交叉路口轉(zhuǎn)彎車輛對(duì)橫穿行人的避撞策略＊

葛如海 肖軒 洪亮 崔義忠

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：交叉路口 橫穿行人 避撞策略

1 前言

近年來，世界各國(guó)的交通事故頻率有效降低，尤其是車與車之間的碰撞事故顯著減少，美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（Insurance Institute for Highway Safety，IIHS）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛配備前方碰撞預(yù)警（Forward Collision Warning，F(xiàn)CW）和自動(dòng)緊急制動(dòng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)時(shí)，追尾事故能夠減少50%[1]。另一方面，全球弱勢(shì)道路使用者（行人、兩輪車車和三輪車使用者）死亡人數(shù)占道路交通事故總死亡人數(shù)的54%[2]，行人作為其中最弱勢(shì)的群體，死亡占比達(dá)到23%，因此，針對(duì)行人以及其他道路弱勢(shì)群體保護(hù)的避撞技術(shù)成為下一代汽車主動(dòng)安全技術(shù)的研究熱點(diǎn)[3]。

交叉路口轉(zhuǎn)彎車輛與橫穿行人碰撞是典型的人車碰撞場(chǎng)景。歐洲開展的PROSPECT（Proactive Safety for Pedestrians and Cyclists）項(xiàng)目對(duì)歐洲多國(guó)的交通事故數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)該類型事故在所有人車碰撞事故中的占比接近16%[4]。車瑤櫟等[5]從中國(guó)預(yù)碰撞場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出了450起人車碰撞案例，對(duì)7類人車事故場(chǎng)景中的事故環(huán)境、事故路段、車輛狀況、行人情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)汽車左轉(zhuǎn)與行人碰撞時(shí)車速較低，而右轉(zhuǎn)與行人發(fā)生碰撞時(shí)車速較高，造成的行人簡(jiǎn)明損傷定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（Abbreviated Injury Scale，AIS）評(píng)分偏高。Yasuhiro Matsui提取出2005～2014年日本交通事故綜合分析中心（Institute for Traffic Accident Research and Data Analysis，ITARDA）數(shù)據(jù)庫(kù)中的人車碰撞事故，使用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法計(jì)算汽車低速行駛時(shí)不同碰撞場(chǎng)景中行人死亡的相對(duì)比例，發(fā)現(xiàn)交叉路口車輛右轉(zhuǎn)碰撞場(chǎng)景中行人死亡比例明顯較高[6]。因此，交叉路口低速轉(zhuǎn)彎車輛避撞研究對(duì)減少行人傷亡數(shù)量具有積極意義。

胡延平等[7]研究了交叉路口工況下的車對(duì)車AEB控制，構(gòu)建了該工況下的安全距離模型，但此工況中的自車與目標(biāo)車均為直線行駛，未涉及交叉路口車輛轉(zhuǎn)彎的情況。為了提高交叉路口車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)行人的保護(hù)程度，本文首先建立轉(zhuǎn)彎車輛與橫穿行人的位置關(guān)系模型，然后提出行人運(yùn)動(dòng)參數(shù)獲取方法，建立時(shí)間指標(biāo)對(duì)危險(xiǎn)行人目標(biāo)進(jìn)行判斷，最后提出該場(chǎng)景下的制動(dòng)安全距離模型，綜合時(shí)間和距離指標(biāo)進(jìn)行避撞決策。

2 行人目標(biāo)跟蹤

2.1 轉(zhuǎn)彎車輛-行人位置關(guān)系

假設(shè)車輛在轉(zhuǎn)彎前已經(jīng)完成減速操作，且在轉(zhuǎn)彎過程中保持勻速行駛，采用近距離毫米波雷達(dá)獲取行人運(yùn)動(dòng)信息，雷達(dá)坐標(biāo)原點(diǎn)與車輛質(zhì)心重合。轉(zhuǎn)彎車輛與行人的位置關(guān)系如圖1所示，其中P點(diǎn)為行人位置。

