車輛主動(dòng)防碰撞控制技術(shù)研究進(jìn)展①

張惠玲 孔德學(xué) 敖谷昌③* 邵毅明*

(*重慶交通大學(xué)山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400074）

(**重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 重慶 400074）

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國(guó)的汽車保有量和駕駛員人數(shù)有了大幅增加,盡管交通運(yùn)輸部每年公布的道路交通事故死亡人數(shù)有所下降,但事故數(shù)量仍然呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1]。目前,避免交通事故發(fā)生、減緩交通事故嚴(yán)重程度已成為各級(jí)政府著力解決的問(wèn)題,車輛主動(dòng)防碰撞控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)也引起了全球各大汽車廠商的廣泛關(guān)注,車輛主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)進(jìn)而成為了智能汽車的重要組成部分。車輛主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)是指利用攝像頭和雷達(dá)等傳感器設(shè)備檢測(cè)與前車的速度、距離和加速度等信息,實(shí)時(shí)評(píng)判車輛當(dāng)前所處工況的危險(xiǎn)程度,并且提醒駕駛員采取避撞措施的行駛安全設(shè)備[2]。對(duì)于配置有主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)的車輛,當(dāng)其進(jìn)入緊急危險(xiǎn)工況時(shí),如果駕駛員仍未采取有效的避撞操作,車輛將接管對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制,采取主動(dòng)制動(dòng)以避免碰撞[3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì),在所有的道路交通事故中,汽車與固定物的碰撞是汽車碰撞的主要形式,占交通事故的60%～70%[4-6]。而汽車碰撞事故主要由駕駛速度過(guò)快、車距過(guò)小、駕駛員操作失誤等因素造成[5]。當(dāng)駕駛員在發(fā)生碰撞前0.5 s 獲得預(yù)警信息,并及時(shí)采取避撞措施時(shí),約50%的碰撞事故可以避免;若能提前1～2 s 得到預(yù)警,則可以避免90%的交通事故[7-8]。因此,為了提高道路行車安全水平和降低碰撞事故程度,研究出能夠準(zhǔn)確模擬出車輛在進(jìn)入危險(xiǎn)行駛狀態(tài)的避撞模型,并制定一種安全、可靠、穩(wěn)定、有效的避撞控制策略,對(duì)汽車主動(dòng)防碰撞控制技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

20 世紀(jì)末,國(guó)內(nèi)外很多汽車公司開(kāi)始展開(kāi)車輛主動(dòng)安全控制的研究和開(kāi)發(fā),其中本田公司提出了用安全距離來(lái)估計(jì)報(bào)警臨界距離和最小制動(dòng)距離的算法[3]。福特公司基于城市道路低速行駛狀態(tài)汽車行駛特點(diǎn),并結(jié)合激光雷達(dá)行人檢測(cè)技術(shù),提出了在不同行駛速度下的制動(dòng)安全距離模型[9]。沃爾沃公司針對(duì)貨運(yùn)汽車的特殊性和駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)特性,重新設(shè)定了主動(dòng)控制系統(tǒng)的制動(dòng)臨界距離界限[10]。馬自達(dá)公司根據(jù)駕駛員的反應(yīng)延遲和汽車制動(dòng)滯后特性,提出了新的制動(dòng)最小安全距離計(jì)算方法[8]。近年來(lái),隨著汽車防碰撞系統(tǒng)研究的深入,各大汽車廠商相繼在智能汽車上裝備了先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance system,ADAS),該系統(tǒng)包含汽車主動(dòng)報(bào)警避撞系統(tǒng)(collision warning/avoidance,CW/CA)、車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(adaptive cruise control,ACC)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(autonomous emergency braking system,AEBS)、汽車前向防碰撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system,FCWS)等子系統(tǒng),可以避免70%的嚴(yán)重交通事故[11],其中AEBS 能夠避免27%的碰撞事故[12]。毫無(wú)疑問(wèn),車輛主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)在緩解道路交通事故、保障人車安全等方面具有重要作用,這種作用能否進(jìn)一步強(qiáng)化,重點(diǎn)取決于主動(dòng)防碰撞控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

本文概述車輛主動(dòng)防碰撞控制技術(shù)的危險(xiǎn)評(píng)估原理及其模型分類,以此對(duì)縱向主動(dòng)防碰撞控制策略、制動(dòng)與轉(zhuǎn)向協(xié)同控制策略進(jìn)行綜述,并指出避撞預(yù)警策略應(yīng)體現(xiàn)駕駛員特性差異的重要性,以期為車輛主動(dòng)防碰撞控制技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供理論參考。

