碰撞事故的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了基于制動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的安全距離模型[2]、基于車(chē)頭時(shí)距安全距離模型[3-4]，這些模型均未考慮駕駛員因素，不能反映駕駛員避撞特性，因此接受度不高。

近年來(lái)對(duì)駕駛員避撞特性的研究越來(lái)越多___[5-7]，但這些研究?jī)H對(duì)駕駛員制動(dòng)特性進(jìn)行分析，未考慮駕駛員正常避撞策略的選擇。問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果(圖1)表明，在駕駛員感知到有追尾危險(xiǎn)時(shí)超過(guò)60%的駕駛員第一選擇是采取換道避撞策略，所以目前基于駕駛員制動(dòng)避撞特性的研究不能充分反映駕駛員的避撞行為，未來(lái)主動(dòng)避撞技術(shù)將通過(guò)模擬駕駛員避撞行為選擇自主制動(dòng)或換道來(lái)幫助駕駛員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞[8-9]。

圖1 駕駛員避免追尾碰撞采取的措施

主動(dòng)避撞系統(tǒng)介入時(shí)機(jī)和方式應(yīng)根據(jù)具體交通場(chǎng)景的危險(xiǎn)評(píng)估和駕駛員避撞行為特性來(lái)決定。主動(dòng)避撞系統(tǒng)首先通過(guò)車(chē)載傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)行車(chē)環(huán)境，當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)判斷當(dāng)前行車(chē)安全狀態(tài)，若有潛在追尾危險(xiǎn)則對(duì)駕駛員報(bào)警，若駕駛員未采取任何避撞措施，系統(tǒng)將根據(jù)危險(xiǎn)等級(jí)和行車(chē)環(huán)境采取類似駕駛員避撞行為的換道或緊急制動(dòng)策略。

根據(jù)傳感器檢測(cè)到的環(huán)境信息和自車(chē)的行駛狀態(tài)信息對(duì)自車(chē)當(dāng)前行駛安全狀態(tài)做出評(píng)估是主動(dòng)避撞系統(tǒng)的基礎(chǔ)，環(huán)境狀態(tài)感知已有學(xué)者做出詳細(xì)描述[10]，本文中通過(guò)模擬駕駛儀分析駕駛員在緊急狀態(tài)下采取避撞的行為特性，運(yùn)用基于駕駛員避撞行為特性的新型危險(xiǎn)評(píng)估算法實(shí)時(shí)評(píng)估行車(chē)安全狀態(tài)，在保證車(chē)內(nèi)乘客的最大舒適度的同時(shí)根據(jù)不同的危險(xiǎn)等級(jí)采取報(bào)警、制動(dòng)和換道避撞策略。

1 駕駛員避撞行為分析

駕駛員感知到有追尾碰撞危險(xiǎn)時(shí)采取的避撞策略有換道、制動(dòng)、換道加制動(dòng)，對(duì)駕駛員在危險(xiǎn)狀態(tài)下采取換道和制動(dòng)兩種最常見(jiàn)的避撞方式進(jìn)行分析，在換道過(guò)程中假設(shè)車(chē)輛縱向車(chē)速保持不變。為分析系統(tǒng)介入時(shí)間，通過(guò)模擬駕駛儀(圖2)對(duì)100名經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員避撞行為特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置為自車(chē)在單向三車(chē)道的中間車(chē)道上正常行駛，前方有同向行駛車(chē)輛且在某一任意時(shí)刻做出制動(dòng)操作。

圖2 模擬駕駛儀實(shí)現(xiàn)駕駛場(chǎng)景

首先考慮駕駛員換道避撞行為特性，實(shí)驗(yàn)時(shí)假設(shè)自車(chē)的左右車(chē)道無(wú)障礙物即允許換道，實(shí)驗(yàn)測(cè)得在自車(chē)與前車(chē)相對(duì)速度分別為 0，20，40，60和120km/h時(shí)，駕駛員采取換道避撞的時(shí)間和兩車(chē)相對(duì)距離，并得出駕駛員認(rèn)為安全、存在危險(xiǎn)和危險(xiǎn)3個(gè)區(qū)域(圖3)，圖中直線表示車(chē)輛保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生碰撞的時(shí)間。

