交通擁堵輔助（TJA）系統(tǒng)方案及測(cè)試方法

劉建平 駱文婕 鄭望曉 鄭陽(yáng)

摘 要：通過(guò)對(duì)交通擁堵輔助（TJA）系統(tǒng)的功能介紹，分析TJA系統(tǒng)工作原理以及對(duì)系統(tǒng)技術(shù)方案進(jìn)行闡述。根據(jù)系統(tǒng)功能定義，提出一種對(duì)TJA系統(tǒng)性能的試驗(yàn)方法，對(duì)TJA的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：交通擁堵輔助系統(tǒng);系統(tǒng)方案;測(cè)試方法

中圖分類號(hào)：U491.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-87-03

Abstract： Through the introduction of the functions of the Traffic Jam Assistance （TJA） system， Analysis of the working principle for the TJA system， and explain the system technical solutions. According to the system function definition， a test method for the performance of TJA system is proposed， which has certain reference significance for the development and verification of TJA.

引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車已逐步進(jìn)入智能化時(shí)代，駕駛員輔助系統(tǒng)越來(lái)越受到消費(fèi)者的關(guān)注。有調(diào)查結(jié)果顯示，大部分中國(guó)車主對(duì)駕駛員輔助系統(tǒng)持積極開(kāi)放的態(tài)度，并且表現(xiàn)出極高的興趣度和認(rèn)知度。有超過(guò)80%的受訪者認(rèn)可駕駛員輔助系統(tǒng)能夠大幅提高駕駛安全性和舒適性，73%的受訪者則表示愿意依賴駕駛員輔助系統(tǒng)，來(lái)替代日常駕駛中的部分簡(jiǎn)單操作[1]。

安全輔助駕駛系統(tǒng)在解決交通安全問(wèn)題上的作用有目共睹，如果其在保證安全性的同時(shí)，能夠緩解交通擁堵，減少能源消耗量和污染物排放量，那么該系統(tǒng)應(yīng)用將會(huì)同時(shí)緩解大部分的交通問(wèn)題，對(duì)交通行業(yè)的發(fā)展有十分重要的意義[2]。近兩年來(lái)，越來(lái)越多的車型在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）的基礎(chǔ)上搭載了交通擁堵輔助系統(tǒng)（TJA），并受到消費(fèi)者的青睞。與全速ACC系統(tǒng)提供車輛縱向控制相比，TJA同時(shí)還車道內(nèi)的車輛橫向控制，通過(guò)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便將車輛保持在預(yù)定的路徑上[3]，在一定程度上減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。

1 TJA系統(tǒng)方案

交通擁堵輔助作為部分自動(dòng)駕駛功能之一，通過(guò)前向攝像頭和毫米波雷達(dá)傳感器的數(shù)據(jù)融合，可準(zhǔn)確判斷包括本車道和相鄰車道在內(nèi)的車輛周圍交通情況（如圖1）。該功能適用于在低速（0～60kph）交通擁堵?tīng)顩r下，于高速公路和較好的城市快速路高架路（無(wú)十字路口、行人、電瓶車等的簡(jiǎn)單路況）實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛縱向和橫向的同時(shí)控制。還可根據(jù)預(yù)設(shè)的車速和距離，保持在本車道內(nèi)自動(dòng)跟隨前車行駛。

當(dāng)車輛行駛時(shí)前方毫米波雷達(dá)時(shí)刻監(jiān)測(cè)車輛前方區(qū)域車輛目標(biāo)，前方攝像頭時(shí)刻監(jiān)測(cè)車輛前方車道、車道線信息、車流信息[4]。通過(guò)前方雷達(dá)和前方攝像頭數(shù)據(jù)融合，前方攝像頭將拾取到的車輛信息、車道信息、車道線信息等通過(guò)私有CAN傳輸給雷達(dá)，雷達(dá)識(shí)別到的有效目標(biāo)進(jìn)行跟隨控制、彎道控制;根據(jù)駕駛員設(shè)置的車間時(shí)距、前車速度通過(guò)控制EMS、ESP實(shí)現(xiàn)自車加速、減速保持自車與前車合適的車間時(shí)距，通過(guò)攝像頭識(shí)別車道線或者雷達(dá)和攝像頭數(shù)據(jù)融合識(shí)別到的“車流”（當(dāng)識(shí)別不到車道線時(shí)以周圍車輛的行駛軌跡模擬出來(lái)的車道）通過(guò)EPS對(duì)方向盤施加橫向扭矩實(shí)現(xiàn)車輛保持在車道內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)交通擁堵時(shí)，車速低于60km/h條件下，自車既保持在車道內(nèi)還可以跟隨前車行進(jìn)，適合于交通擁堵時(shí)工況單一簡(jiǎn)單可以解放駕駛員雙手和雙腳，增加了駕駛的便利性。

TJA系統(tǒng)工作狀態(tài)分為開(kāi)啟、使能、激活、關(guān)閉、故障等五個(gè)狀態(tài)，根據(jù)整車關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)，以及環(huán)境信息（如擋位、車速、制動(dòng)踏板、車道線、前方車輛等）確定TJA系統(tǒng)工作狀態(tài)，TJA系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)如圖2所示。