1 危險(xiǎn)評(píng)估模型

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)危險(xiǎn)評(píng)估模型的研究主要包括基于碰撞時(shí)間的和基于制動(dòng)安全距離的評(píng)估模型,同時(shí)針對(duì)常規(guī)的避撞危險(xiǎn)評(píng)估模型存在特性參數(shù)考慮不足、魯棒性與普適性差的問(wèn)題,提出了改進(jìn)估計(jì)模型及其算法。

1.1 基于碰撞時(shí)間的危險(xiǎn)評(píng)估模型

基于碰撞時(shí)間的危險(xiǎn)評(píng)估模型是指從時(shí)間尺度上衡量自車當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的危險(xiǎn)程度,通過(guò)攝像頭、雷達(dá)和紅外等設(shè)備獲取與前車的實(shí)際間距和相對(duì)速度,將計(jì)算出的剩余碰撞時(shí)間(time to collision,TTC)與兩車間的預(yù)警時(shí)間閾值和制動(dòng)時(shí)間閾值進(jìn)行比較,并將結(jié)果反饋給車輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng),指導(dǎo)其進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警和制動(dòng)避撞操作。最初的TTC 模型是由文獻(xiàn)[13]提出的,以其理論簡(jiǎn)單成熟、輸入?yún)?shù)少等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和車載避撞系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

TTC 模型認(rèn)為,單獨(dú)從油門(mén)踏板操作來(lái)區(qū)分駕駛員的制動(dòng)意圖可能會(huì)造成防撞系統(tǒng)失效,從而提出用碰撞時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)駕駛員反應(yīng)延遲問(wèn)題,將其作為判定道路危險(xiǎn)程度的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物后,系統(tǒng)可以及時(shí)進(jìn)行減速,以達(dá)到避免碰撞的目的[13],TTC 模型的基本公式為

式中,TTC為碰撞時(shí)間(h);ds為前后行駛兩輛車之間的距離(km);vrel為前后行駛兩輛車的相對(duì)速度(km/h)。

基于對(duì)TTC 模型的理解,文獻(xiàn)[14]提出了一種駕駛員利用視覺(jué)信息控制其制動(dòng)行為的理論。對(duì)駕駛員眼睛光學(xué)陣列的研究分析表明,視覺(jué)上最易獲取的信息是碰撞時(shí)間而不是關(guān)于車距、速度以及加速/減速,研究揭示了駕駛員如何使用視覺(jué)信息來(lái)預(yù)測(cè)車輛的碰撞時(shí)間、判斷制動(dòng)時(shí)機(jī)和控制車輛的速度,使用碰撞時(shí)間TTC 作為主動(dòng)防碰撞控制模型的參數(shù),更易體現(xiàn)駕駛員對(duì)危險(xiǎn)行駛狀態(tài)的認(rèn)知和判斷。但傳統(tǒng)基于視覺(jué)的防碰撞系統(tǒng)由于其普遍存在虛警率高、檢測(cè)率低等問(wèn)題,只能用于特定交通環(huán)境條件下的避撞測(cè)試。為此,文獻(xiàn)[15]開(kāi)發(fā)了一種使用單目攝像機(jī)的目標(biāo)車輛測(cè)量估算方法,對(duì)檢測(cè)到的車道信息和攝像機(jī)識(shí)別模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,得到的TTC 估計(jì)結(jié)果具有更好的性能,提高了系統(tǒng)控制的魯棒性。文獻(xiàn)[16]引入一種組合滑移輪胎模型估計(jì)路面峰值摩擦力,可以避免視覺(jué)與雷達(dá)傳感器的測(cè)量誤差,利用最大路面摩擦力估算TTC 極限制動(dòng)閾值,以提高避撞系統(tǒng)對(duì)不同路面情況的適應(yīng)性。

文獻(xiàn)[17]指出駕駛員感知前方目標(biāo)車輛的大小主要取決于兩車間的距離,這種現(xiàn)象被稱為“l(fā)ooming”效應(yīng),并提出用碰撞時(shí)間倒數(shù)TTC-1來(lái)表征“l(fā)ooming”效應(yīng),能更好地體現(xiàn)駕駛員的避撞特性。如圖1 所示,主目標(biāo)的寬度w是一定的,并且與間距R有以下幾何關(guān)系:

