基于全工況模型的自動緊急制動系統(tǒng)及其控制策略研究

王 全 ，楊杰君，周艷輝 ，歐陽智，文健峰，盧 雄

（1.長沙中車智馭新能源科技有限公司，湖南 長沙 410083；2.中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車在我們出行生活中發(fā)揮重要作用，其保有量也逐年攀升。交通事故頻發(fā)給整個社會、人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅。美國國家交通安全管理局明確指出，駕駛員操作失誤引起的事故占所有交通事故中的90%，其中司機(jī)采取了制動措施但由于制動力不足而造成的事故約占49%，追尾碰撞中因駕駛員沒有采取制動而造成的事故約占31%，制動過晚導(dǎo)致事故的情況約占20%，因此對交通安全的治理刻不容緩[1-2]。基于攝像頭、雷達(dá)等先進(jìn)傳感器技術(shù)的自動緊急制動系統(tǒng)（advanced emergency braking system，AEBS）大大提高了汽車的主動安全性[3]。歐洲新車安全評鑒協(xié)會(Euro-NCAP)研究表明，在緊急工況下，搭載AEBS的車輛可以避免27%的碰撞事故[4]。因此，對于AEBS的相關(guān)研究得到廣泛關(guān)注。

當(dāng)前，AEBS的制動控制策略主要利用安全距離模型、安全時間模型及基于專家數(shù)據(jù)庫的模糊控制模型對制動力進(jìn)行控制[4]。典型的安全距離模型有Mazda 模型[5]、Honda 模型[6]和 Berkeley 模型[7]，其主要用于分析在當(dāng)前車輛狀態(tài)下能及時避開障礙物所需保持的最小距離，但不能分析不同障礙物狀態(tài)對最小制動距離的影響。安全時間模型用于實時計算當(dāng)前車輛狀態(tài)和與前車碰撞時間的關(guān)系，當(dāng)實際碰撞時間小于預(yù)警/制動碰撞時間時，車輛進(jìn)行預(yù)警或產(chǎn)生制動力；但設(shè)定固定碰撞時間的方式，無法明確界定制動減速度和安全時間閾值，容易引發(fā)頻繁預(yù)警/制動動作，影響駕駛員的正常駕駛與舒適性[8]。文獻(xiàn)[9]基于專家數(shù)據(jù)庫的控制模型統(tǒng)計了一種不同駕駛員在不同緊急情況下的緊急制動方式，建立了基于經(jīng)驗的預(yù)警與制動力控制模型，但基于樣本的方式無法真實地反映所有駕駛員的操作特性，因而無法滿足駕駛員在不同車輛狀態(tài)下的制動緊急程度要求。為此，本文提出了一種基于全工況的自動緊急制動系統(tǒng)控制模型，其使系統(tǒng)在滿足碰撞評價規(guī)程的同時降低了預(yù)警/制動頻率，并能有效避撞，提高了汽車的主動安全性能。

1 AEBS結(jié)構(gòu)

本文所提AEBS主要包括感知層、決策層、執(zhí)行層與交互層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動緊急制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the AEBS

感知層采用攝像頭與雷達(dá)融合方案實現(xiàn)場景分析和車路信息探測，并將路況信息通過CAN總線發(fā)送給決策層。

決策層采用決策控制器作為自動緊急制動系統(tǒng)的決策裝置，負(fù)責(zé)向感知層發(fā)送車身信號；同時，決策層通過分析前方存在的碰撞風(fēng)險向執(zhí)行層發(fā)送決策信息。

執(zhí)行層由電機(jī)控制器和緊急制動系統(tǒng)構(gòu)成，用于接收和響應(yīng)決策控制器的驅(qū)動和制動信息，以實現(xiàn)車輛的電制動與氣制動。

交互層由儀表和云平臺構(gòu)成。云平臺實時存儲系統(tǒng)的過程信息，實時顯示系統(tǒng)的運行、停止或故障信息，與駕駛員進(jìn)行信息互動，提供聽覺、視覺兩種方式的預(yù)警信息和制動信息。

AEBS從檢測到危險障礙物到激活制動系統(tǒng)的作用過程如圖2所示。

圖2 自動緊急制動系統(tǒng)作用過程Fig. 2 Working process of the AEBS

2 AEBS制動控制策略

為了確保本車在AEBS制動過程中不與前車產(chǎn)生碰撞，系統(tǒng)所允許的最小制動開啟距離應(yīng)大于在制動條件下本車行駛的距離和前車行駛的制動距離之和。