圖1 轉(zhuǎn)彎車輛與行人的位置關(guān)系

圖1中，BM為汽車的轉(zhuǎn)彎行駛軌跡，車輛兩側(cè)虛線圍成區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)彎行駛區(qū)域。轉(zhuǎn)彎軌跡為以O(shè)為圓心、R為半徑的圓弧，結(jié)合車輛基本參數(shù)和速度信號(hào)可得：

式中，K為汽車的穩(wěn)定性系數(shù)；vego為車輛行駛速度；l為車輛軸距；δ為轉(zhuǎn)向角。

目標(biāo)與車輛構(gòu)成的圓周角α為：

式中，a為車輛質(zhì)心到車輛前端的距離；ρr和θ分別為雷達(dá)坐標(biāo)系中目標(biāo)的距離和角度。

目標(biāo)與轉(zhuǎn)彎車輛的橫向距離y與PM的長(zhǎng)度相等，根據(jù)余弦定理，有：

目標(biāo)與轉(zhuǎn)彎車輛的縱向距離x與角α對(duì)應(yīng)的圓弧BM長(zhǎng)度相等：

將目標(biāo)速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得到目標(biāo)相對(duì)于轉(zhuǎn)彎車輛的縱向和橫向速度vx和vy：

式中，vxr、vyr分別為雷達(dá)坐標(biāo)系中目標(biāo)的縱向、橫向速度。

2.2 目標(biāo)軌跡預(yù)測(cè)

汽車檢測(cè)到行人目標(biāo)后，需要對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。本文假設(shè)行人目標(biāo)的橫、縱向速度在預(yù)測(cè)時(shí)間內(nèi)保持恒定[8]，建立預(yù)測(cè)方程：

式中，x(k+p)|k、vx(k+p)|k、y(k+p)|k、vy(k+p)|k分別為預(yù)測(cè)步長(zhǎng)時(shí)間p內(nèi)行人相對(duì)于轉(zhuǎn)彎車輛的縱向距離、縱向速度、橫向距離、橫向速度；t為單步采樣時(shí)間；k為當(dāng)前采樣時(shí)刻。

3 避撞策略設(shè)計(jì)

3.1 危險(xiǎn)行人目標(biāo)判斷

根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息建立目標(biāo)進(jìn)入時(shí)間（Time to Enter，TTE），目標(biāo)離開時(shí)間（Time to Disappear，TTD），避撞剩余時(shí)間（Time to Collision，TTC）3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]，用于判斷探測(cè)到的周圍物體是否存在危險(xiǎn)目標(biāo)。

目標(biāo)進(jìn)入時(shí)間指目標(biāo)保持當(dāng)前移動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入車輛轉(zhuǎn)彎區(qū)域的時(shí)間。當(dāng)目標(biāo)處于車輛轉(zhuǎn)彎區(qū)域內(nèi)時(shí)，進(jìn)入時(shí)間為0；當(dāng)目標(biāo)在車輛轉(zhuǎn)彎區(qū)域之外且保持靜止時(shí)，進(jìn)入時(shí)間為無窮大。目標(biāo)進(jìn)入時(shí)間tTTE的計(jì)算公式為：

式中，wego為車輛的寬度；wobj為目標(biāo)的寬度；dmargin為車輛與目標(biāo)應(yīng)保持的最小安全距離。

目標(biāo)離開時(shí)間是指目標(biāo)保持當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)離開車輛轉(zhuǎn)彎區(qū)域的時(shí)間。根據(jù)定義可知：當(dāng)目標(biāo)與車輛沒有橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，離開時(shí)間為無窮大；當(dāng)目標(biāo)朝向車輛預(yù)測(cè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，離開時(shí)間為正值。目標(biāo)離開時(shí)間tTTD的計(jì)算公式為：

