車輛自主緊急制動系統(tǒng)仿真*

霍肖楠 馮國勝 應(yīng)銘 馬俊長

（1.石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院；2.石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院；3.河北御捷車業(yè)有限公司）

近年來國內(nèi)汽車數(shù)量呈爆發(fā)式增長，隨之而來的交通安全問題也越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，人為因素占交通事故致因的90%，超過65%的車輛相撞是追尾碰撞。為了提高道路交通的安全性，汽車制動系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)成為關(guān)鍵問題[1]。汽車能夠自主進行危險碰撞預(yù)警并及時采取制動措施，可有效防止因車輛制動系統(tǒng)人為操作不當而引發(fā)的交通追尾碰撞事故[2]。根據(jù)車身傳感器與雷達裝置采集的行車信息，可判斷出當前行駛狀態(tài)下是否存在碰撞危險。文章基于理想制動模型對縱向安全距離進行預(yù)測，通過閾值法來判別當前的危險工況，當車輛ECU 計算出危險車況時，立刻觸發(fā)制動系統(tǒng)進行制動。在制動過程中實時根據(jù)路面狀況以及整車參數(shù)對制動力進行防抱死控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)安全避撞的效果。

1 安全距離模型的建立與制動觸發(fā)

安全距離模型的建立需要通過車載傳感器來獲取車輛運行狀況的實時信息，將傳感器所采信息輸入控制處理器中，按照提前設(shè)計好的計算方法得到某種可以表示當前車況危險程度的量，系統(tǒng)ECU 可通過閾值法判別緊急危險狀況，以及是否觸發(fā)車輛自主制動措施。毫米波雷達傳感器的感知區(qū)域為一扇形，需要從橫向與縱向2 個方面進行危險判定[3]，當自車A 與前方同向行駛汽車B 同時達到危險工況時才可觸發(fā)制動系統(tǒng)。直線道路行車狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 直線道路行車狀態(tài)

當自車A 行駛時感知到汽車B，由于B 本身具有一定長度范圍，故雷達將檢測到關(guān)于汽車B 位置的一系列數(shù)據(jù)，上層控制器從中優(yōu)先選擇Lmea1和θ1進行計算[4]，得到目標點與毫米波雷達傳感器之間的橫向距離，如式（1）所示。為了保證行車安全，Wmea應(yīng)滿足的條件，如式（2）所示。兩車橫向安全距離模型，如圖2 所示。

圖2 自車與目標車輛的橫向安全距離模型

根據(jù)自車車速與相對速度等信息計算當前行車狀況下的縱向安全距離，進而判斷雷達距離最近目標的縱向距離是否達到了緊急狀態(tài)。文章基于理想狀態(tài)下的車輛制動過程并結(jié)合車輛追擊問題，建立縱向安全距離模型。車輛自主緊急制動系統(tǒng)獨立于人的駕駛意識，自動采取制動措施，理想狀態(tài)下車況制動加速度曲線，如圖3 所示[5]。

圖3 理想狀態(tài)下車況制動加速度曲線

汽車在自主緊急制動過程中，忽略了駕駛員主觀判斷路況的反應(yīng)時間以及制動操作時間，故經(jīng)過了制動加速度增大階段以及制動加速度保持階段，直到車速為0。在計算過程中，取制動加速度上升所用時間為0.2 s，其平方項忽略不計，因此自車在制動過程中行駛的距離，如式（3）所示。

式中：vA——自車制動前的行駛速度，m/s；

am——理想狀態(tài)下汽車保持的最大制動加速度，m/s2；

sA——自車在制動過程中行駛的距離，m。

自車制動所需的時間（t2/s），如式（4）所示。

在0～t2時間段內(nèi)，前方目標車輛的縱向行駛距離，如式（5）所示。

式中：sB——前方目標車輛的縱向行駛距離，m；

Δv——前方目標車輛與自車的速度差，m/s。

要想避免追尾碰撞，兩車實際的縱向相對距離應(yīng)大于兩車在制動過程中行駛的位移差。自車A 與汽車B 應(yīng)保持的縱向臨界安全距離（d/m）應(yīng)為制動過程中前后兩車的行駛距離差。理想狀態(tài)下，當兩車的實際縱向距離達到該臨界安全距離時，兩車剛好發(fā)生碰撞。