TJA系統(tǒng)使用典型場(chǎng)景：

①道路標(biāo)線可見(jiàn)、引導(dǎo)車輛可見(jiàn)，TJA將車輛維持在車道中心行駛，不跟蹤前方的引導(dǎo)車輛偏移。

②道路標(biāo)線可見(jiàn)，引導(dǎo)車輛不可見(jiàn)。TJA將車輛維持在車道中心行駛。

③道路標(biāo)線不可見(jiàn)，引導(dǎo)車輛可見(jiàn)，TJA跟隨引導(dǎo)車輛的側(cè)向方位行駛。此情況通常會(huì)在交通擁堵情況下出現(xiàn)，此時(shí)道路標(biāo)記被前方車輛覆蓋。

④道路標(biāo)線不可見(jiàn)，引導(dǎo)車輛不可見(jiàn)。TJA由于缺少道路標(biāo)線和引導(dǎo)車輛的信息而解除。

⑤引導(dǎo)車輛切出TJA不會(huì)跟隨引導(dǎo)車輛進(jìn)行側(cè)向移動(dòng)，如果未檢測(cè)到新的引導(dǎo)車輛，TJA會(huì)自動(dòng)解除，如果檢測(cè)到新的引導(dǎo)車輛，TJA會(huì)跟隨新的引導(dǎo)車輛進(jìn)行側(cè)向移動(dòng)。

⑥車輛切入在切入車輛未被檢測(cè)為引導(dǎo)車輛之前，TJA不會(huì)跟隨此車輛進(jìn)行側(cè)向行駛。

⑦彎道行駛，TJA將車輛控制在自身車道內(nèi)行駛。

⑧車道返回，如果TJA的作用開(kāi)始于車輛遠(yuǎn)離車道中心的某一點(diǎn)，TJA可以平緩的將車輛轉(zhuǎn)回車道中心，即使在脫手駕駛的情況下。

⑨變道，如果駕駛員想要變道，例如開(kāi)啟轉(zhuǎn)向燈或快速轉(zhuǎn)向，TJA可以逐漸減小對(duì)車輛的控制，以保證駕駛員能夠舒適變道。

⑩單側(cè)車道線短暫丟失，如果單側(cè)車道線短暫丟失，TJA不會(huì)關(guān)閉，此時(shí)TJA的控制會(huì)基于一側(cè)車道線而進(jìn)行。

并道，在并道情況下，TJA平緩地降低控制扭矩或轉(zhuǎn)角，避免扭矩突然退出，造成駕駛員的不適感，扭矩或轉(zhuǎn)角下降的時(shí)長(zhǎng)約為3s。

2 TJA試驗(yàn)分析

通過(guò)對(duì)TJA系統(tǒng)應(yīng)用的典型場(chǎng)景分析，同時(shí)結(jié)合用戶在實(shí)際使用過(guò)程中的關(guān)注點(diǎn)。TJA系統(tǒng)縱向控制方面與ACC一致，目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于ACC系統(tǒng)的試驗(yàn)已有比較完善的標(biāo)準(zhǔn)，比如ISO 15622和ISO 22179，以及GB/T 20608。因此本文中主要考慮TJA橫向控制方面的試驗(yàn)，試驗(yàn)中同步考察系統(tǒng)縱向的表現(xiàn)。

2.1 試驗(yàn)工況定義

試驗(yàn)工況主要分為兩種類型，直道試驗(yàn)和彎道試驗(yàn)。其中直道試驗(yàn)包括目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn)、直道跟停試驗(yàn)、直道切出試驗(yàn)和直道切入試驗(yàn)。彎道試驗(yàn)主要為彎道加減速試驗(yàn)工況。

試驗(yàn)中目標(biāo)車輛安裝駕駛機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)車輛加減速、車速、以及行駛軌跡的精確控制，同時(shí)試驗(yàn)中同步采集測(cè)試車輛狀態(tài)信息，用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

2.1.1 目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn)

該試驗(yàn)工況，主要測(cè)試相鄰車道低速同向行駛車輛是對(duì)TJA系統(tǒng)的橫向控制和縱向控制是否存在影響，考核TJA系統(tǒng)傳感器對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。試驗(yàn)過(guò)程為TJA系統(tǒng)設(shè)置一定車速，跟隨前車沿車道中心線勻速行駛，并超越相鄰車道低速行駛的車輛。記錄該過(guò)程中測(cè)試車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)該過(guò)程中車輛縱向速度控制的穩(wěn)定性，橫向控制有無(wú)震蕩或過(guò)多過(guò)快的調(diào)整。

2.1.2 直道跟停試驗(yàn)