圖3 換道避撞操作時(shí)機(jī)

現(xiàn)有研究中多以制動(dòng)加速度表示駕駛員制動(dòng)避撞行為，本文中增加制動(dòng)加速度變化率j這一參數(shù)建立考慮駕駛員能接受的最大加速度變化率的制動(dòng)安全車(chē)距模型，加速度與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖4，tj(t)為從當(dāng)前加速度到以最大制動(dòng)減速度制動(dòng)避撞的時(shí)間，其表達(dá)式為

式中:a0(t)為當(dāng)前加速度；amin和jmin分別為最小加速度和最小加速度變化率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析保證駕駛員和車(chē)內(nèi)乘客舒適度的極限值為amin＝-0.6g，jmin＝-10m/s3。則制動(dòng)安全距離為

其中

式中:jr為相對(duì)加速度；vt為自車(chē)速度；vl為前車(chē)速度；al為前車(chē)加速度；atmin為自車(chē)最小加速度；ds為最小停車(chē)安全車(chē)距；tls為前車(chē)減速至停車(chē)所需時(shí)間；tts為自車(chē)減速至停車(chē)所需時(shí)間。

圖4 加速度與時(shí)間的關(guān)系

分析駕駛員換道和制動(dòng)避撞行為需考慮的另一參數(shù)為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，即系統(tǒng)需為駕駛員得到報(bào)警信號(hào)后預(yù)留時(shí)間來(lái)判斷危險(xiǎn)并作出避撞操作。在模擬駕駛儀中設(shè)置跟車(chē)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間跟車(chē)后，前車(chē)會(huì)突然制動(dòng)，且自車(chē)在碰撞前3s發(fā)出報(bào)警，駕駛員從聽(tīng)到報(bào)警聲音到采取制動(dòng)的時(shí)間分布如圖5所示。

圖5 駕駛員反應(yīng)時(shí)間分布

由圖5可知，報(bào)警聲發(fā)出1.25s已有超過(guò)60%的駕駛員采取制動(dòng)避撞措施。主動(dòng)避撞系統(tǒng)的報(bào)警及制動(dòng)時(shí)機(jī)的選擇必須符合駕駛員避撞習(xí)慣，這樣才能不干擾駕駛員正常駕駛而被其接受。觸發(fā)主動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的典型參數(shù)是碰撞時(shí)間(TTC)[11-12]。本文中以碰撞時(shí)間和ACC系統(tǒng)使用的車(chē)間時(shí)距(TG)[13]兩個(gè)參數(shù)共同決定主動(dòng)報(bào)警及制動(dòng)干預(yù)時(shí)機(jī)。

為確定執(zhí)行換道避撞策略所需參數(shù)的值，建立如圖6所示的S型換道軌跡模型，車(chē)輛換道軌跡由換道時(shí)間為T(mén)B，2TB和10TB時(shí)車(chē)輛位置確定，10TB時(shí)車(chē)輛位置即為期望換道完成位置，其中TB為常量，TB＝100ms，3個(gè)點(diǎn)被放在一起以矩陣形式傳輸?shù)娇刂破?