由式（6）可知，縱向安全距離的臨界值是隨著汽車行駛狀態(tài)不斷變化的，其大小與自車車速、兩車相對速度、方位角、最大制動加速度等因素有關(guān)。汽車行駛過程中，隨時將自車與前方障礙物的實際縱向相對距離（ΔL/m）與安全距離進行比較，判斷汽車是否可能發(fā)生追尾碰撞危險。

引入一無量綱參數(shù)（p）表示汽車可能發(fā)生碰撞的危險程度，并設(shè)定某一閾值表示發(fā)生碰撞危險的臨界狀態(tài)。

由于在實際道路中，汽車的制動過程并非是理想的，制動力生效的反應(yīng)時間以及最大制動加速度的大小保持均存在誤差，故在縱向碰撞危險臨界閾值上應(yīng)保留一定裕量，實際相對距離應(yīng)取為理想安全距離臨界值的1.2 倍。參數(shù)p 的閾值狀態(tài)等級劃分如下：

當p＞1 時，表明自車與前車保持著十分安全的車距狀態(tài)；

當0.5＜p≤1 時，表示車輛存在一定的碰撞危險，但并不嚴重，需要駕駛員保持警惕；

當0.2＜p≤0.5 時，表明車輛有較大的碰撞危險，汽車應(yīng)該發(fā)出報警提醒駕駛員采取制動措施；

當p≤0.2 時，表明車輛十分接近碰撞危險，系統(tǒng)檢測到駕駛員沒有進行制動操作后，立即使用最大制動力進行自主緊急制動，以此避免碰撞傷害或減小碰撞損失。

縱向安全距離模型，如圖4 所示。

圖4 自車與目標車輛的縱向安全距離模型

自主緊急制動系統(tǒng)的危險工況需根據(jù)橫向與縱向安全距離模型結(jié)合判定，兩者均達到危險狀況時，才應(yīng)立刻觸發(fā)制動控制系統(tǒng)，危險工況判定流程，如圖5 所示。

圖5 自車與目標車輛的安全距離模型危險工況判定流程

2 防抱死制動系統(tǒng)（ABS）制動控制方法

2.1 車輛制動受力分析及建模

無論是啟動還是制動，汽車運動所受外力除了空氣阻力，主要由地面提供。在汽車制動過程中，地面制動力越大，制動減速度越大，從而可獲取最短制動距離，對汽車制動性能具有決定性影響[6]。而地面制動力與車輪與地面的垂直載荷以及車輪與地面的附著情況有關(guān)。車輪在制動狀態(tài)下的受力情況，如圖6 所示。

圖6 車輪在制動狀態(tài)下的受力情況

汽車與車輪滿足的動力學(xué)方程，如式（9）所示。

式中：m——整車質(zhì)量，kg；

I——車輪轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

車輛動力學(xué)模型，如圖7 所示。

圖7 制動狀態(tài)下車輛動力學(xué)模型

2.2 最優(yōu)地面附著系數(shù)與目標滑移率

地面附著力與附著系數(shù)和對地面的垂直載荷有關(guān)，同一路面車輪的滑移率也影響著路面對車輪的附著系數(shù)[7]。附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系，如圖8 所示。

圖8 車輪滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系

從圖8 可以看出，在任意單一路面，汽車的縱向附著系數(shù)首先隨著滑移率從0 開始增加而急劇增加，直到滑移率達到某一值時使得附著系數(shù)達到最大，然后隨著滑移率繼續(xù)增加，縱向附著系數(shù)以相對緩慢的趨勢減小，最后趨于穩(wěn)定。一般情況下，將滑移率控制在0.2 左右時可以獲取較大的路面附著系數(shù)，取得良好的制動效果。將滑移率的大小與理想值（0.2）進行對比，通過PID 控制對制動力進行調(diào)節(jié)，使滑移率在制動過程中保持在0.2 左右。