圖1 “l(fā)ooming”效應(yīng)示意圖

式中,w為目標(biāo)寬度,R為前后車間距,θ為視線遮擋角。

碰撞時(shí)間倒數(shù)TTC-1的計(jì)算為

式中,vc、vp為自車速度和前車速度。

另外,文獻(xiàn)[3]針對(duì)前后車距、相對(duì)速度、相對(duì)減速等信息對(duì)傳統(tǒng)的TTC 建模方法進(jìn)行改進(jìn),使車輛危險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確、直觀,并指出當(dāng)車速超過(guò)70 km/h 或前車出現(xiàn)緊急情況(如突發(fā)交通事故、行人橫穿馬路等)時(shí)車輛不能完全實(shí)現(xiàn)避撞。針對(duì)該問(wèn)題,文獻(xiàn)[18]通過(guò)融合交通沖突數(shù)據(jù),結(jié)合碰撞時(shí)間TTC 對(duì)道路交通安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,將極限安全時(shí)間閾值設(shè)定為3 s 甚至更小。文獻(xiàn)[19]則根據(jù)駕駛員在交叉口的制動(dòng)行為偏好和反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)對(duì)TTC 值進(jìn)行了調(diào)整,通過(guò)修正閾值來(lái)提高車輛的避撞性能。文獻(xiàn)[20]提出一種參數(shù)可調(diào)的TTC 避撞算法,可以減少轉(zhuǎn)向避撞操作的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)確保碰撞時(shí)間閾值可隨速度變化而實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)集成控制。文獻(xiàn)[21]通過(guò)實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了基于TTC-1的避撞控制判定評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)國(guó)內(nèi)汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。同時(shí),基于不同行駛速度工況對(duì)碰撞時(shí)間TTC 預(yù)警算法進(jìn)行改進(jìn),可解決原有TTC 預(yù)警閾值在低速行駛工況存在預(yù)警過(guò)早和在高速行駛工況出現(xiàn)預(yù)警不及時(shí)的問(wèn)題,對(duì)提高系統(tǒng)的預(yù)警精度有顯著效果[22-23]。

綜上所述,當(dāng)前對(duì)基于碰撞時(shí)間的危險(xiǎn)評(píng)估模型的研究已趨于成熟,TTC 值可以綜合反映前后兩車之間的相對(duì)距離和相對(duì)速度,作為評(píng)判車輛危險(xiǎn)程度的指標(biāo)。但當(dāng)兩車之間的相對(duì)速度趨于零或各自速度較快的時(shí)候,系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)完全避撞,但是可以通過(guò)調(diào)整預(yù)設(shè)定的碰撞時(shí)間閾值、融合其他交通源數(shù)據(jù)以及改進(jìn)避撞控制策略等方式,達(dá)到成功避免碰撞的目的。

1.2 基于安全距離的危險(xiǎn)評(píng)估模型

基于安全距離的危險(xiǎn)評(píng)估模型是指從距離尺度上衡量自車當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的危險(xiǎn)程度,與控制策略中的預(yù)警臨界距離和緊急制動(dòng)臨界距離進(jìn)行比較判斷,指導(dǎo)其進(jìn)行預(yù)警和制動(dòng)避撞操作。安全距離模型通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集自車與前車之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)以及其他相關(guān)因素估算出預(yù)警距離和緊急制動(dòng)距離,保證車輛不發(fā)生碰撞。

最早的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)大都是基于安全距離模型設(shè)計(jì)的,比較典型的有Mazda 模型、Honda 模型、Berkeley 模型、Jaguar 模型和NHSTA 模型[24-30]。Mazda 模型[31]最早是由日本馬自達(dá)公司開(kāi)發(fā)的,通過(guò)比較前后車間距與自車最小制動(dòng)安全距離來(lái)判斷車輛是否進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)。Honda 模型[32]在Mazda模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)分別計(jì)算預(yù)警臨界距離和制動(dòng)臨界距離作為預(yù)警的指標(biāo),在降低誤警率方面表現(xiàn)較優(yōu)。Berkeley 模型[33]在前后車最大制動(dòng)減速度方面對(duì)Mazda 模型做了進(jìn)一步的改進(jìn),模型計(jì)算出的安全預(yù)警距離具有可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。Jaguar 模型根據(jù)前方目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),分別設(shè)置了預(yù)警臨界距離的指標(biāo)。NHSTA 模型通過(guò)設(shè)定只有當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)兩次檢測(cè)到前后車間距離小于預(yù)警安全距離時(shí)才會(huì)觸發(fā)警報(bào),以提高系統(tǒng)預(yù)警魯棒性。

美國(guó)密歇根大學(xué)基于ICCFOT 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)上述5種模型的漏報(bào)率和誤報(bào)率進(jìn)行了評(píng)價(jià),其中NHSTA模型表現(xiàn)的性能最好,但報(bào)警精確性僅有23%[34],說(shuō)明該模型算法缺乏實(shí)用性。而B(niǎo)erkeley 模型相比其他模型,通過(guò)實(shí)時(shí)估計(jì)調(diào)整輪胎路面附著系數(shù)目標(biāo)函數(shù)F(μ) 以適應(yīng)行駛路面與天氣的變化,可有效解決誤警率高、預(yù)警不及時(shí)的問(wèn)題,該模型的計(jì)算公式為

