可變制動策略緊急制動控制系統(tǒng)的建模與仿真研究

熊 焱 劉 斌

(1.上海內燃機研究所有限責任公司，上海 200438；2.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

美國高速公路安全管理局(NHTSA)根據(jù)相關調查表明[1]，90%以上的交通事故都是由于駕駛員主觀原因導致的，其中追尾碰撞占比高達30%以上。歐洲新車安全評鑒協(xié)會(Euro-NCAP)和澳大利亞新車安全評鑒協(xié)會(A-NCAP)研究指出[2]，無論在城市道路還是城郊道路下，自動緊急制動系統(tǒng)(AEB)能有效地降低38%的追尾碰撞事故。然而，在研究不同制動策略的AEB系統(tǒng)對車輛性能表現(xiàn)影響時，固定的單級或雙級制動策略往往無法滿足快速便利的研究需求[3-4]。

為了解決上述問題，本文從AEB控制系統(tǒng)輸出控制模塊入手，創(chuàng)新性地提出對AEB控制系統(tǒng)中的部分制動請求進行計數(shù)，并在全制動請求發(fā)出條件設置部分請求制動數(shù)閾值，以此通過相關參數(shù)實現(xiàn)對AEB系統(tǒng)部分制動請求和全制動請求進行控制。通過CarSim與Simulink軟件進行仿真試驗，驗證了設計模型的合理性和該方法的可行性。該方法為AEB控制系統(tǒng)制動策略研究提供了便利，在一定程度上也為AEB控制系統(tǒng)開發(fā)和研究提供了新的思路。

1 AEB控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

1.1 AEB制動策略可變控制設計

車輛在行駛過程中，當AEB系統(tǒng)監(jiān)測到車輛前方有潛在危險時，通過發(fā)送ABE預填充(ABP)請求信號，請求車身電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESC)增加較小的主缸壓力，從而消除制動間隙。與此同時，根據(jù)不同工況下的危險程度發(fā)送自適應制動輔助(ABA)請求信號和ABA激活等級信號。AEB系統(tǒng)按危險等級發(fā)出部分制動請求信號、全制動請求信號，以及相應的AEB目標減速度請求信號。

為了實現(xiàn)制動策略可變的設計要求，通過圖1所示模塊對AEB部分制動請求信號進行計數(shù)。在AEB部分制動請求信號發(fā)出后，利用基礎采樣時間延遲的方法，對AEB部分制動請求信號進行計數(shù)。以此得到當前AEB控制系統(tǒng)向執(zhí)行器發(fā)出時序上最近的部分制動請求信號前的AEB部分請求計數(shù)值。

圖1 部分制動請求信號計數(shù)模塊

如圖2所示，通過模塊用于全制動請求信號發(fā)出的最后判斷條件，AEB全制動請求初始信號滿足除其他發(fā)出全制動請求信號條件的所有指示信號。當AEB全制動請求初始信號為真且部分制動信號計數(shù)大于AEB部分制動計數(shù)閾值時，AEB控制系統(tǒng)才會發(fā)出全制動請求信號，若二者之中有信號為假時，則全制動請求信號也為假。其中，AEB部分制動計數(shù)閾值用于控制全制動請求前的部分制動請求信號的循環(huán)數(shù)，是在一定范圍內實現(xiàn)制動策略可變的重要參數(shù)。

圖2 全制動請求信號局部控制模塊

本文基于安全時間模型設計了AEB控制系統(tǒng)，并對AEB控制系統(tǒng)目標在徑判斷、碰撞時間閾值、制動等級確定和系統(tǒng)輸出控制等模塊進行了Simulink建模設計。圖3為設計的AEB控制系統(tǒng)整體模型。

圖3 AEB控制系統(tǒng)整體模型

1.2 聯(lián)合仿真模型

為了驗證控制模型和實現(xiàn)制動策略可變方法的合理性，需要建立整車動力學模型。本文通過上汽某款車型為參考，相關車型參數(shù)如表1所示，在CarSim中建立整車模型，定義CarSim和Simulink仿真接口及試驗工況。

當AEB激活工作前，需要通過節(jié)氣門控制動力學模型車速。AEB控制系統(tǒng)在激活后工作時，會以開環(huán)方式控制車速，并按AEB請求的目標減速度盡可能減小車速。在AEB激活工作過程中，節(jié)氣門開度降至怠速狀態(tài)。對于復雜的逆動力系統(tǒng)模型，可以簡化為AEB激活工作前和激活工作后2個狀態(tài)。在AEB激活前的極短時間內，可認為車輛是勻速行駛；在AEB工作后，由AEB控制系統(tǒng)控制車輛運動。如圖4所示，為了簡化逆發(fā)動機模型，利用建立好的整車模型和道路模型，在CarSim軟件利用閉環(huán)控制恒定車速的方法，得出在不同車速下穩(wěn)定車速狀態(tài)的節(jié)氣門開度曲線。

