基于Prescan 自動緊急制動系統(tǒng)分級控制策略研究

尤本隆

（200093 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

自動緊急制動系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking,AEB）是一種高級輔助駕駛系統(tǒng)。在碰撞危險發(fā)生之前，發(fā)出預(yù)警信息，若駕駛員未采取任何措施，則系統(tǒng)主動介入并進行制動，避免或減輕碰撞對駕駛員和其他交通參與者造成的傷害。歐盟新車安全評鑒協(xié)會（Euro-NCVP）研究結(jié)果表明，AEB 系統(tǒng)的普及可有效避免27%的車輛碰撞事故[1]，2021 年最新中國新車評價規(guī)程（C-NCAP）發(fā)布了主動安全ADAS 系統(tǒng)試驗方法，車輛追尾自動緊急制動（AEB CCR）作為其第一個試驗場景顯得尤為重要。

目前國內(nèi)外研究人員已提出眾多的AEB 系統(tǒng)算法模型，其中幾種比較典型的控制策略有安全距離模型、碰撞時間模型、最小減速度模型、駕駛員主觀感受模型等[2]。Kodaka[3]等基于日本交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計開發(fā)了一種帶三級制動的避撞策略；Wada[4]等基于專業(yè)駕駛員的緊急制動特征對AEB 的介入策略進行了研究。但由于國外的交通環(huán)境和駕駛員的駕駛行為習(xí)慣較國內(nèi)差異較大，因此不能直接套用國外已有的研究成果。

據(jù)此，本文提出了一種基于有限狀態(tài)機的分級預(yù)警和制動控制策略，詳細介紹了TTC 模型，建立了自己的安全距離模型，并將TTC 模型和安全距離模型綜合應(yīng)用在AEB 系統(tǒng)控制策略中，針對C-NCAP（2021 版）新發(fā)布的AEB CCR 避撞評價指標(biāo)，在Prescan 中搭建主動安全測試場景，建立了包括制動壓力控制模型和節(jié)氣門開度控制模型的車輛逆動力學(xué)模型；最后通過軟件聯(lián)合仿真對提出的自動緊急制動控制策略進行了驗證分析。

1 碰撞時間模型（TTC）和安全距離模型

碰撞時間（Time To Collision,TTC）指的是相同路徑上兩車維持自身車速同向行駛，直至發(fā)生碰撞所需要的時間，其計算公式如下：

式中：dr——兩車相對距離，m；vr——兩車相對速度，m/s。

本文中dr和dv由Prescan 中的TIS（Technology Independent Sensor）傳感器測得,計算出實時TTC 值。碰撞時間模型公式簡單，應(yīng)用廣泛，但是在某些特殊工況下不適用。因此提出了相對加速2 階TTC 公式[5]，其計算公式如式（2）：

式中：ar——兩車相對加速度，m/s2。

本文選取第1 種TTC 模型（式（1））作為AEB 主動介入的判斷條件，但是在某些特殊工況下只依靠此碰撞時間模型也會造成問題。例如當(dāng)自車以20 km/h 行駛，前車靜止時，AEB 會過早地介入，導(dǎo)致自車被剎停后距離目標(biāo)車輛過遠。雖然AEB 系統(tǒng)成功避撞，但是也對駕駛員正常行駛造成干擾。眾多的AEB 控制策略中，另一種常用的是安全距離模型，因此本文將碰撞時間模型和安全距離模型結(jié)合，在預(yù)警策略中采用TTC 模型，制動策略中采用安全距離模型。安全距離模型是以汽車制動過程中的運動學(xué)為基礎(chǔ)，制動臨界距離（db）計算公式如式（3）：

式中：v0——自車速度，m/s；a——制動策略所決定的減速度，m/s2；ε——系統(tǒng)參數(shù)。

2 AEB 系統(tǒng)分級預(yù)警/制動策略設(shè)計

2.1 AEB 介入方式制定

為保證駕駛員的主動控制權(quán)，本文前方碰撞預(yù)警功能（Forward Collision Warning,FCW）采用二級預(yù)警方式。在緊急工況下，若直接采用高強度制動，會影響駕駛員的乘坐舒適性，因此在AEB 介入后，采取兩級制動策略，以此改善緊急狀況下的乘坐體驗和保證行車安全。