圖6 追尾避撞模型

以自車(chē)縱向車(chē)速方向?yàn)閤軸、x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為y軸建立直角坐標(biāo)系，則車(chē)輛在S型換道軌跡模型中的位置為偏航角ψ為(假定無(wú)側(cè)滑)

ψ＝arctan(d y/d x) (4)

其對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為

根據(jù)阿克曼原理可得車(chē)輛橫向加速度為

車(chē)輛S型軌跡為

式中:yM為車(chē)輛換道所需的橫向位移；a為軌跡曲線在x＝c處的斜率；(c，yM/2)為曲線的拐點(diǎn)；c為車(chē)輛完成換道縱向位移s的一半。

換道安全距離Ds為

2 避撞策略

原則上系統(tǒng)執(zhí)行的避撞策略要盡可能在不干預(yù)駕駛員操作的情況下按照危險(xiǎn)等級(jí)執(zhí)行相應(yīng)的主動(dòng)干預(yù)以實(shí)現(xiàn)避免追尾碰撞。系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)車(chē)輛和自車(chē)行駛狀態(tài)信息的處理判斷出自車(chē)當(dāng)前是否有追尾碰撞的危險(xiǎn)，當(dāng)存在追尾危險(xiǎn)時(shí)選擇主動(dòng)避撞方式和介入時(shí)間。

2.1 危險(xiǎn)估計(jì)模型

主動(dòng)避撞方式有制動(dòng)、換道、制動(dòng)加換道組合，本文中不考慮第3種策略。

駕駛員正常行車(chē)過(guò)程中有以下4種模式:

(1)D＞Ds且 D＞Db，行車(chē)安全；

(2)D＞Ds且D≤Db，系統(tǒng)判斷道路條件允許換道則執(zhí)行換道避撞策略，若不允許換道則執(zhí)行制動(dòng)避撞策略；

(3)D≤Ds且 D＞Db，行車(chē)安全；

(4)D≤Ds且D≤Db，系統(tǒng)選擇制動(dòng)避撞策略。在執(zhí)行制動(dòng)避撞控制時(shí)根據(jù)駕駛員避撞特性劃分3個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。

TTC定義為

TG定義為

式中:D為兩車(chē)的實(shí)時(shí)相對(duì)車(chē)距；vl和vt分別為前車(chē)和自車(chē)車(chē)速。

由式(9)可知，在兩車(chē)相對(duì)速度較小時(shí)TTC的值將會(huì)很大，無(wú)法準(zhǔn)確判斷當(dāng)前車(chē)輛危險(xiǎn)等級(jí)，引入TG作為T(mén)TC的補(bǔ)充可以很好地解決這一問(wèn)題。

根據(jù)駕駛員采取換道避撞時(shí)機(jī)(圖3)和反應(yīng)時(shí)間(圖5)，設(shè)置系統(tǒng)初級(jí)報(bào)警時(shí)間為T(mén)TC1＝3.00s，二級(jí)報(bào)警TTC2＝2.25s，此時(shí)不僅有聲音報(bào)警系統(tǒng)還增加輕微制動(dòng)，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)該制動(dòng)強(qiáng)度為0.1g～0.2g最為合適，既能夠加強(qiáng)報(bào)警效果也不干預(yù)駕駛員正常駕駛。緊急制動(dòng)時(shí)間設(shè)置為T(mén)TC3＝1.00s，此時(shí)駕駛員可能會(huì)有意識(shí)地轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，考慮到車(chē)輛穩(wěn)定性在多種條件下多次實(shí)驗(yàn)得出最大制動(dòng)強(qiáng)度為0.6g。另一方面為避免駕駛員誤操作，此時(shí)鎖死制動(dòng)踏板。在 TTC＞TTC1時(shí)，TG作為主動(dòng)介入依據(jù)[14]，相對(duì)應(yīng) TG1＝2.10s，TG2＝1.50s，TG3＝1.10s。