直道跟停是TJA系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景中基礎(chǔ)工況，該工況主要考核TJA跟隨目標(biāo)車行駛，對(duì)于目標(biāo)車加減速時(shí)的響應(yīng)是否及時(shí)，在縱向進(jìn)行速度控制的同時(shí)，橫向控制是否穩(wěn)定。試驗(yàn)的具體工況為，TJA設(shè)置一定車速跟隨前車穩(wěn)定行駛，一定時(shí)間后，前車以一定減速度減速至停止，在TJA轉(zhuǎn)變?yōu)榇龣C(jī)狀態(tài)前，前車再以一定加速度加速至試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的速度值。

2.1.3 直道切入/切出試驗(yàn)

在交通擁堵交通流中，相鄰車道車輛的切入/切出為典型場(chǎng)景（如圖3）。該場(chǎng)景下，TJA系統(tǒng)要求能及時(shí)識(shí)別到切入的車輛，或在前車切出后，需要能及時(shí)識(shí)別到本車道前方車輛。在前車切入切出的過(guò)程中，TJA的橫向控制不應(yīng)跟隨前車偏離車道，需要仍然保持在車道中間行駛;在縱向速度控制上應(yīng)平穩(wěn)，不得出現(xiàn)突兀的加減速情況。

2.1.4 彎道加減速試驗(yàn)

在彎道工況中，TJA的橫向控制一直存在一定的難度，彎道中TJA對(duì)縱向和橫向速度的控制能力也一定程度上表征了該系統(tǒng)性能的上限。該工況中測(cè)試速度與直道類似，在直道上跟隨前車在車道內(nèi)保持一定車速穩(wěn)定行駛，在進(jìn)入彎道后，前車以一定減速度剎停，在測(cè)試車TJA系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇龣C(jī)狀態(tài)前，前車再已一定加速度加速至試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的速度后勻速行駛，在該過(guò)程中前車盡量保持在彎道中心線行駛?？紤]彎道的特殊性，要求在彎道中測(cè)試車輛不應(yīng)出現(xiàn)壓線行駛，縱行速度應(yīng)控制平穩(wěn)，方向盤無(wú)過(guò)多或多大幅度的調(diào)整。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某搭載TJA系統(tǒng)的某車型為例，對(duì)于跟隨前車加減速行駛的工況，測(cè)試該工況下TJA系統(tǒng)性能。測(cè)試中客觀數(shù)據(jù)主要關(guān)注測(cè)試車輛橫向控制能力、跟隨過(guò)程中對(duì)前車加減速變化時(shí)的響應(yīng)能力、縱向速度的控制能力等。根據(jù)測(cè)試的客觀數(shù)據(jù)結(jié)合駕駛員的主觀感受，從而可以全面的評(píng)價(jià)在標(biāo)準(zhǔn)工況下TJA系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)。

圖4所示，在試驗(yàn)中定義車輛行駛的方向?yàn)閄軸，車道的中心線為橫向Y軸的0點(diǎn)，縱軸的值代表車輛偏離車道中心線的距離。測(cè)試結(jié)果顯示，測(cè)試車輛TJA橫向控制能力良好，偏離中心線值在±0.25m范圍內(nèi)，且不會(huì)受到前車左右偏離的影響。

圖5為測(cè)試車輛和前車在測(cè)試過(guò)程中速度的變化曲線，如圖所示，測(cè)試車輛速度曲線平滑，TJA系統(tǒng)縱向速度控制平穩(wěn)，無(wú)速度超調(diào)現(xiàn)象;同時(shí)對(duì)于前車速度的小波動(dòng)能做到有效過(guò)濾，避免造成不必要的頓挫感。

圖6所示為兩車輛縱向加速度隨時(shí)間的變化曲線。在該測(cè)試工況中，測(cè)試車輛的最大減速度約為3m/s?，最大加速度約為2.2m/s?;加減速控制平穩(wěn)，加速度曲線無(wú)過(guò)多毛刺和尖峰?？v向跟隨能力良好，當(dāng)前車減速時(shí)，約0.8s后測(cè)試車開(kāi)始減速，響應(yīng)及時(shí)。

3 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)TJA系統(tǒng)方案和工作原理進(jìn)行分析，從而針對(duì)性的設(shè)置試驗(yàn)方案;并通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，根據(jù)測(cè)試結(jié)果能客觀的評(píng)價(jià)TJA系統(tǒng)性能。本文所涉及的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)定，均為標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景的場(chǎng)地內(nèi)試驗(yàn)。但在在實(shí)際應(yīng)用中，被控車輛行駛過(guò)程中存在著諸多不確定性，擾動(dòng)分為“內(nèi)擾”和“外擾”，“內(nèi)擾”如車輛載荷、輪胎胎壓等，“外擾”包括道路坡度、地面附著、側(cè)向風(fēng)擾動(dòng)等。好的控制系統(tǒng)在不同擾動(dòng)下應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出較高的自適應(yīng)性[5]。因此，如要實(shí)現(xiàn)對(duì)TJA系統(tǒng)更全面的測(cè)試評(píng)價(jià)，應(yīng)結(jié)合一定里程的公共道路試驗(yàn)，定義明確的考核點(diǎn)，從而在不同類型的真實(shí)交通流中，評(píng)價(jià)TJA系統(tǒng)的性能表現(xiàn)和魯棒性。

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