AEB 系統(tǒng)的分級預(yù)警/制動總體方案如圖1所示。其中，一級預(yù)警為指示燈預(yù)警；二級預(yù)警為指示燈、蜂鳴器聯(lián)合預(yù)警，并在二級預(yù)警觸發(fā)時刻增加點剎報警。

圖1 分級預(yù)警/制動方案Fig.1 Hierarchical warning/braking scheme

2.2 分級預(yù)警/制動關(guān)鍵參數(shù)確定

碰撞時間模型根據(jù)不同行駛工況來設(shè)置不同的碰撞時間閾值，當(dāng)求得的二車預(yù)碰撞時間小于安全閾值時AEB 系統(tǒng)介入。相關(guān)研究對不同安全時間閾值和不同制度強度下對應(yīng)的事故避免率進行了總結(jié)：若駕駛員在碰撞前1.8 s 以0.5 g 的減速度制動，能夠避免95%的碰撞事故；文獻[6]對意外中駕駛員反應(yīng)時間進行了分析：在采用圖像、聲音聯(lián)合預(yù)警時，駕駛員反應(yīng)時間的平均值約為0.9 s，制動器延遲時間一般取0.2 s。

綜合考慮，本文預(yù)警策略一級預(yù)警的TTC安全閾值為3.0 s；二級預(yù)警根據(jù)自車車速設(shè)置安全閾值：車速小于30 km/h，TTC 閾值為2.5 s；車速在30～50 km/h 之間，TTC 閾值為2.6 s；車速在50～70 km/h 之間，TTC 閾值為2.7 s；車速大于70 km/h，TTC 閾值為2.8 s。

NHTSA 隨機提取80 多名駕駛員在緊急制動過程中車輛的減速度值[7]，通過對緊急制動過程中最大減速度和平均減速度值分析，駕駛員整體減速度平均值為0.38 g，最大減速度為0.72 g。本文制動策略一級制動時的制動強度取0.4 g，二級制動時的制動強度取0.8 g。其中在二級預(yù)警中觸發(fā)的點剎強度為0.6 g。

2.3 分級預(yù)警/制動策略設(shè)計

確定了分級預(yù)警TTC 安全閾值和分級制動制動強度后，設(shè)計AEB 系統(tǒng)分級預(yù)警/制動算法流程圖，如圖2 所示。由流程圖可知：

圖2 AEB 分級預(yù)警/制動策略流程圖Fig.2 Flow chart of AEB hierarchical warning/braking strategy

（1）當(dāng)TTC ≤3.0 s 時，指示燈亮起預(yù)警，提醒駕駛員做出反應(yīng)；若駕駛員未介入且當(dāng)TTC ≤t0時，指示燈和蜂鳴器聯(lián)合預(yù)警，并進行點剎預(yù)警，此處t0即前文提到的系統(tǒng)二級預(yù)警TTC 安全閾值。其中，點剎預(yù)警在激活時根據(jù)自車車速判斷，車速越高制動時間越長；

（2）若駕駛員仍未介入，且當(dāng)兩車相對距離小于系統(tǒng)設(shè)定的安全距離d0，此時自動緊急制動系統(tǒng)介入，進行一級制動；當(dāng)兩車相對距離達到制動臨界距離d1，即式（3）中的db,進行二級制動；

（3）若駕駛員介入，則AEB 系統(tǒng)退出；當(dāng)EBA（Electronic Brake Assist）檢測到駕駛員所提供的制動壓力無法避撞時，進行制動輔助。

3 AEB 系統(tǒng)控制器設(shè)計

3.1 有限狀態(tài)機建模

有限狀態(tài)機是描述有限的狀態(tài)、觸發(fā)事件及轉(zhuǎn)換行為的數(shù)學(xué)模型[8]，能對AEB 系統(tǒng)的不同狀態(tài)和狀態(tài)之間的切換關(guān)系進行建模，清晰地表達復(fù)雜的邏輯關(guān)系。根據(jù)本文提出的AEB 分級預(yù)警/制動流程圖，在MATLAB/Simulink 中采用Stateflow 模塊進行建模，如圖3 所示。

圖3 的AEB 控制器中，基于碰撞時間（TTC）模型、安全距離模型及兩車相對距離dr、相對車速vr,實時決策AEB 系統(tǒng)采取不同的預(yù)警等級和制動等級。