式中，ax為目標(biāo)相對(duì)于轉(zhuǎn)彎車輛的縱向加速度，當(dāng)目標(biāo)為行人時(shí)，取ax=0。

根據(jù)2.2 節(jié)方法獲取周圍目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，綜合車輛狀態(tài)信息，將所需參數(shù)帶入式（7）～式（9）中，計(jì)算各目標(biāo)對(duì)應(yīng)的進(jìn)入時(shí)間、離開時(shí)間、避撞剩余時(shí)間。通過比較3個(gè)參數(shù)得到目標(biāo)危險(xiǎn)信號(hào)（Object Threat，OT），目標(biāo)危險(xiǎn)信號(hào)kOT的取值為：

3.2 主動(dòng)制動(dòng)安全距離模型

采用基于安全距離的方法，對(duì)駕駛員預(yù)警及主動(dòng)制動(dòng)操作進(jìn)行安全評(píng)估。在交叉路口汽車轉(zhuǎn)彎場(chǎng)景中，行人與汽車的相對(duì)運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，因此將其分解為縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)，然后求解制動(dòng)安全距離。

汽車面對(duì)純縱向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的安全距離Sbrx為[10]：

式中，ts為制動(dòng)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間；amax為車輛最大減速度。

自車面對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的制動(dòng)過程如圖2所示，主動(dòng)制動(dòng)的目的是延長(zhǎng)汽車到預(yù)計(jì)碰撞點(diǎn)的時(shí)間，即四邊形OABC與五邊形OADEF面積相等，避讓過程需保證目標(biāo)安全通過汽車預(yù)測(cè)行駛區(qū)域，但車速不一定降為0。

圖2 中，t0為車輛勻速行駛的時(shí)間，tb為車輛以最大減速度amax勻減速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，可得車輛的制動(dòng)距離為：

其中，有：

圖2 自車面對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的制動(dòng)過程

面向橫向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的制動(dòng)安全距離Sbry為：

目前，諸暨市基本上實(shí)現(xiàn)了“調(diào)解進(jìn)機(jī)關(guān)、調(diào)解進(jìn)學(xué)校、調(diào)解進(jìn)廠礦、調(diào)解進(jìn)社區(qū)、調(diào)解進(jìn)鄉(xiāng)村、調(diào)解進(jìn)市場(chǎng)”，“哪里有矛盾，哪里就有調(diào)解組織；哪里發(fā)生糾紛，哪里就有調(diào)解工作”以及 “專業(yè)矛盾專家調(diào)”。2017年，全市人民調(diào)解組織共受理矛盾糾紛16 823件，調(diào)處成功率達(dá)到97.7%。

式中，Δt=tTTD-tTTC。

式（14）中，當(dāng)且僅當(dāng)式（15）成立時(shí)，Sbry有意義：

通過式（11）和式（15）可得根據(jù)行人縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)計(jì)算的安全距離Sbrx和Sbry。當(dāng)面對(duì)橫穿運(yùn)動(dòng)的行人目標(biāo)時(shí)，主動(dòng)制動(dòng)安全距離Sbr取其中的較小值：

駕駛員預(yù)警的目的是提供危險(xiǎn)警告使駕駛員采取操作，因此駕駛員預(yù)警距離Sw應(yīng)大于主動(dòng)制動(dòng)距離：

式中，tr為駕駛員反應(yīng)時(shí)間。

建立與預(yù)警及制動(dòng)安全評(píng)估有關(guān)的信號(hào)，碰撞預(yù)警信號(hào)（Collision Warning，CW）kCW和主動(dòng)制動(dòng)信號(hào)（Brake Threat，BT）kBT：

3.3 避撞決策邏輯

建立避撞決策邏輯如圖3 所示。為兼顧安全性與駕駛舒適性，系統(tǒng)優(yōu)先對(duì)駕駛員進(jìn)行干預(yù)，首先通過聲、光、振動(dòng)等方式對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)駕駛員未采取操作時(shí)且主動(dòng)制動(dòng)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，采取主動(dòng)制動(dòng)操作。