式中,Dw為安全預(yù)警距離,a1為自車最大減速度,a2為前車最大制動(dòng)減速度,ts為制動(dòng)過(guò)程所需時(shí)間,d0為最小安全距離,Dbr為制動(dòng)最小安全距離,分別表示駕駛員反應(yīng)時(shí)間和車輛制動(dòng)延遲滯后時(shí)間,F(μ) 為路面附著系數(shù)目標(biāo)函數(shù),μ、μmin、μmean分別為系數(shù)的估計(jì)值、最小值以及平均值。

安全距離模型主要是基于車輛間運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系建立的,需要實(shí)時(shí)獲取自車參數(shù)與外部環(huán)境信息[35],但某些關(guān)鍵參數(shù)以目前的環(huán)境感知技術(shù)很難獲得,且存在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性低、實(shí)用性較差以及駕駛環(huán)境條件考慮不足等方面問(wèn)題,這些會(huì)干擾系統(tǒng)對(duì)障礙物的識(shí)別。為解決該問(wèn)題,文獻(xiàn)[36]提出考慮汽車制動(dòng)延遲特性和駕駛員期望減速度的制動(dòng)安全距離預(yù)測(cè)算法,并且該系統(tǒng)在城市道路實(shí)車實(shí)驗(yàn)中得到有效的驗(yàn)證。文獻(xiàn)[37]提出綜合考慮駕駛員特征、交通路況以及車輛制動(dòng)因素(driver road vehicle,DRV)的安全距離模型,利用文獻(xiàn)[38,39]提出的車速及輪胎滑移率模型對(duì)輪胎-路面附著系數(shù)進(jìn)行估計(jì),并對(duì)現(xiàn)有的Mazda 安全距離模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。圖2 是基于Prescan 軟件的仿真結(jié)果,可以看出DRV 安全距離模型較于Hideo Araki 模型能夠適應(yīng)不同駕駛員的操作特點(diǎn),可以較好地解決因路況差異所造成的誤警率高的問(wèn)題,充分考慮車輛間的制動(dòng)性能差異,提高了模型的普適性,相比于Mazda 模型可以有效降低系統(tǒng)的虛警率。

圖2 3 種模型報(bào)警安全距離的仿真對(duì)比分析

現(xiàn)有安全距離模型通常是依據(jù)最大制動(dòng)減速度建立的,但大多數(shù)駕駛員在實(shí)際行駛過(guò)程中無(wú)法充分發(fā)揮汽車的制動(dòng)潛能,只有不到10%的駕駛員在實(shí)際制動(dòng)時(shí)達(dá)到制動(dòng)減速度的最大值,這一定程度上限制了傳統(tǒng)安全距離模型的應(yīng)用范圍[40-42]。由美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局[43]統(tǒng)計(jì)的駕駛員平均減速度與最大減速度的規(guī)律(見(jiàn)表1)可知,98%的駕駛員行車減速度不會(huì)超過(guò)-2.17 m/s2,而當(dāng)減速度達(dá)到-3～-4 m/s2時(shí)會(huì)引起人體的不適。

表1 制動(dòng)減速度統(tǒng)計(jì)規(guī)律

文獻(xiàn)[44]采用Zigbee 無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)采集前后車的運(yùn)行狀態(tài)信息,并根據(jù)前后車制動(dòng)時(shí)間不同建立了動(dòng)態(tài)選取安全預(yù)警距離的改進(jìn)Berkeley 模型,以滿足不同制動(dòng)減速度下對(duì)安全預(yù)警距離的需求。若假定在剎車系統(tǒng)介入之前,自車以勻速行駛,當(dāng)主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)生效時(shí),自車減速度呈線性趨勢(shì)變化,如圖3 所示。

圖3 自車減速度變化趨勢(shì)

改進(jìn)模型的安全預(yù)警距離計(jì)算公式為

綜上可知,現(xiàn)有的安全距離模型由于考慮的安全影響因素過(guò)于片面,其防碰撞控制模型未能模擬出真實(shí)道路的運(yùn)行情況,而且模型種類繁多,缺乏廣泛的適用性,為此,未來(lái)研究將基于更復(fù)雜的行駛工況來(lái)優(yōu)化避撞控制模型。

1.3 基于實(shí)車數(shù)據(jù)的改進(jìn)模型

單純依賴避撞時(shí)間或安全距離來(lái)進(jìn)行避撞風(fēng)險(xiǎn)估計(jì),無(wú)法充分發(fā)揮車輛避撞系統(tǒng)的潛能,而且國(guó)內(nèi)道路交通狀況、駕駛員操作習(xí)慣都有別于國(guó)外,直接使用現(xiàn)有系統(tǒng)的模型算法會(huì)導(dǎo)致其失效率大幅度提高。因此,需要通過(guò)對(duì)中國(guó)實(shí)際道路的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估展開(kāi)實(shí)驗(yàn)分析,并且對(duì)模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn),以適應(yīng)不同類型車輛和國(guó)內(nèi)各種城市行駛工況?；趯?shí)車數(shù)據(jù)對(duì)常規(guī)危險(xiǎn)評(píng)估模型在影響因素考慮不全、評(píng)價(jià)指標(biāo)單一、數(shù)據(jù)來(lái)源不足等方面進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前車的避撞操作。

