面向電動兩輪車的汽車AEB系統(tǒng)研究*

錢宇彬 張進杰 常飛, 李威

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600；2.司法鑒定科學(xué)研究院，上海 200063）

主題詞：AEB系統(tǒng) 事故避免率 汽車-電動兩輪車碰撞事故

1 前言

電動兩輪車騎車人作為弱勢道路使用者，在汽車安全領(lǐng)域被視為重點保護對象。中國新車評價規(guī)程（China-New Car Assessment Programme，C-NCAP）等車輛安全評價規(guī)則都已將汽車主動安全納入評分體系，車輛對弱勢道路使用者的保護方面的測試標(biāo)準(zhǔn)也在逐步完善。

自動緊急制動（Autonomous Emergency Braking，AEB）系統(tǒng)是高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assis?tance Systems，ADAS）的重要組成部分，國內(nèi)外許多學(xué)者對其開展了大量的研究。日本學(xué)者根據(jù)其國內(nèi)交通數(shù)據(jù)，為主動避撞系統(tǒng)定義評價指標(biāo)，對有避撞功能的AEB 系統(tǒng)進行了深入研究。國內(nèi)對AEB 系統(tǒng)的研究起步較晚。江麗君等人對行車記錄儀視頻進行歸納分析，建立了符合我國實際交通情況的AEB 測試場景；劉穎等以人車事故樣本為基礎(chǔ)，用聚類分析的方法，歸納出5 類AEB 系統(tǒng)行人危險測試場景。C-NCAP 自2018 年起將AEB 系統(tǒng)納入評分標(biāo)準(zhǔn)，但僅限于車對車以及車對行人的AEB 系統(tǒng)，直到2020 年才將汽車對兩輪車的AEB系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)納入體系。

綜上，目前針對涉及電動兩輪車的AEB 測試場景和控制策略的研究較少，本文依據(jù)國家車輛事故深度調(diào)查體系（National Automobile Accident In-Depth Investi?gation System，NAIS）松江站點真實交通事故數(shù)據(jù)，分析汽車與電動兩輪車碰撞事故特征，結(jié)合汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（Event Data Recorder，EDR）中的數(shù)據(jù)和視頻信息，應(yīng)用PC-Crash 進行事故重建，建立碰撞測試數(shù)據(jù)庫，并確定AEB系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)前方電動兩輪車運動狀態(tài)建立安全距離模型，以此為基礎(chǔ)設(shè)計AEB 系統(tǒng)控制策略。

2 汽車-電動兩輪車事故特征分析

本文所選取的86 起事故數(shù)據(jù)均來自NAIS 松江站點近6年的事故數(shù)據(jù)，案例信息主要包括事故現(xiàn)場車輛信息、道路信息以及騎車人傷亡信息等。

2.1 相對碰撞位置特征

通過對所篩選的86 起事故案例進行特征分析，在兩車的碰撞事故中，按汽車車身碰撞區(qū)域劃分，電動兩輪車與汽車前部碰撞的案例有51起（占比59.3%），與汽車右側(cè)碰撞的案例有21起（占比24.4%），與汽車左側(cè)碰撞的案例有14起（占比16.3%）。

2.2 碰撞時速度分布特征

研究表明，在涉及電動兩輪車的交通事故中，騎車人頭部的損傷程度與碰撞時汽車的速度密切相關(guān)；據(jù)分析，當(dāng)碰撞車速達到50 km/h時，騎車人的頭部損傷簡明定級標(biāo)準(zhǔn)（Abbreviated Injury Scale，AIS）將達到3。分析所選取的事故案例樣本信息，得到兩車碰撞時的速度分布特征，如圖1和圖2所示。

圖1 汽車車速分布

圖2 電動兩輪車車速分布

由圖1 和圖2 可得：在所篩選的事故案例中，碰撞事故發(fā)生時，汽車的速度主要集中在30～45 km/h，電動兩輪車的速度主要集中在15～25 km/h，這也與松江地區(qū)的道路工況基本吻合。值得關(guān)注的是，個別案例中電動兩輪車的速度接近40 km/h，存在極大的安全隱患。

