汽車緊急制動(dòng)安全與舒適性控制仿真研究

易來(lái)華

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

1 AEB系統(tǒng)工作過(guò)程分析

1.1 AEB系統(tǒng)整體方案概述

AEB系統(tǒng)是利用光學(xué)攝像頭或者毫米波雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)路況監(jiān)測(cè)的，尤其是對(duì)車前方車輛的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛自身與其前方某輛車有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)提醒駕駛員進(jìn)行制動(dòng)，若是駕駛員沒(méi)有進(jìn)行制動(dòng)或者制動(dòng)壓力不夠，AEB系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)需要或者設(shè)定幫助駕駛員提升制動(dòng)壓力，從而避免交通事故的發(fā)生[1][2]。由此可以發(fā)現(xiàn)，AEB系統(tǒng)的發(fā)展是無(wú)人駕駛技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)，而因此AEB系統(tǒng)必須具有信息收集、數(shù)據(jù)分析以及決策等智能化分析能力，所以，在進(jìn)行AEB系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，至少需要包含三個(gè)部分，即環(huán)境感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、決策及執(zhí)行系統(tǒng)，大體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 汽車AEB系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架示意圖

1.2 自動(dòng)緊急制動(dòng)過(guò)程分析

AEB系統(tǒng)的工作工程可以用圖2來(lái)進(jìn)行分析。如圖所示，F(xiàn)b是汽車主缸制動(dòng)壓力，ab是汽車制動(dòng)減速時(shí)候的加速度，當(dāng)t=0時(shí)，AEB系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)本車與前車有相撞的危險(xiǎn)，于是做出預(yù)警，提醒駕駛員進(jìn)行緊急制動(dòng)，駕駛員經(jīng)過(guò)t1’反應(yīng)時(shí)間，在t=a時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行制動(dòng)動(dòng)作，在t=b時(shí)刻剎車板受到駕駛員腳的驅(qū)動(dòng)開(kāi)始下落，在t=c時(shí)刻汽車受到制動(dòng)壓力的影響開(kāi)始減速，其中t1’表示駕駛員開(kāi)始抬腳到腳落在剎車板上面的時(shí)間，t2’為剎車板開(kāi)始下落到制動(dòng)壓力剛出現(xiàn)的時(shí)間，t2’’為制動(dòng)壓力開(kāi)始出現(xiàn)到制動(dòng)壓力增加至最大值的時(shí)間[3]；在t=e時(shí)刻汽車的制動(dòng)壓力達(dá)到最大值，之后汽車一直處于制動(dòng)減速狀態(tài)，直到 t=f時(shí)刻時(shí)徹底停下來(lái)，之后駕駛員或者AEB系統(tǒng)松開(kāi)制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)壓力經(jīng)過(guò)t4的時(shí)間徹底消除，至此AEB系統(tǒng)的整個(gè)制動(dòng)緊急制動(dòng)過(guò)程完全完成。雖然不同的駕駛?cè)藛T具有不同的反應(yīng)速度，但是駕駛?cè)藛T的整體反應(yīng)速度之間差異性并不是非常巨大，即t1的時(shí)間很難進(jìn)行控制或者縮短，因此，AEB系統(tǒng)的工作重點(diǎn)就在于對(duì)后續(xù)制動(dòng)壓力出現(xiàn)時(shí)間及增長(zhǎng)時(shí)間總時(shí)間t2以及汽車持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t3進(jìn)行控制。

圖2 AEB系統(tǒng)制動(dòng)工作過(guò)程分析

1.3 檢測(cè)目標(biāo)的選擇

一般而言，AEB系統(tǒng)都會(huì)選擇毫米波雷達(dá)來(lái)收集車輛周邊的環(huán)境信息，因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)具有識(shí)別目標(biāo)多、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及分辨率高等特點(diǎn)，但是同時(shí)毫米波雷達(dá)因?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致其接受的信息中有較多的無(wú)效信息，因此，AEB系統(tǒng)要從眾多數(shù)據(jù)中識(shí)別出有效目標(biāo)，確保AEB系統(tǒng)的精確性，避免AEB系統(tǒng)出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。當(dāng)使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行環(huán)境感知時(shí)，如果反饋值為默認(rèn)值，這表明當(dāng)前范圍內(nèi)沒(méi)有目標(biāo)；當(dāng)毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的目標(biāo)信息沒(méi)有連續(xù)出現(xiàn)10次，或者其滿足公式（1）和（2）時(shí)，這表明該目標(biāo)是無(wú)效目標(biāo)，可以去除；當(dāng)毫米波雷達(dá)檢測(cè)到的信息為靜止目標(biāo)時(shí)，即滿足公式（3）時(shí)，該目標(biāo)也可以剔除，當(dāng)然若是雷達(dá)檢測(cè)到的目標(biāo)不是行人或者車輛時(shí)，也可以將該目標(biāo)剔除。