本車允許的最小制動開啟距離（圖3）為

圖3 安全距離模型Fig. 3 Safety distance model

式中：Db——本車允許的最小制動開啟距離；X1——制動時本車行駛的距離；X2——制動時前車行駛的距離；D0——剎停時本車與前車的距離。

2.1 制動距離與安全時間估算模型

為考慮所有工況下發(fā)生追尾碰撞的可能，需要研究前車運動狀態(tài)，得到在不同工況下的安全距離模型。本文將前車的運動狀態(tài)分為勻速行駛、加速和減速3種。

2.1.1 前車靜止

前車靜止時，本車所允許的最小制動開啟距離為初速度減速到停止時的行駛距離，即X2=0，則本車允許的最小制動開啟距離Db如下：

式中：ts——制動加速度增長時間；v1——本車速度；a1——本車減速度。

2.1.2 前車勻速或加速

在前車勻速或加速工況下，Db必須是本車車速小于或等于前車速度時的距離方可有效避免發(fā)生碰撞，具體如下：

式中：vrel——前車車速。

2.1.3 前車減速

前車減速工況下，Db必須是本車車速小于或等于前車速度時的距離，具體如下：

式中：v2——前車車速；a2——前車加速度。

AEBS模型中，ts實質(zhì)是電子制動系統(tǒng)制動力從0增加到設(shè)定值的時間，通常取ts= 0.6 s；根據(jù)當(dāng)前傳感器的特性并考慮到路面附著情況、天氣等影響制動距離的因素，D0一般取2～3 m；a1根據(jù)車輛的動力學(xué)參數(shù)一般被設(shè)置在-4 ～ -8 m/s2之間，本文選a1= -6 m/s2。綜上，可以得到最小允許的碰撞時間：

式中：vrel——本車與前車的相對速度。

2.2 預(yù)警與制動控制策略

在AEBS整體響應(yīng)時間一定的前提下，預(yù)警與制動控制策略的安全性和舒適性存在矛盾。若預(yù)警與制動控制得過早，則容易影響駕駛員的操作體驗和乘坐的舒適性；控制過晚，又無法有效避免碰撞事故的發(fā)生。同時，國家法規(guī)對預(yù)警和制動的時間點進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019《營運車輛自動緊急制動系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)范》要求，在檢測到碰撞發(fā)生時，系統(tǒng)應(yīng)能給出至少兩種等級的預(yù)警，其中緊急制動前1.4 s產(chǎn)生一級預(yù)警，緊急制動前0.8 s前產(chǎn)生二級預(yù)警。

在考慮舒適性與安全性的前提下，當(dāng)前車輛與前方障礙物的碰撞時間為

式中：D——本車與前車的距離。當(dāng)碰撞時間小于等于“最小允許的碰撞時間+1.4 s”，進(jìn)行一級預(yù)警；當(dāng)碰撞時間小于等于“最小允許的碰撞時間+0.8 s”，進(jìn)行二級預(yù)警；當(dāng)碰撞時間小于等于最小允許的碰撞時間，進(jìn)行緊急制動。

緊急制動減速度是根據(jù)兩車的相對速度和距離計算出的一個理論值，具體如下：

為提高制動的及時性和乘坐的舒適性，本文設(shè)計一個基于PI的制動力調(diào)節(jié)器，見式(8)，其可對減速度進(jìn)行平滑控制以確保制動時乘坐的舒適性。圖4示出典型的PI調(diào)節(jié)器原理。

式中：a——PI調(diào)節(jié)后的減速度；Kp——比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)；Ki——積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)；Tsam——采樣時間。

圖4 典型的PI調(diào)節(jié)器框圖Fig. 4 Black diagram of a typical PI controller

3 仿真與試驗

為驗證所提出的AEBS兩級預(yù)警和緊急制動策略的可行性和有效性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019要求，本文設(shè)定了法規(guī)中所描述的3個工況進(jìn)行仿真測試和實車測試。測試內(nèi)容包含勻速運行的本車對前方靜止障礙物的碰撞測試、勻速運行的本車對勻速運行的前方障礙物的碰撞測試。

3.1 仿真驗證

圖5示出以80 km/h勻速運行的本車對前方以12 km/h勻速運動的障礙物的仿真碰撞試驗數(shù)據(jù)。

圖5 本車（80 km/h）對前車（12 km/h）的碰撞測試Fig. 5 Collision test of the vehicle at 80 km/h against the front vehicle at 12 km/h