國(guó)內(nèi)的汽車廠商和高校對(duì)現(xiàn)有的車載主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)在我國(guó)道路上的表現(xiàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)把TTC-1和安全距離進(jìn)行融合建模,可以解決單一危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)誤警率高的問(wèn)題,重新估算的預(yù)警時(shí)間閾值、制動(dòng)時(shí)間閾值、預(yù)警安全距離閾值以及制動(dòng)最小安全距離閾值,可有效提高車輛制動(dòng)的舒適性和安全性[45]。文獻(xiàn)[29]提出在常規(guī)的碰撞時(shí)間邏輯算法中將跟車時(shí)距(time headway,THW)和TTC 指標(biāo)融合協(xié)調(diào)使用,通過(guò)實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)改進(jìn)原有的碰撞時(shí)間閾值,給出了適應(yīng)不同車輛行駛工況下的安全預(yù)警距離計(jì)算公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制模型能夠在一定程度上改善道路交通狀況并提高道路運(yùn)行效率。

同時(shí),基于中國(guó)駕駛員的制動(dòng)避撞行為特性對(duì)防碰撞控制模型做出了進(jìn)一步的豐富與優(yōu)化,提出了以避撞減速度為主要特征參數(shù)的安全距離控制模型[46]、基于危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛的自主緊急制動(dòng)控制模型[47]、基于中國(guó)駕駛員制動(dòng)行為特性的車輛主動(dòng)避撞控制模型[48],顯著提高了車輛防碰撞控制技術(shù)的適用性。

2 主動(dòng)避撞控制策略

目前,國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)主動(dòng)防碰撞控制策略的研究主要以提高車輛整體的安全性能為目標(biāo),圍繞縱向避撞控制策略、制動(dòng)與轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)避撞控制策略展開(kāi)研究。

2.1 縱向避撞控制策略

主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)、攝像等環(huán)境感知技術(shù)獲取與前方目標(biāo)車輛的距離、速度和加速度等信息,判斷自車與前車發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)程度,并采取一系列警告、制動(dòng)輔助及自主緊急制動(dòng)等措施,幫助駕駛員避免碰撞或減緩碰撞嚴(yán)重程度[49]。主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)工作的關(guān)鍵是不同功能階段的預(yù)警時(shí)機(jī),合理的避撞控制策略應(yīng)該既能達(dá)到安全避撞的需求,又不對(duì)駕駛員的正常行駛造成干擾,預(yù)警過(guò)早與過(guò)晚都無(wú)法起到有效避撞的目的[50]。因此,縱向避撞輔助系統(tǒng)控制策略的制定應(yīng)結(jié)合車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),幫助駕駛員識(shí)別前方道路的危險(xiǎn)障礙物,通常是以安全距離和碰撞時(shí)間閾值兩個(gè)參數(shù)作為系統(tǒng)輸出駕駛輔助信號(hào)的依據(jù)。

縱向避撞控制應(yīng)該以駕駛員主動(dòng)控制操作為優(yōu)先級(jí),如圖4(a)所示,只在前后車距小于最小緊急制動(dòng)安全距離、碰撞剩余時(shí)間小于(t4-t3)時(shí),系統(tǒng)才會(huì)采取緊急自主制動(dòng)。圖4(b)中顯示出避撞輔助系統(tǒng)的車輛速度變化特性,表明在緊急制動(dòng)情況下,在駕駛員認(rèn)識(shí)到碰撞風(fēng)險(xiǎn)后,制動(dòng)輔助系統(tǒng)將對(duì)駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)延遲時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。而當(dāng)自車位于提示報(bào)警區(qū)和緊急報(bào)警區(qū),碰撞時(shí)間剩余在t1、t3之間時(shí),以聲音報(bào)警或者間歇輔助制動(dòng)方式來(lái)提示駕駛員。系統(tǒng)可以根據(jù)前后車之間的距離或者時(shí)間實(shí)時(shí)判斷該車處于圖4 中的哪個(gè)階段,從而采取相應(yīng)的制動(dòng)操作。

圖4 縱向制動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

式中,fd為危險(xiǎn)狀態(tài)因子,Dw為安全預(yù)警距離,Db為緊急制動(dòng)距離,D為前后車實(shí)際距離。當(dāng)fd ＜0時(shí),表示車距大于報(bào)警距離,位于安全狀態(tài);當(dāng)0 ≤fd ＜0.5 時(shí),表示車距剛進(jìn)入報(bào)警距離,處于系統(tǒng)警告和預(yù)制動(dòng)狀態(tài);0.5 ≤fd ＜1 時(shí),表示車距接近緊急制動(dòng)距離,進(jìn)入系統(tǒng)輔助制動(dòng)階段,在該階段若駕駛員未采取減速或者其他避險(xiǎn)措施,該系統(tǒng)將接管車輛;當(dāng)fd≥1 時(shí),表示車距達(dá)到緊急制動(dòng)距離,進(jìn)入緊急制動(dòng)階段。

