半掛汽車列車AEBS 控制策略研究

郭祥靖，劉 勇，劉 壯，劉雙平

（東風(fēng)商用車技術(shù)中心，湖北 武漢 430000）

自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（Advanced Emergency Braking System，AEBS）是一種高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System，ADAS）。該系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)、攝像頭等傳感器探測(cè)前方目標(biāo)，當(dāng)判定自車與前車或行人有碰撞危險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)儀表等圖像、聲音方式對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警，若駕駛員不采取主動(dòng)避撞措施，且達(dá)到AEBS系統(tǒng)所判斷的碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)，以避免或減輕碰撞的發(fā)生。

文獻(xiàn)［1］建立了以駕駛意圖、天氣、路面、自車車速、反應(yīng)時(shí)間、車輛制動(dòng)最大減速度及車輛期望加速度為模糊集的模糊推理算法，并通過(guò)引入碰撞時(shí)間，提出了帶有輔助制動(dòng)的主動(dòng)避撞控制算法，結(jié)果表明，該算法提高了預(yù)警的可靠性、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［2］引入適應(yīng)系數(shù)對(duì)安全距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)建立本車車速、前車車速、前車縱向加速度及適應(yīng)系數(shù)的模糊規(guī)則控制算法，并采用粒子群算法在線優(yōu)化模糊系統(tǒng)，結(jié)果表明，該算法能提高駕駛員對(duì)碰撞系統(tǒng)的接受程度，可以減少不必要的報(bào)警。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于路面附著系數(shù)和駕駛員駕駛傾向的縱向安全距離模型，并從行車安全距離、制動(dòng)控制器、制動(dòng)力分配器分析，設(shè)計(jì)縱向主動(dòng)避撞系統(tǒng)，最后利用dSPACE進(jìn)行了整車實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制策略的合理性。文獻(xiàn)［4］提出一種基于峰值附著系數(shù)曲面的路面辨識(shí)算法，并建立了制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模型以及防抱死控制模型，最后通過(guò)CarSim、Simulink和AMESim配置的軟件仿真環(huán)境進(jìn)行了控制策略的驗(yàn)證。張雪峰等［5］利用車輛速度為依據(jù)，對(duì)車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行低速和高速兩種分類，分別使用車頭時(shí)距和傳統(tǒng)基本制動(dòng)的方法建立安全距離模型，使用危險(xiǎn)系數(shù)對(duì)車輛安全狀態(tài)進(jìn)行劃定，基于模糊數(shù)學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)路面摩擦系數(shù)識(shí)別的方法，對(duì)駕駛員反應(yīng)時(shí)間系數(shù)進(jìn)行模糊化推理，更適合多種風(fēng)格的駕駛員。在中低速工況下實(shí)現(xiàn)了車輛的自適應(yīng)巡航，并且在危險(xiǎn)工況下可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞功能，使用CarSim與Simlink搭建模型在不同路面進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)優(yōu)秀的控制效果。文獻(xiàn)［6］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)車輛的相對(duì)減速度和跟隨距離，通過(guò)仿真得出該方法能提高預(yù)警距離的預(yù)警精度。文獻(xiàn)［7］建立了基于附著系數(shù)和駕駛意圖的縱向安全距離模型以及車輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的單輸入單輸出系統(tǒng)模型，并提出了基于約束的再生制動(dòng)強(qiáng)度的制動(dòng)力分配策略，最后驗(yàn)證了縱向和側(cè)向安全距離的安全性和車輛的操縱穩(wěn)定性。

本文基于安全距離提出了一種基于危險(xiǎn)系數(shù)的分級(jí)制動(dòng)控制策略，并以前饋期望的制動(dòng)壓力和反饋PID算法相結(jié)合的控制策略得到各軸車輪制動(dòng)壓力，最后利用TruckSim搭建AEB典型的3種試驗(yàn)場(chǎng)景，通過(guò)與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 碰撞預(yù)警模型

1.1 安全距離模型

建立準(zhǔn)確的安全距離模型對(duì)于AEBS系統(tǒng)的危險(xiǎn)等級(jí)判斷是至關(guān)重要的，其直接影響最終的避撞成功率。由于安全距離與本車和前車的制動(dòng)距離有關(guān)，本文將安全距離的計(jì)算分為前車減速、前車勻速、前車靜止、前車加速4種場(chǎng)景進(jìn)行分析。