仿真時，主要關(guān)注仿真試驗開始和結(jié)束時本車車速、前車車速、制動期間的減速度、兩車距離以及報警時間等信息?？梢钥闯?，本車提前1.4 s進(jìn)入一級預(yù)警，提前0.8 s進(jìn)入二級預(yù)警；制動減速度在6～8 m/s2之間且制動維持了3 s左右；當(dāng)系統(tǒng)檢測到不可能發(fā)生碰撞即本車速度小于等于前車速度時，自動解除制動，避免了碰撞的發(fā)生。對各工況進(jìn)行仿真的結(jié)果如表1所示。

表1 各工況的碰撞測試結(jié)果Tab. 1 Collision test results under various working conditions

3.2 JT/T1242測試工況驗證

標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242要求對車輛進(jìn)行3組場景測試（圖6）。測試場景主要包含40 km/h勻速運行的本車對靜止的前車、80 km/h勻速運行的本車對靜止的前車、80 km/h勻速運行的本車對12 km/h勻速運行的前車這3種碰撞測試場景。

圖6 實車測試場景Fig. 6 Vehicle test real scenario

3.2.1 40 km/h勻速運行的本車對靜止的前車

設(shè)定兩車相距200 m，本車以40 km/h勻速接近前方靜止前車，其過程曲線如圖7所示?？梢钥闯?，本車提前2.1 s進(jìn)入一級預(yù)警，提前1.3 s進(jìn)入二級預(yù)警；制動減速度在2～8 m/s2之間且制動維持了2.2.s左右；當(dāng)車輛速度降為0 時，解除制動并與前車保持1.87 m的距離，避免了碰撞的發(fā)生。

圖7 本車40 km/h對前車靜止的碰撞測試Fig. 7 Collision test of the vehicle at 40 km/h against the front stationary vehicle

3.2.2 80 km/h運行的本車對靜止的前車

設(shè)定兩車相距200 m，本車以80 km/h勻速接近靜止前車，其過程曲線如圖8所示?？梢钥闯觯拒囂崆?.3 s進(jìn)入一級預(yù)警，提前1.2 s進(jìn)入二級預(yù)警；制動減速度在4～8 m/s2之間且制動維持了3.4 s左右；當(dāng)車速降為0時，解除制動并與前車保持1.31 m的距離，避免了碰撞發(fā)生。

圖8 本車80 km/h對前車靜止的碰撞測試Fig. 8 Collision test of the vehicle 80 km/h against the front stationary vehicle

3.2.3 80 km/h勻速運行的本車對12 km/h勻速運行的前車

設(shè)定兩車相距200 m，本車初始速度80 km/h，前方車輛勻速12 km/h，本車以80 km/h 勻速接近以12 km/h 低速行駛的前車，過程曲線見圖9。駕駛員不操作制動踏板，本車提前1.6 s進(jìn)入一級預(yù)警，提前0.9 s二級預(yù)警；制動減速度在4～8 m/s2之間且制動維持了2.3 s左右；當(dāng)系統(tǒng)檢測到不可能發(fā)生碰撞即本車速度小于等于前車速度時，自動解除制動且與前車保持0.8 m的距離，避免了碰撞的發(fā)生。

圖9 本車80 km/h對前車12 km/h的碰撞測試Fig. 9 Collision test of the vehicle 80 km/h against the front vehicle 12 km/h

仿真和實車試驗結(jié)果驗證了采用本文所提自動緊急制動模型的有效性，其可產(chǎn)生預(yù)警和制動：預(yù)警時間滿足標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019的要求；制動減速度在4～8 m/s2之間；車速降低到安全車速后，本車與前車保持了0.6～1.9 m的安全距離，有效避免了碰撞的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文提出一種基于全工況模型的AEBS控制策略，其根據(jù)前車運動狀態(tài)分別對安全距離、安全時間進(jìn)行動態(tài)解耦，有效降低預(yù)警/報警頻率；并根據(jù)碰撞可能發(fā)生的嚴(yán)重程度實時調(diào)節(jié)制動力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019的要求進(jìn)行了仿真測試和實車試驗，結(jié)果表明，采用該控制策略可以很好地輔助駕駛員行車操作，車輛在碰撞發(fā)生前發(fā)出預(yù)警信息并采取緊急制動措施，有效預(yù)防了碰撞事故的發(fā)生。

由于本文所提控制策略是基于標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019，道路工況較為單一，而實際道路工況復(fù)雜多變，如多前車運動狀態(tài)下的運行工況，此時車輛制動水平容易受到道路情況的影響，后續(xù)將對此開展更深入的研究。