危險(xiǎn)系數(shù)fd本質(zhì)上是基于車輛間運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的線性距離指標(biāo),但當(dāng)車輛速度過(guò)大或者以較高的相對(duì)速度減速時(shí),系統(tǒng)不一定能夠?qū)囕v危險(xiǎn)狀態(tài)做出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)估,系統(tǒng)預(yù)警觸發(fā)不及時(shí),以至于無(wú)法避免碰撞。文獻(xiàn)[53]在前向避撞系統(tǒng)FCW 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出避撞指標(biāo)協(xié)調(diào)控制(collision avoidance metrics partnership,CAMP)算法,提高了系統(tǒng)在極端高碰撞危險(xiǎn)情況的避險(xiǎn)能力。文獻(xiàn)[51]采用一種基于時(shí)間的危險(xiǎn)判定指標(biāo)Tbuffer,能直觀反映車輛實(shí)時(shí)的碰撞時(shí)間余量,充分利用了車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、駕駛員習(xí)慣特性以及行駛路況等信息。

2.2 轉(zhuǎn)向與制動(dòng)協(xié)調(diào)避撞策略

縱向防碰撞控制的制動(dòng)距離會(huì)隨車速呈指數(shù)增長(zhǎng),增加汽車行駛安全距離,極大降低道路使用效率,因此在高速工況下不適宜采用縱向制動(dòng)來(lái)規(guī)避碰撞[45]。根據(jù)已有的研究成果,如圖5 所示的轉(zhuǎn)向避讓操作可以減少24%以上的追尾事故[54],而且隨車速的升高,駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向操作來(lái)避讓碰撞的趨勢(shì)會(huì)有所增加[55]。

圖5 轉(zhuǎn)向避撞操作過(guò)程

系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操作的工作原理如圖6 所示,其中rr代表自車和前方障礙物車輛的安全半徑,圓內(nèi)為斥力場(chǎng)安全區(qū)域;rmin為自車轉(zhuǎn)向避撞的最小安全半徑,其與車輛前后軸間距和前輪轉(zhuǎn)角有關(guān),當(dāng)前后車間距ds≤0.5rmin,在相鄰車道暢通的前提條件下,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)操縱方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向角度以避開(kāi)碰撞。文獻(xiàn)[56-58]指出駕駛員采用轉(zhuǎn)向回避碰撞的比例會(huì)隨著碰撞時(shí)間TTC 的減少而增加;而且轉(zhuǎn)向避撞相對(duì)于制動(dòng)避撞在高相對(duì)速度、低附著系數(shù)、低重疊率的工況下能發(fā)揮更大的避撞潛能[45,59-61]。然而,目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)外學(xué)者都將制動(dòng)和轉(zhuǎn)向2 種避撞方式孤立看待,均未能充分發(fā)揮車輛的避撞潛力,而采用制動(dòng)、轉(zhuǎn)向聯(lián)合規(guī)避危險(xiǎn)的研究較少。所以通過(guò)模擬駕駛員的避撞決策邏輯,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確評(píng)判碰撞危險(xiǎn)程度,將制動(dòng)和轉(zhuǎn)向相結(jié)合來(lái)幫助駕駛員實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞是未來(lái)主動(dòng)避撞技術(shù)的核心[62-64],具體的制動(dòng)與轉(zhuǎn)向避撞決策邏輯如圖7 所示。

圖6 車輛轉(zhuǎn)向操作斥力場(chǎng)簡(jiǎn)化模型

圖7 制動(dòng)與轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)決策邏輯

轉(zhuǎn)向和制動(dòng)協(xié)調(diào)控制的防撞策略是通過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)車輛的未來(lái)行駛軌跡?；诖?文獻(xiàn)[65]提出一種采用非線性模型預(yù)測(cè)控制的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)同時(shí)進(jìn)行的避撞策略,其通過(guò)對(duì)車輪轉(zhuǎn)向角度和橫向加速度設(shè)定約束條件,提高了轉(zhuǎn)向避撞的安全穩(wěn)定性,并利用仿真軟件驗(yàn)證了緊急情況下所提出策略的優(yōu)越性能,如圖8 所示,在高相對(duì)速度情況下轉(zhuǎn)向與制動(dòng)協(xié)調(diào)控制相對(duì)于其他方法對(duì)極限避撞車距的需求更小。

圖8 不同控制策略的避撞車距需求[65]