1.1.1 前車減速行駛

當(dāng)前車減速行駛時(shí)，本車與前車的駕駛場(chǎng)景以速度分析有3種狀態(tài)：本車速度小于前車速度、本車速度與前車相等、本車速度大于前車速度；以減速度分析同樣是3種狀態(tài)：本車減速度小于前車減速度、本車減速度等于前車減速度、本車減速度大于前車減速度。設(shè)本車制動(dòng)前的速度為vh0，本車完全制動(dòng)減速度為aht，前車制動(dòng)前的速度為ve0，前車制動(dòng)減速度為aet。

當(dāng)本車制動(dòng)前速度大于前車制動(dòng)前速度，且本車完全制動(dòng)減速度小于前車制動(dòng)減速度時(shí)，最終只需兩車車速相等即避免碰撞，故安全距離可表示為：

式中：t1——駕駛員反應(yīng)時(shí)間，s；t2——制動(dòng)器夾緊過(guò)程所需要的時(shí)間，s；t3——制動(dòng)減速度線性增加過(guò)程時(shí)間，s；ΔS——本車與前車都停止時(shí)保持的最小間距，m。

當(dāng)本車制動(dòng)前速度大于前車制動(dòng)前速度，且本車完全制動(dòng)減速度等于前車制動(dòng)減速度時(shí)，最終需要兩車車速均減速至0時(shí)，才能避免碰撞，故安全距離可表示為：

當(dāng)本車制動(dòng)前速度等于前車制動(dòng)前速度，且本車完全制動(dòng)減速度大于前車制動(dòng)減速度時(shí)，最終只需兩車車速均減速至0時(shí)，才能避免碰撞，故安全距離可表示為：

當(dāng)本車車速與前車車速相等，且本車制動(dòng)減速度大于前車制動(dòng)減速度，或本車制動(dòng)減速度等于前車制動(dòng)減速度時(shí)，無(wú)碰撞危險(xiǎn)，故本文不作討論。

1.1.2 前車勻速行駛

當(dāng)前車勻速行駛時(shí)，只有本車制動(dòng)前速度大于前車制動(dòng)前速度時(shí)，才會(huì)有碰撞危險(xiǎn)。其最終只需兩車車速相等即避免碰撞，故安全距離可表示為：

1.1.3 前車靜止

當(dāng)前車為靜止車輛時(shí)，最終只需兩車車速均減速至0時(shí)，才能避免碰撞，故安全距離可表示為：

1.1.4 前車加速行駛

前車加速行駛，當(dāng)本車車速小于前車車速時(shí)，無(wú)碰撞危險(xiǎn)；當(dāng)本車車速大于前車車速時(shí)，兩車的距離達(dá)到最小安全距離時(shí)就會(huì)存在碰撞危險(xiǎn)，故本文只考慮本車車速大于前車車速的情況。

當(dāng)本車制動(dòng)前速度大于前車制動(dòng)前速度，其最終只需兩車車速相等即避免碰撞，故安全距離可表示為：

1.2 分級(jí)制動(dòng)模型

由于自動(dòng)緊急制動(dòng)的駕駛場(chǎng)景極其復(fù)雜，故需要對(duì)危險(xiǎn)預(yù)警的判斷進(jìn)行細(xì)致區(qū)分，即能夠及時(shí)提醒駕駛員進(jìn)行避撞，以及通過(guò)系統(tǒng)判斷進(jìn)行自動(dòng)緊急避撞，還需盡可能地考慮緊急制動(dòng)時(shí)駕駛員的舒適性和接受程度。本文通過(guò)危險(xiǎn)系數(shù)作為緊急制動(dòng)時(shí)不同危險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)的判斷依據(jù)。

當(dāng)車輛在道路跟車行駛時(shí)，跟車距離在不同駕駛員心里有不同的接受度，其除了必要的緊急制動(dòng)安全距離以外，還需加上駕駛員所接受的額外心理安全距離，故定義報(bào)警安全距離Sw為：

式中：S——緊急制動(dòng)安全距離，m；vr——前車與本車相抵車速，m/s；tw——駕駛員所允許的最小安全時(shí)距，一般取1.2～2.0s［8］，考慮到半掛汽車列車的制動(dòng)距離較長(zhǎng)，駕駛員心里所允許的時(shí)距更大，故取2～2.5s。

危險(xiǎn)系數(shù)表征了車輛在道路行駛時(shí)，本車與前方車輛或行人發(fā)生碰撞的可能性。通常情況下，wh大于0時(shí)表示本車行駛安全，或者有潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)，wh小于0時(shí)表示即將發(fā)生碰撞，需要自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)干預(yù)制動(dòng)。危險(xiǎn)系數(shù)的計(jì)算公式如下所示［9］：