3 自制緊急制動系統(tǒng)（AEB）仿真與驗證

3.1 AEB 系統(tǒng)整體仿真模型建立

文章中的AEB 仿真建模主要由五部分組成。

1）緊急車況判定模塊。該模塊包含了橫向安全距離模型與縱向安全距離模型，在前方目標車輛位于自車正前方區(qū)域時，主要通過二者的縱向相對距離與縱向相對速度結(jié)合自車行駛速度，判斷是否有可能發(fā)生碰撞危險。整個模塊將根據(jù)輸入信號的值最終輸出0或1，當該模塊輸出1 時，即可觸發(fā)制動系統(tǒng)，反之則使汽車保持原狀態(tài)繼續(xù)行駛。

2）車輛動力學(xué)模塊。通過自車的整車質(zhì)量、軸距等固定參數(shù)以及路面的附著系數(shù)，得到實時狀態(tài)下的車速、輪速以及行駛位移，本模型僅建立了自車前端單輪的車輛動力學(xué)模型。

3）滑移率計算模塊。根據(jù)車輪的轉(zhuǎn)動角速度、滾動半徑以及車速，實時計算車輪的滑移率。

式中：s——車輪滑移率系數(shù)；

ω——車輪角速度，rad/s。

4）路面附著系數(shù)模塊。在路面滑移附著系數(shù)曲線上采用Burckhardt 模型描述滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系[8]。

式中：φ——附著系數(shù)；

c1，c2，c3——Burckhardt 模型下的路面參數(shù)。

假設(shè)汽車行駛在干瀝青路面，則c1，c2，c3的取值分別為1.28，23.99，0.52，可根據(jù)滑移率計算模塊的輸出值得到當前車況路面與車輪的附著系數(shù)。

5）PID 控制模塊。已知理想滑移率為0.2，通過滑移率計算模塊得到的數(shù)值與0.2 作差得到滑移率誤差，將誤差輸入PID 控制器中進一步對制動力進行調(diào)節(jié)，該車液壓制動模型的傳遞函數(shù)[9]，如式（12）所示。

將緊急車況判定模塊輸出的制動使能作用在前向通路上，由此控制制動系統(tǒng)的啟動與停止。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，PID 的控制參數(shù)分別為80，8，1.3。

AEB 整體仿真模型，如圖9 所示[10]。

圖9 自主緊急制動系統(tǒng)（AEB）整體仿真模型

3.2 AEB 系統(tǒng)仿真及驗證

將自車的一些整車參數(shù)與制動前的行駛狀態(tài)作為系統(tǒng)已知輸入量，相關(guān)信息如表1 所示。

表1 自車整車相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)

為了實現(xiàn)自車行駛過程中從安全到危險的行車工況，設(shè)定前方目標車輛位于自車正前方，水平偏角為0，測得兩車的相對距離為10 m，制動前自車速度為30 m/s，驗證當相對距離從車速為15 m/s 時開始增大，單位增長速度為3 m/s，觀察此過程中，系統(tǒng)對危險工況的判定以及制動系統(tǒng)的運行情況。

在前后兩車相對速度不斷增大的過程中，緊急制動觸發(fā)信號，如圖10 所示。

圖10 汽車緊急制動觸發(fā)信號

由圖10 可知，相對速度增大約0.5 s 后系統(tǒng)判定為緊急工況，發(fā)出緊急制動控制信號，使制動系統(tǒng)使能，制動系統(tǒng)開始工作，使汽車進入減速制動狀態(tài)。

與此同時車輪制動器制動力、滑移率，以及車輪速度與車速變化曲線，如圖11～圖13 所示。

圖11 車輪制動力變化曲線

圖12 車輪滑移率變化曲線

圖13 車輪速度與車速變化曲線

4 結(jié)論

文章中的仿真系統(tǒng)將制動系統(tǒng)自動觸發(fā)控制策略與ABS 制動控制相結(jié)合。仿真結(jié)果表明，在兩車相對速度逐漸增大的過程中，碰撞危險也隨之增加，當達到安全臨界閾值時制動信號將自動觸發(fā)。在制動過程中對制動器制動力進行調(diào)節(jié)，使車輪滑移率逐漸趨于0.2 附近，可獲取較好的制動附著效果，達到了汽車自動平穩(wěn)制動的目的。