4 避撞策略仿真驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)[11]的事故研究結(jié)果，提取4個(gè)典型場(chǎng)景，基于PreScan軟件完成轉(zhuǎn)彎車輛與行人碰撞仿真場(chǎng)景建模，如圖4所示，4種典型場(chǎng)景的具體仿真參數(shù)如表1所示。

選取Audi A8車型作為仿真車輛，采用獨(dú)立傳感器（Technology Independent Sensor，TIS）獲取行人信息，仿真及避撞策略中的參數(shù)如表2所示。

圖3 避撞決策邏輯

圖4 轉(zhuǎn)彎車輛與行人碰撞仿真場(chǎng)景

表1 4種典型場(chǎng)景仿真具體參數(shù)

表2 仿真及避撞策略中的參數(shù)

在MATLAB 中建立第2 節(jié)中的避撞策略，分別對(duì)4種典型場(chǎng)景進(jìn)行仿真。

避撞策略在場(chǎng)景1 中的仿真結(jié)果如圖5 所示，在t=6 s 時(shí)車輛檢測(cè)到行人，在t=9.52 s 時(shí)，滿足目標(biāo)危險(xiǎn)信號(hào)觸發(fā)條件，kOT置1，t=10.51 s 時(shí)，滿足主動(dòng)制動(dòng)觸發(fā)條件，車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)速度出現(xiàn)小幅降低，制動(dòng)信號(hào)觸發(fā)后，汽車在0.5 s 內(nèi)制動(dòng)停車，避免了與行人碰撞。t=10.52 s 之后參數(shù)存在突變現(xiàn)象，原因是軟件中TIS 與目標(biāo)距離較近時(shí)未檢測(cè)到有效信號(hào)。

圖5 避撞策略在場(chǎng)景1中的仿真結(jié)果

場(chǎng)景2、3、4 的x和Sbr信號(hào)變化情況如圖6～圖8 所示。與直行路段相比，汽車進(jìn)入轉(zhuǎn)彎路段時(shí)與行人的相對(duì)距離發(fā)生了較大變化，采用轉(zhuǎn)彎車輛-行人位置關(guān)系模型計(jì)算相對(duì)距離更加符合實(shí)際情況。

按照制定的避撞決策邏輯，行人已安全通過汽車行駛區(qū)域時(shí)，主動(dòng)制動(dòng)解除，場(chǎng)景1和場(chǎng)景4中主動(dòng)制動(dòng)解除時(shí)車速降為0，場(chǎng)景2 和場(chǎng)景3 中停止制動(dòng)時(shí)車速分別降為12 km/h 和5 km/h，且都避免了碰撞。仿真結(jié)果表明，本文策略在4種典型場(chǎng)景中均能達(dá)到避撞效果。

圖6 場(chǎng)景2中x與Sbr信號(hào)

圖7 場(chǎng)景3中x與Sbr信號(hào)

圖8 場(chǎng)景4中x與Sbr信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種交叉口轉(zhuǎn)彎汽車與橫穿行人的避撞策略，通過建立轉(zhuǎn)彎車輛與行人位置關(guān)系模型，研究了汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)行人運(yùn)動(dòng)信息的獲取方法，提出了基于時(shí)間的危險(xiǎn)行人目標(biāo)判斷方法，建立了目標(biāo)進(jìn)入時(shí)間、目標(biāo)離開時(shí)間、避撞剩余時(shí)間3個(gè)參考指標(biāo)。將行人相對(duì)于車輛的運(yùn)動(dòng)分解為縱向運(yùn)動(dòng)與橫向運(yùn)動(dòng)，求得此場(chǎng)景下的制動(dòng)安全距離，確定了汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的避撞策略。利用PreScan軟件對(duì)4種典型交叉路口轉(zhuǎn)彎車輛與橫穿行人沖突場(chǎng)景進(jìn)行建模，并聯(lián)合MATLAB 對(duì)避撞策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，本文提出的避撞策略能夠有效應(yīng)對(duì)此種人車沖突場(chǎng)景。