此外,文獻(xiàn)[66]基于一維追尾碰撞模型推導(dǎo)出二維狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向避撞控制模型,構(gòu)建如圖9 所示的CarSim 駕駛模擬場(chǎng)景,驗(yàn)證該控制算法和轉(zhuǎn)向干預(yù)系統(tǒng)在前車發(fā)生突發(fā)事故或者緊急情況時(shí),能有效幫助車輛避開(kāi)前方的動(dòng)態(tài)障礙物,降低碰撞的可能性,仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖9 駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)仿真[66]

圖10 車速為90 km/h 時(shí)的仿真結(jié)果[66]

目前,車輛轉(zhuǎn)向換道路徑模型的研究主要是基于幾何法規(guī)劃換道軌跡。文獻(xiàn)[67]提出采用β樣條曲線得到的車輛換道軌跡具有連續(xù)曲率,提供了無(wú)碰撞的平滑路徑。文獻(xiàn)[68]提出一種基于貝塞爾曲線的車輛路徑生成方法,可以通過(guò)調(diào)整曲線控制點(diǎn)來(lái)變化曲線形狀,并證實(shí)在二維、三維空間中利用該方法生成路徑具有不錯(cuò)的表現(xiàn)。文獻(xiàn)[69]提出的正弦函數(shù)換道軌跡模型具有模型全局收斂快、曲線簡(jiǎn)單、平滑性好等優(yōu)點(diǎn),而且通過(guò)設(shè)定系統(tǒng)側(cè)向加速度限值避免車輛轉(zhuǎn)向失穩(wěn),提高了駕駛員的舒適度。在國(guó)內(nèi),因五次多項(xiàng)式避撞換道路徑[70-74]的曲線連續(xù)光滑、符合駕駛軌跡行為特征而被廣泛應(yīng)用。

但是轉(zhuǎn)向避讓也應(yīng)滿足相鄰車道的安全距離約束,以避免不合理的轉(zhuǎn)向動(dòng)作導(dǎo)致車輛出現(xiàn)失穩(wěn)、側(cè)翻等危險(xiǎn)工況。文獻(xiàn)[75]的研究數(shù)據(jù)表明因車輛變道而導(dǎo)致的車禍占總車禍的5%,占總車禍死亡人數(shù)的7%,而且由轉(zhuǎn)向變道造成的交通事故都非常嚴(yán)重。由此可見(jiàn),開(kāi)發(fā)出可以穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)向變道軌跡規(guī)劃模型是轉(zhuǎn)向避撞控制的關(guān)鍵。

3 避撞系統(tǒng)的差異化預(yù)警

基于運(yùn)動(dòng)學(xué)公式與碰撞時(shí)間設(shè)計(jì)的系統(tǒng)預(yù)警策略對(duì)駕駛員和不同路況的適應(yīng)性都不夠,且實(shí)際道路中行駛環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜,會(huì)大幅度降低控制系統(tǒng)的運(yùn)行準(zhǔn)確性。為解決在系統(tǒng)并未發(fā)生故障和失效的情況下,因其技術(shù)局限性而導(dǎo)致的不合理事故風(fēng)險(xiǎn),國(guó)內(nèi)外的汽車廠商制定了預(yù)期功能安全(safety of the intended functionality,SOTIF)的行業(yè)規(guī)范。在SOTIF 方法論中,將駕駛場(chǎng)景分為已知安全、已知危險(xiǎn)、未知危險(xiǎn)和未知安全4 個(gè)部分,當(dāng)前的研究熱點(diǎn)主要是針對(duì)已知危險(xiǎn)和未知危險(xiǎn)這兩個(gè)場(chǎng)景的識(shí)別和安全設(shè)計(jì)?；诖?文獻(xiàn)[76]指出為了提高控制系統(tǒng)的安全性和可靠性,實(shí)車路試和仿真測(cè)試必須在高維度和復(fù)雜的交通場(chǎng)景下進(jìn)行,通過(guò)不斷地積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),逐漸將未知危險(xiǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎L(fēng)險(xiǎn),而且還要充分考慮駕駛員的差異性以及不同程度下的人機(jī)交互作用。

另有研究指出,駕駛員因其年齡、性別、性格以及駕齡等因素的差異有著不同的駕駛特性,而且該特性會(huì)隨著道路行駛工況的變化而呈現(xiàn)出不同的駕駛習(xí)慣[77-78]。為此,考慮駕駛員特性的避撞預(yù)警研究也得到了很多研究者的關(guān)注。