式中：Sr——前車與本車實(shí)時(shí)相對(duì)距離，m。

2 控制策略設(shè)計(jì)

2.1 基于危險(xiǎn)系數(shù)的分級(jí)制動(dòng)控制策略

通常情況下，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)劃分為3種危險(xiǎn)狀態(tài)：行駛安全狀態(tài)、碰撞預(yù)警狀態(tài)、碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)。危險(xiǎn)系數(shù)針對(duì)以上3種狀態(tài)也大致以wh>1.0，0.4≤wh≤1.0，0≤wh≤0.4，wh<0四個(gè)區(qū)間來(lái)描述，并以制動(dòng)器的狀態(tài)分別稱為待機(jī)狀態(tài)、預(yù)制動(dòng)狀態(tài)、間歇制動(dòng)狀態(tài)、緊急制動(dòng)狀態(tài)［10］。其中待機(jī)狀態(tài)和預(yù)制動(dòng)狀態(tài)可理解為行駛安全狀態(tài)，間歇制動(dòng)狀態(tài)可理解為碰撞預(yù)警狀態(tài)，緊急制動(dòng)狀態(tài)可理解為碰撞危險(xiǎn)狀態(tài)?？紤]到半掛汽車列車緊急制動(dòng)距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，本文將待機(jī)狀態(tài)和預(yù)制動(dòng)狀態(tài)合并為同一種狀態(tài)，即行駛安全狀態(tài)。故本文按照通常方法，最終劃分為3種安全等級(jí)：行駛安全級(jí)I級(jí)、碰撞預(yù)警級(jí)II級(jí)、碰撞危險(xiǎn)級(jí)III級(jí)。I級(jí)表示本車行駛安全，無(wú)碰撞危險(xiǎn)；II級(jí)表示本車有潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，需要駕駛員進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)車輛進(jìn)行制動(dòng)或換道措施以避免碰撞，本文只通過(guò)儀表警示燈光、聲音對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒，系統(tǒng)不進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)；III級(jí)表示本車即將發(fā)生碰撞，需要緊急制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)以避免碰撞的發(fā)生。

本文結(jié)合中國(guó)汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的C-NCAP（China-New Car Assessment Programme）中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程和GB/T 38186-2019商用車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEBS）性能要求及試驗(yàn)方法，設(shè)定了3種AEBS測(cè)試工況，主要為：本車接近前方靜止目標(biāo)車CCRs（Carto Car Rear stationary，CCRs），本車接近前方移動(dòng)的目標(biāo)車CCRm（Carto Car Rear moving，CCRm），本車接近前方制動(dòng)的目標(biāo)車CCRb（Carto Car Rear braking，CCRb）。

本文利用整車動(dòng)力學(xué)仿真軟件TruckSim搭建以上3種測(cè)試場(chǎng)景，得到了碰撞數(shù)據(jù)，制定了以下針對(duì)半掛汽車列車不同車速下的危險(xiǎn)系數(shù)與對(duì)應(yīng)安全等級(jí)，詳見(jiàn)表1。并針對(duì)3種安全等級(jí)，制定了相應(yīng)的期望減速度：當(dāng)安全等級(jí)為I級(jí)時(shí)，期望減速度為0；當(dāng)安全等級(jí)為II級(jí)時(shí)，本文不對(duì)車輛進(jìn)行主動(dòng)制動(dòng)控制，故期望減速度為0；當(dāng)安全等級(jí)為III級(jí)時(shí)，期望減速度為4m/s2。

表1 不同車速下的危險(xiǎn)系數(shù)與對(duì)應(yīng)安全等級(jí)

2.2 下層控制器

2.2.1 期望制動(dòng)壓力模型

當(dāng)半掛汽車列車在水平道路行駛時(shí)，坡道阻力可視為0。針對(duì)上述整車緊急制動(dòng)時(shí)所需的期望減速度，假設(shè)施加在整車上期望的制動(dòng)力為Fdes，其縱向動(dòng)力學(xué)方程可表示為［11］：

式中：ηT——傳動(dòng)系的機(jī)械效率，%；ig——變速器傳動(dòng)比；i0——主減速器傳動(dòng)比；r——車輪半徑，m；g——重力加速度，m/s2；f——輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD——空氣阻力系數(shù)；A——車輛迎風(fēng)面積，m2；v——整車車速，km/h；δ——汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；ades——期望減速度，m/s2；m——整車質(zhì)量，kg。