3 仿真工況及參數(shù)設(shè)置

以前方電動兩輪車運動狀態(tài)為基礎(chǔ)，并參考2020年版C-NCAP 中關(guān)于AEB 系統(tǒng)性能測試場景的要求，本文將AEB 系統(tǒng)-電動兩輪車的測試場景分為4 種，即接近前方靜止車輛、勻速車輛、制動車輛和橫穿車輛。具體仿真工況如表1所示，其中“本車”和“目標(biāo)車”分別指汽車和電動兩輪車。

表1 仿真工況

3.1 場景設(shè)置

在PreScan 軟件中，運用圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）模塊中的場景搭建功能對汽車與電動兩輪車典型事故場景進行搭建。首先根據(jù)本地區(qū)交通路況，建立一條符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化道路，道路長度為400 m，雙向兩車道。此外，路面附著系數(shù)設(shè)置為0.8，天氣和光照條件默認(rèn)為良好。

仿真車型選擇較為常見的奧迪，將CarSim 中建好的車輛動力學(xué)模型導(dǎo)入PreScan，選擇軟件自帶的兩輪車模型，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及實際情況進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

3.2 傳感器設(shè)置

通過對碰撞事故發(fā)生前死亡、重傷以及輕傷事故案例中電動兩輪車被探測到的概率確定最佳的探測距離和探測角度，傳感器參數(shù)設(shè)置如圖3 所示，選取120°為最佳探測角，45 m為最佳探測距離，且選取毫米波雷達作為車輛傳感器（也有車輛中的傳感器是毫米波雷達和攝像頭的組合），基本符合實際車輛中AEB系統(tǒng)的需求。

圖3 傳感器參數(shù)設(shè)置

目前，AEB系統(tǒng)危險狀態(tài)的判定方法主要包括時間判斷方法和距離判斷方法。本文選用的是距離判斷方法，設(shè)定危險系數(shù)為：

式中，為本車與目標(biāo)車的相對距離；為全力制動安全距離；為部分制動安全距離。

當(dāng)>1時，即>時，車輛處于安全狀態(tài)；當(dāng)0<<1時，即>>時，本車與目標(biāo)車有碰撞的可能性，若駕駛員未采取制動措施，則AEB 系統(tǒng)會啟動部分制動功能；當(dāng)<0 時，即>時，本車狀態(tài)很危險，需要緊急全力制動快速介入，才能降低或避免碰撞事故的發(fā)生。

本文根據(jù)目標(biāo)車運動狀態(tài)建立全力制動和部分制動安全距離模型，采用分級制動策略，當(dāng)0<<1 時，控制策略輸出-4 m/s的部分制動加速度，當(dāng)<0 時，輸出-8 m/s的全力制動加速度，最后利用模糊PID 控制策略對AEB 系統(tǒng)進行分層控制，實現(xiàn)對車輛期望加速度的精準(zhǔn)跟隨。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 接近前方靜止車輛

工況1：本車從原點出發(fā)，仿真時長為15 s，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 工況1仿真結(jié)果

由圖4可知：在第4.4 s時，本車AEB系統(tǒng)檢測到有碰撞風(fēng)險，向車輛輸入-4 m/s的部分制動加速度，此時本車速度下降；在第5.5 s時，隨著兩車實時距離減小，碰撞風(fēng)險等級提升，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動加速度；繼續(xù)行駛0.6 s后，車輛停止，兩車最終相對距離為3.01 m。

工況2：本車從原點出發(fā)，仿真時長為15 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 工況2仿真結(jié)果

由圖5 可知：在第3.5 s 時，本車的AEB 系統(tǒng)檢測到有碰撞風(fēng)險，向車輛輸入-4 m/s的部分制動加速度，此時本車速度減??；在第5.31 s 時，碰撞風(fēng)險等級提升，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動加速度；繼續(xù)行駛1.18 s后，車輛停止，兩車最終相對距離為2.55 m。