2.2 控制邏輯

系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)避撞控制策略后首先判斷TTC與TTC1的關(guān)系，若TTC＞TTC1則進(jìn)入算法二(圖7(b))，否則進(jìn)入算法一(圖7(a))。算法一中TTC≤TTC1，在TTC＞TTC2時(shí)，若駕駛員采取措施避免追尾碰撞，則返回信息檢測(cè)實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)參數(shù)判斷危險(xiǎn)等級(jí)，若駕駛員未采取措施，系統(tǒng)初級(jí)報(bào)警提示駕駛員當(dāng)前行車(chē)狀態(tài)有追尾碰撞的危險(xiǎn)；在TTC3＜TTC≤TTC2時(shí)，若駕駛員采取措施避免追尾碰撞，則返回信息檢測(cè)實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)參數(shù)判斷危險(xiǎn)等級(jí)，若駕駛員未采取措施系統(tǒng)二級(jí)報(bào)警提示駕駛員當(dāng)前行車(chē)狀態(tài)有較大可能發(fā)生追尾碰撞；TTC≤TTC3時(shí)，駕駛員已無(wú)法避免追尾碰撞，系統(tǒng)采取緊急制動(dòng)策略，在兩車(chē)相對(duì)速度較小時(shí)TTC無(wú)法判斷行車(chē)危險(xiǎn)等級(jí)，算法二用車(chē)間時(shí)距TG代替TTC對(duì)行車(chē)狀態(tài)實(shí)時(shí)判斷。

圖7 追尾避撞控制算法

在換道避撞過(guò)程中系統(tǒng)存在干擾和偏差，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)合前饋控制的反饋控制器，如圖8所示。通過(guò)車(chē)輛速度v、軸距l(xiāng)和期望軌跡曲率k可計(jì)算出基于自身轉(zhuǎn)向梯度USG的轉(zhuǎn)角δFF為

圖8 線性反饋控制與前饋控制相結(jié)合的結(jié)構(gòu)

使用車(chē)輛的偏航角ψ和縱向位置xE控制偏差進(jìn)行坐標(biāo)變換定義e＝Δy。期望轉(zhuǎn)角δM為前饋和反饋控制得到的δFB與δFF之和。所建立的制動(dòng)和換道相結(jié)合的追尾避撞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 追尾避撞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用德國(guó)汽車(chē)俱樂(lè)部(ADAC)有效性測(cè)試方法[15]對(duì)前車(chē)靜止、勻速、緊急制動(dòng)3種典型工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這里僅對(duì)最危險(xiǎn)的前車(chē)緊急制動(dòng)工況詳細(xì)說(shuō)明。設(shè)置交通場(chǎng)景為跟車(chē)行駛過(guò)程中自車(chē)道前方突然發(fā)生追尾碰撞交通事故，系統(tǒng)根據(jù)對(duì)相鄰車(chē)道環(huán)境檢測(cè)判斷換道條件決定主動(dòng)避撞策略方案。

實(shí)驗(yàn)車(chē)輛為裝配了毫米波雷達(dá)、速度傳感器、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、偏航率傳感器、ECU、報(bào)警、主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向和自動(dòng)制動(dòng)裝置的凱越轎車(chē)。

3.1 換道避撞策略

通過(guò)附加傳感器確定相鄰車(chē)道允許換道時(shí)(圖10)，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員反應(yīng)時(shí)間、安全車(chē)距計(jì)算決定換道時(shí)機(jī)和軌跡以避免追尾碰撞，自車(chē)換道過(guò)程按照系統(tǒng)計(jì)算的路徑行駛，無(wú)需駕駛員操作。

圖10 換道避撞策略

結(jié)合前饋控制的線性反饋控制換道避撞策略的實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)中換道橫向位移yM設(shè)置為3m，在實(shí)驗(yàn)第5s時(shí)開(kāi)始換道，經(jīng)過(guò)1s換道完成，隨后駕駛員返回原車(chē)道，在該車(chē)道內(nèi)行駛2s后制動(dòng)停車(chē)，結(jié)果如圖11所示。由圖11(d)可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際橫向位移與Matlab仿真得到的期望橫向位移吻合較好，僅有少許誤差。圖11(c)中期望值為控制器輸出值，實(shí)驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)角度數(shù)表明駕駛員未采取換道措施，換道由系統(tǒng)自主完成，實(shí)驗(yàn)中橫向最大加速度為｜ay｜≈7m/s2。