由于緊急制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩為0Nm，則期望的制動(dòng)力（N）可表示為：

進(jìn)一步地，施加在整車的制動(dòng)壓力（MPa）可表示為：

式中：Kb——制動(dòng)系統(tǒng)壓力與制動(dòng)力之比。

2.2.2 反饋PID算法的控制

上述得到整車所需的期望制動(dòng)壓力，但由于實(shí)際制動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)存在擾動(dòng)和不穩(wěn)定因素，故本文采用PID控制算法跟蹤期望的減速度，以整車期望的減速度與實(shí)際減速度的偏差為輸入，通過(guò)PID反饋調(diào)節(jié)，得到整車所需的制動(dòng)壓力，最后以牽引車和半掛車的軸荷分配比得到各個(gè)車輪所需的制動(dòng)壓力。整車所需的制動(dòng)壓力如下公式所示：

式中：Kp、KI、KD——PID控制參數(shù)。

3 控制策略驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述控制策略的有效性，本文在TruckSim中搭建了半掛汽車列車AEB 測(cè)試場(chǎng)景，包括CCRs、CCRm、CCRb；主要驗(yàn)證內(nèi)容有：基于危險(xiǎn)系數(shù)的分級(jí)制動(dòng)控制策略、上層分級(jí)制動(dòng)控制策略驗(yàn)證、下層前饋制動(dòng)力和PID反饋控制策略驗(yàn)證。

3.1 CCRs場(chǎng)景工況測(cè)試

在TruckSim仿真環(huán)境中，設(shè)置本車初始車速60km/h，前車初始車速0km/h，前車減速度0m/s2，初始距離80m。

由圖1可知，在初始相對(duì)距離為80m時(shí)，本車及時(shí)檢測(cè)到前方車輛車速較低的情況，仿真開(kāi)始階段即進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，并在2.4s左右進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)。由圖2可知，本車較好地跟蹤了期望減速度，且響應(yīng)較快。在圖3中可知本車進(jìn)行了及時(shí)有效地制動(dòng)，最后與前車相距6m。

3.2 CCRm場(chǎng)景工況測(cè)試

在TruckSim仿真環(huán)境中，設(shè)置本車初始車速70km/h，前車初始車速30km/h，前車減速度0m/s2，初始距離80m。

由圖4可知，在初始相對(duì)距離為80m時(shí)，并在0.7s左右時(shí)進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，在之后大概4s的期間，本車并未做出避撞措施，故在4.6s左右進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)。由圖5可知，本車較好地跟蹤了期望減速度，且響應(yīng)較快。在圖6中也體現(xiàn)出本車在進(jìn)入緊急制動(dòng)狀態(tài)后，及時(shí)有效地進(jìn)行了制動(dòng)，并避免了碰撞。

圖2 本車期望與實(shí)際減速度對(duì)比

圖3 本車車速與前車車速

圖4 相對(duì)距離與安全預(yù)警等級(jí)

圖5 本車期望與實(shí)際減速度對(duì)比

圖6 本車車速與前車車速

3.3 CCRb場(chǎng)景工況測(cè)試

在TruckSim仿真環(huán)境中，設(shè)置本車初始車速60km/h，前車初始車速60km/h，前車減速度3m/s2，初始距離50m。

由圖7可知，仿真開(kāi)始時(shí)，前車勻速行駛，故本車一直保持安全形勢(shì)狀態(tài)，當(dāng)4s左右時(shí)，前車進(jìn)入制動(dòng)減速狀態(tài)，本車在4.3s左右進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)；由圖8、圖9可知，本車較好地跟蹤了期望減速度，且響應(yīng)較快。

圖1 相對(duì)距離與安全預(yù)警等級(jí)

圖7 相對(duì)距離與安全預(yù)警等級(jí)

圖8 本車期望與實(shí)際減速度對(duì)比

圖9 本車車速與前車車速

4 結(jié)論

本文提出了一種基于安全距離模型的不同車速下危險(xiǎn)系數(shù)的分級(jí)制動(dòng)控制策略，并以期望減速度得到期望的前饋制動(dòng)壓力，再利用PID算法得到整車所需的制動(dòng)壓力。最后本文在TruckSim中建立CCrb、CCrm、CCrs三種測(cè)試場(chǎng)景，對(duì)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文所提出的控制策略能夠有效避免碰撞的發(fā)生，提高了緊急制動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。