4.2 接近前方勻速車輛

工況3：本車從原點出發(fā)，仿真時長為15 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 工況3仿真結(jié)果

由圖6 可知：在第7.6 s 時，本車的AEB 系統(tǒng)檢測到有碰撞風(fēng)險，向車輛輸入-4 m/s的部分制動加速度，此時本車速度減小，碰撞風(fēng)險等級提升；在第9.91 s 時，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動加速度；行駛至第10.6 s時，本車最終停止，此時兩車間距離為2.17 m。

4.3 接近前方制動車輛

工況4：本車從原點出發(fā)，仿真時長為15 s，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 工況4仿真結(jié)果

由圖7可知：在第2.49 s時，AEB系統(tǒng)檢測到有碰撞風(fēng)險，向車輛輸入-4 m/s的部分制動加速度；在第2.78 s時，碰撞風(fēng)險等級提升，電動兩輪車停止運動而自車?yán)^續(xù)減速行駛；在第3.5 s 時，碰撞危險等級進一步提升，AEB系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動加速度，車輛快速制動；繼續(xù)行駛1.58 s后，本車停止運動，兩車速度均為零，最終相距1.45 m。

4.4 接近前方橫穿車輛

工況5：本車從原點出發(fā)，仿真時長為10 s，仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：在第3.29 s時，AEB系統(tǒng)檢測到前方有碰撞風(fēng)險，向車輛輸入-4 m/s的部分制動加速度；隨著本車?yán)^續(xù)向前行駛，兩車的縱向距離縮短，碰撞風(fēng)險等級提升，在第4.82 s 時，AEB 系統(tǒng)向車輛輸入-8 m/s的全力制動加速度；繼續(xù)行駛0.8 s 后，本車停止運動，兩車最終的縱向相對距離為1.8 m。

圖8 工況5仿真結(jié)果

4.5 仿真結(jié)果分析

綜合前文的仿真方法，對碰撞測試數(shù)據(jù)庫中86 起事故案例進行仿真，實際數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對比如表2所示。其中：為汽車初始速度；為電動兩輪車初始速度；為事故的實際碰撞速度；為AEB系統(tǒng)介入后的碰撞速度仿真結(jié)果；為兩車停止時的最終距離仿真結(jié)果。

表2 實際數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比

對各種工況的仿真結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示，由表3可知，在車輛配備AEB系統(tǒng)條件下，85%以上的碰撞事故可以避免。

表3 典型工況下AEB系統(tǒng)事故避免率仿真結(jié)果 %

此外，當(dāng)車輛速度過大時，碰撞事故無法避免，但碰撞時的車輛速度會降低。通過將仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)進行比較，配備AEB 系統(tǒng)后，汽車的平均碰撞速度由29.3 km/h 下降到13.2 km/h，速度降低了51.5%，提高了對騎車人的安全保護水平。有、無AEB 系統(tǒng)條件下汽車碰撞速度累積分布如圖9 所示，由圖9 可以看出，在配備AEB 系統(tǒng)的條件下，超過80%的事故中汽車的碰撞速度不會超過21 km/h，驗證了AEB 系統(tǒng)的有效性。

圖9 汽車碰撞速度累積分布

5 結(jié)束語

本文參照C-NCAP 中AEB 系統(tǒng)兩輪車測試場景，確定仿真工況，分別對5 種工況案例進行仿真，得出以下結(jié)論：

a.在車輛配備AEB系統(tǒng)的條件下，事故避免率達到了85%以上。

b.在碰撞無法避免的事故中，汽車的平均碰撞速度由29.3 km/h下降到13.2 km/h，降低了51.5%。

本文在確定電動兩輪車的運動狀態(tài)中，只分析了兩車同向行駛以及電動兩輪車橫穿車輛行駛路徑這2 種類型的工況，其他復(fù)雜的工況如轉(zhuǎn)彎、倒車等，還需要進一步研究。