表1 某車型動力學模型基本參數(shù)

圖4 不同車速下的節(jié)氣門開度曲線

利用一維查表方法，在Simulink軟件中設計了簡易的逆發(fā)動機模型，如圖5所示。

圖5 簡易逆發(fā)動機模型

為了模擬實際車輛通過AEB控制的制動過程，本文設計了逆制動系統(tǒng)模型。設計主要思路是根據(jù)AEB控制系統(tǒng)發(fā)出的減速度請求信號，結合車輛在制動過程中的動力學分析，建立起可作為CarSim軟件輸入信號的制動主缸壓力計算模型。

為了計算整車模型制動力和制動壓力參數(shù)Kb，在CarSim軟件中設置車輛初速度為30 km/h，并在制動主缸輸入2 MPa的制動壓力，得到前輪制動力矩為600 N·m，后輪制動力矩為300 N·m，車輪滾動半徑為0.347 m。根據(jù)相關公式可得，Kb值為1 296.83。如圖6所示，在Simulink軟件中建立逆制動系統(tǒng)模型。圖7為Simulink和CarSim軟件聯(lián)合仿真模型。

圖6 逆制動系統(tǒng)控制模型

圖7 Simulink和CarSim軟件聯(lián)合仿真模型

2 仿真結果分析

2.1 基本思路

根據(jù)建立的Simulink和CarSim軟件聯(lián)合仿真模型，在CarSim軟件中設置Euro-NCAP中前車靜止場景(CCRs)試驗工況[5]，主車距離目標車輛40 m，并以30 km/h的初速度接近目標車輛。通過改變AEB部分制動計數(shù)閾值，觀察AEB控制系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

2.2 結果分析

當設置AEB部分制動計數(shù)閾值等于1時，即AEB系統(tǒng)監(jiān)測需要采取制動時便請求最大減速度，仿真結果如圖8所示。結果顯示，隨著車間距離的減小，在即碰時間(TTC)滿足制動時間閾值后，在3.45 s時，AEB控制系統(tǒng)發(fā)出的全制動請求信號值由0變?yōu)?，并請求0.8 G的減速度。部分制動請求信號值為0，未發(fā)生改變。車輛加速度在短時間內增加至0.8 G，當車速降為0時，后車距離前車1.88 m，未發(fā)生碰撞。整個制動過程較為連續(xù)，縱向減速振蕩較小。由于采取單級最大減速度，主車制動至停車時，車間距離較大，整個制動過程比較符合保守型駕駛員風格，且舒適性較好。

圖8 AEB部分制動計數(shù)閾值等于1時的仿真結果

當設置AEB部分制動計數(shù)閾值等于8時，即采取一定程度的雙級制動策略，仿真結果如圖9所示。結果表明，在3.45 s時，AEB控制系統(tǒng)發(fā)出部分制動請求，AEB部分制動請求信號值由0變?yōu)?，系統(tǒng)請求0.4 G減速度，車輛速度開始降低。當AEB部分制動請求計數(shù)值滿足大于8時，即在3.8 s時，全制動請求信號值由0變?yōu)?，相應的AEB目標減速度信號值由部分制動時的0.4 G變?yōu)槿苿訒r的0.8 G，符合設計策略。從車輛運動狀態(tài)可以看出，前期車輛車速的降低較慢，后期車速降低較快。當后車制動至停車時，距離目標車輛0.46 m，未發(fā)生碰撞。雙級制動策略適合激進型駕駛風格的駕駛員，適合配置在運動型車型上。由于前期制動強度較小，后期制動強度相對較大，整個制動過程不連續(xù)，制動過程舒適性較差。

圖9 AEB部分制動計數(shù)閾值等于8時的仿真結果

3 結論

本文充分利用模型定步長特性，對AEB控制系統(tǒng)中的部分制動請求信號進行計數(shù)，并將計數(shù)值作為全制動請求發(fā)出的判斷條件，在AEB控制模型中建立了制動策略可變模塊，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了在同一AEB控制模型中研究不同制動策略對AEB系統(tǒng)性能的影響。

在CarSim軟件中建立了整車動力學模型和仿真工況的基本要素，在Simulink軟件中建立了簡易逆發(fā)動機模型和逆制動系統(tǒng)模型，利用CarSim和Simulink軟件對設計的模型進行聯(lián)合仿真。通過改變AEB部分制動計數(shù)閾值，研究了單級和雙級制動策略特性的建模仿真方法。結果表明，設計的制動策略可變模塊能夠較好實現(xiàn)對不同制動策略的AEB控制系統(tǒng)的研究，從而驗證了設計方法的合理性和有效性。