文獻(xiàn)[79]提出更符合駕駛員操作特性的碰撞危險(xiǎn)評(píng)估算法,并設(shè)計(jì)大量事故場(chǎng)景進(jìn)行模擬,降低了系統(tǒng)的誤警率?；诘退傩旭偣r,文獻(xiàn)[80]開(kāi)發(fā)出充分考慮駕駛員和乘客舒適性的避撞預(yù)警算法。文獻(xiàn)[81]設(shè)計(jì)了一種基于駕駛員行為特征、視覺(jué)特性以及生理特征的監(jiān)督學(xué)習(xí)碰撞預(yù)測(cè)模型,顯著提高了模型對(duì)碰撞危險(xiǎn)工況識(shí)別的準(zhǔn)確性,通過(guò)量化駕駛員的危險(xiǎn)狀態(tài)作為輸入?yún)?shù)驗(yàn)證了碰撞模型預(yù)測(cè)的有效性。文獻(xiàn)[24]提出車輛的安全預(yù)警距離可以根據(jù)不同駕駛員的心理安全范圍來(lái)確定:

式中,th表示駕駛員心理最小安全時(shí)間,一般取0.5～1.5 s[24]。

文獻(xiàn)[82]基于實(shí)車數(shù)據(jù)展開(kāi)對(duì)駕駛行為變化特性的分析,對(duì)每位駕駛員釋放加速踏板和制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)刻的TTC 值進(jìn)行聚類分析,根據(jù)駕駛員面臨危險(xiǎn)時(shí)的制動(dòng)行為特征將其分為謹(jǐn)慎、正常、激進(jìn)3類,并對(duì)不同風(fēng)格的駕駛員設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警和制動(dòng)閾值。文獻(xiàn)[51]指出防碰撞控制系統(tǒng)預(yù)警時(shí)間標(biāo)定要綜合考慮駕駛員反應(yīng)時(shí)間和車輛制動(dòng)持續(xù)時(shí)間,因此根據(jù)不同類型的駕駛風(fēng)格對(duì)圖4 的預(yù)警時(shí)間和報(bào)警時(shí)間給出了如表2 所示的標(biāo)定結(jié)果。文獻(xiàn)[83]利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同駕駛員群體的制動(dòng)深度、TTC-1、駕駛員反應(yīng)時(shí)間等特征參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí),建立了可以有效預(yù)測(cè)駕駛員待制動(dòng)行為的非線性關(guān)系知識(shí)庫(kù),對(duì)降低誤警率有顯著效果。

表2 預(yù)警時(shí)間標(biāo)定

由于駕駛?cè)后w的差異性和復(fù)雜性,可以表征駕駛特性的因素有很多,而諸如駕駛員情緒、車內(nèi)外視野、路況等很難用參數(shù)量化來(lái)表征,因此當(dāng)前的研究還未能全面考慮所有干擾因子對(duì)駕駛行為預(yù)測(cè)模型的影響,這些將會(huì)成為未來(lái)避撞控制預(yù)警系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向。

4 展望與挑戰(zhàn)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)控制模型參數(shù)設(shè)定以及避撞控制策略等關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了深入的研究,并取得了豐富的研究成果,但尚有許多方面值得進(jìn)一步探索。

(1)采取合理的制動(dòng)減速度

通常避撞系統(tǒng)在緊急制動(dòng)階段都會(huì)采取最大減速度來(lái)估算避撞距離,這與實(shí)際駕駛情況不符,而且當(dāng)加速度過(guò)快時(shí)駕駛員會(huì)產(chǎn)生不適感,導(dǎo)致運(yùn)輸車輛貨物受到損壞。所以根據(jù)行駛車輛的實(shí)際情況并且結(jié)合其運(yùn)行特性選擇合理的制動(dòng)減速度尤為關(guān)鍵。

(2)復(fù)雜危險(xiǎn)工況下制動(dòng)與轉(zhuǎn)向的協(xié)調(diào)控制

在危險(xiǎn)緊急工況下駕駛員潛意識(shí)會(huì)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)向避讓碰撞目標(biāo),轉(zhuǎn)向操作在陰雨濕滑路面、高速工況下比制動(dòng)避撞表現(xiàn)效果更優(yōu)。采取轉(zhuǎn)向方式來(lái)避開(kāi)前方危險(xiǎn)車輛,不僅需要考慮相鄰左邊車道的轉(zhuǎn)向安全約束條件,還需駕駛員有足夠的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)付緊急轉(zhuǎn)向行為而導(dǎo)致車輛失穩(wěn)的后果。因此研究者將會(huì)根據(jù)各種危險(xiǎn)工況來(lái)豐富和完善制動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制模式,并提升其安全性與穩(wěn)定性。

(3)避撞系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)駕駛行為的差異性

系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)不斷積累駕駛員行為數(shù)據(jù),自適應(yīng)學(xué)習(xí)不同駕駛員在遇到危險(xiǎn)時(shí)的反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)習(xí)慣等信息,深入探索干擾駕駛員決策和感知的影響因素,研究其變化規(guī)律,建立預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高的駕駛員制動(dòng)行為知識(shí)庫(kù),并確保駕駛的舒適性。