注：式中vh是自車車速，n為毫米波雷達(dá)采樣數(shù)據(jù)序號(hào)且為正整數(shù)，v為兩車相對(duì)速度。

2 制動(dòng)緊急制動(dòng)仿真模擬研究

2.1 仿真模型建立

本研究使用Trucksim軟件進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)分析，并且聯(lián)合Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)所設(shè)算法進(jìn)行驗(yàn)證。在Trucksim-Simulink聯(lián)合仿真模擬中，自車車速由 Trucksim提供，自車與前車之間的距離及速度由雷達(dá)檢測(cè)模塊進(jìn)行信息采集，然后通過(guò) Trucksim-Simulink聯(lián)合中的數(shù)據(jù)計(jì)算模塊計(jì)算最小安全距，并且將其與實(shí)際距離進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果，結(jié)合預(yù)警判斷方式，對(duì)車輛做出相對(duì)的預(yù)警決策。Trucksim輸入自車行駛車速等相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過(guò)Simulink計(jì)算后輸出為制動(dòng)壓力，從而實(shí)現(xiàn)汽車緊急制動(dòng)模擬仿真。

2.2 前車靜止時(shí)仿真結(jié)果

假設(shè)前車靜止，自車行駛速度為 50km·h-1，當(dāng)兩者之間的初始間距為50m時(shí)，得到仿真結(jié)果如圖3a所示，此時(shí)當(dāng)兩者之間的間距小于40m時(shí)，汽車會(huì)啟動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)，并且在7.5s內(nèi)完成制動(dòng)，最終自車與前車之間的距離為20m；當(dāng)兩者之間的初始距離為20m時(shí)，仿真結(jié)果如圖3b所示，當(dāng)仿真開(kāi)始時(shí)自車的緊急制動(dòng)系統(tǒng)就已經(jīng)啟動(dòng)，并且在3.3s內(nèi)就完成制動(dòng)動(dòng)作，兩車之間的間距為6m。

圖3 前車靜止時(shí)仿真結(jié)果

2.3 前車加速時(shí)仿真結(jié)果

圖4 前車靜止時(shí)仿真結(jié)果

假設(shè)前車的行駛速度為 30km·h-1，自車與前車之間的初始間距為50m，當(dāng)自車的初始車速為50km·h-1時(shí)，仿真結(jié)果如圖4a所示，在前3.8s的時(shí)間內(nèi)，自車處于安全行駛狀態(tài)，此時(shí)車輛無(wú)制動(dòng)信息產(chǎn)生，當(dāng)?shù)?.8s時(shí)，即兩車之間的間距接近30m時(shí)，自車開(kāi)始啟動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)，然后通過(guò)約7.2s的制動(dòng)過(guò)程，自車與前車之間保持約16米的間距，并且自車車速與前車車速相近，維持平穩(wěn)狀態(tài)繼續(xù)行駛；當(dāng)自車的初始車速為 80km·h-1時(shí)，仿真結(jié)果如圖4b所示，仿真結(jié)果開(kāi)始時(shí)自車就進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)，在經(jīng)過(guò)約11s的制動(dòng)之后，兩車之間保持相近的行駛速度，且維持約17米的汽車間距，繼續(xù)行駛。

2.4 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)三種狀態(tài)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，AEB系統(tǒng)可以有效幫助自車發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況并且通過(guò)緊急制動(dòng)避免自車與前車發(fā)生碰撞而導(dǎo)致交通事故的產(chǎn)生，表明使用最小安全距離進(jìn)行AEB系統(tǒng)的判斷依據(jù)是可靠的，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)后的最終結(jié)果和自車與前車兩者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都有關(guān)系，最終的運(yùn)行狀態(tài)分別為自車停止或者自車與前車保持相同的行駛速度以及不變的兩車間距，從而也證明仿真模擬開(kāi)始前的情景假設(shè)是合理的。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車緊急制動(dòng)時(shí)的安全性與舒適性是兩個(gè)重要評(píng)估指標(biāo)，兩者往往難以同時(shí)兼顧。本文利用聯(lián)合仿真方式，對(duì)汽車AEB系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬研究。在本研究的模糊控制中，控制輸入為距離和相對(duì)速度，控制輸出為汽車制動(dòng)壓力。最終的仿真模擬結(jié)果表明，基于上述模糊控制條件，汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)能在保證安全性的前提下兼顧駕駛舒適性，完美平衡了緊急制動(dòng)系統(tǒng)安全性與舒適性兩個(gè)指標(biāo)，具有深入研究的意義與價(jià)值。