3.2 制動(dòng)避撞策略

通過(guò)附加傳感器確定相鄰車(chē)道不允許換道時(shí)，系統(tǒng)采取制動(dòng)避撞策略(圖12)。根據(jù)圖5駕駛員反應(yīng)時(shí)間分布，設(shè)定駕駛員感受到二級(jí)報(bào)警再到系統(tǒng)緊急制動(dòng)時(shí)間為1.25s，確保超過(guò)60%的駕駛員可以主動(dòng)避免追尾碰撞，系統(tǒng)緊急制動(dòng)的最大制動(dòng)減速度為0.6g。

實(shí)車(chē)驗(yàn)證系統(tǒng)避免追尾碰撞效果時(shí)以靜止的海綿塊(2m×0.6m×1.6m)替代前方車(chē)輛。實(shí)驗(yàn)時(shí)駕駛員在感受到二級(jí)報(bào)警后1.25s內(nèi)采取避撞措施，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

由圖可知，車(chē)輛在中低速行駛時(shí)該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)避免追尾碰撞，在高速區(qū)時(shí)可將碰撞速度大大降低。

4 結(jié)論

在車(chē)輛同向行駛過(guò)程中駕駛員未能及時(shí)判斷自車(chē)與前車(chē)存在追尾碰撞危險(xiǎn)并作出避撞操作時(shí)，設(shè)計(jì)的避撞控制策略在不妨礙駕駛員正常操作的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)以下功能:

圖11 與前饋控制相結(jié)合的線性反饋控制的換道測(cè)試結(jié)果

圖12 制動(dòng)避撞策略

(1)制動(dòng)避撞策略可實(shí)現(xiàn)有效避免中低速(≤50km/h)跟車(chē)行駛時(shí)追尾碰撞危險(xiǎn)，能幫助駕駛員避免城市交通常見(jiàn)的低速行駛時(shí)的追尾事故；

圖13 制動(dòng)策略避撞效果

(2)三級(jí)制動(dòng)避撞控制策略充分考慮駕駛員避撞特性，為駕駛員提供2s的自主避撞時(shí)間；

(3)換道避撞策略可在1s內(nèi)自主完成換道操作，滿足最危險(xiǎn)的駕駛員對(duì)換道時(shí)機(jī)的要求。

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A Study on the Control Strategy for Rear-end Collision Avoidance Based on Drivers'Behavior

Liu Zhiqiang1， Zhang Chunlei1， Zhang Aihong2， Ni Jie1＆ Zhu Weida1
1.School of Automotive and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013；2.Traffic Management Research Institute of the Ministry of Public Security，Wuxi 214151

A control strategy for rear-end collision avoidance by braking or lane change is proposed in this paper.Firstly the model for drivers'collision avoidance behavior by braking or lane change is established based on the timing of lane change， braking strength， the maximum jerk and reaction time for driver to avoid rear end collision collected by driving simulator.Then a risk assessment model is built based on the safety distance in braking or lane change and time to collision，and the risk level of rear-end collision occurrence in driving is calculated real time，based on which the corresponding timing and way of active collision avoidance intervention are selected.Finally the collision avoidance strategies by braking or lane change are set up respectively according to the time to collision and the method of combined linear state feedforward-feedback control.The results of Matlab simulation and real vehicle test show that the collision avoidance control strategy proposed can avoid rear-end collision in medium/low speed vehicle following driving by autonomous lane change or braking.

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.09.014

?國(guó)家自然科學(xué)基金(61403172)和道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2016ZDSYSKFKT09)資助。

原稿收到日期為2016年10月25日，修改稿收到日期為2016年12月1日。

劉志強(qiáng)，教授，博士，E-mail:Zhqliu＠ujs.edu.cn。