圖3 AEB 控制器Fig.3 AEB controller

3.2 車輛逆動力學(xué)模型

以Prescan8.5.0 軟件自帶車型Audi_A8 為研究對象，使用其默認參數(shù)設(shè)置。主要參數(shù)如表1所示。

表1 整車和環(huán)境主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of vehicle and environment

3.2.1 制動壓力控制模型

根據(jù)車輛動力學(xué)方程，車輛在平直公路上制動時沒有坡度阻力和加速阻力，得到式（4）：

式中：m——車輛質(zhì)量，kg；FXb——地面制動力，N；G——車輛重量，N；f——滾動阻力系數(shù)；CD——空氣阻力系數(shù)；A——車輛迎風(fēng)面積，m2；ρ——空氣密度，kg/m3。

車輛進行制動時，引入比例系數(shù)Kb表示制動力FXb和制動壓力P的比值[9]，其關(guān)系如式（5）：

在Prescan 中設(shè)置車輛以某初速度行駛，然后施加恒定的減速度，運行模型可得到車輛制動壓力大小，將其代入式（5）計算出Kb的值，在本文中，該值為119。

Simulink中搭建制動壓力控制模型如圖4 所示。

圖4 制動壓力控制模型Fig.4 Brake pressure control model

3.2.2 節(jié)氣門開度控制模型

本文研究對象是車輛自動緊急制動系統(tǒng)，自車沒有加速需求，因此在仿真過程中只需要在AEB 系統(tǒng)輸出加速度為0 時，節(jié)氣門開度保持在能夠使自車維持當(dāng)前速度行駛狀態(tài)即可。因此在Prescan 中設(shè)置車速從0 到120 km/h 的測試工況，步長為10 km/h，運行測試模型得到維持不同車速時所對應(yīng)的節(jié)氣門開度值，如圖5 所示。將Prescan 測試工況中的車速和其對應(yīng)的節(jié)氣門開度值導(dǎo)入Simulink 中的1-D Lookup Table 模塊中，實現(xiàn)節(jié)氣門開度控制功能建模。

圖5 不同車速節(jié)氣門開度Fig.5 Throttle opening at different speeds

4 AEB 系統(tǒng)仿真分析

4.1 聯(lián)合仿真平臺

本文使用Prescan8.5.0 和MATLAB/Simulink R2018b 進行聯(lián)合仿真。如圖6 所示，將搭建的AEB 算法模型、逆動力學(xué)模型和Prescan 自帶的TIS 傳感器模型、車輛動力學(xué)模型連接起來構(gòu)成本次研究的仿真平臺。

圖6 聯(lián)合仿真平臺Fig.6 Co-simulation platform

4.2 AEB CCR 測試場景

C-NCAP（2021 年版）《主動安全ADAS 系統(tǒng)試驗方法》規(guī)定了車輛追尾自動緊急制動系統(tǒng)（AEB CCR）實驗場景。測試工況分為2 類，即目標(biāo)車輛靜止，后車與前車追尾的場景（Car to Car Stationary,CCRs）和目標(biāo)車輛勻速慢行，后車與前車追尾的場景（Car to Car Moving,CCRm）。測試場景如圖7 所示。

圖7 測試場景Fig.7 Test scenario

4.3 AEB CCR 仿真驗證及結(jié)果分析

由于篇幅有限，本文選取自車速度40 km/h的CCRs 測試工況和自車速度50 km/h 的CCRm測試工況，進行仿真結(jié)果分析，聯(lián)合仿真結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

如圖8 和圖9 所示兩種典型工況仿真結(jié)果中，車輛自主制動后與目標(biāo)車相對距離曲線顯示成功避撞，制動停止相對距離分別為1.97 m 和2.26 m，均在合理避撞車距范圍內(nèi)。相對車速曲線變化平穩(wěn)，不同制動強度下速度變化響應(yīng)及時。前碰撞預(yù)警（FCW）系統(tǒng)功能正常，準(zhǔn)確地發(fā)出一級預(yù)警信號1 和二級預(yù)警信號2。兩種測試工況下的實際減速度和期望減速度跟隨性較好，正常行駛和制動過程中自車減速度滿足AEB 系統(tǒng)減速度請求，誤差較小。

圖8 CCRs 測試工況Fig.8 CCRs test

圖9 CCRm 測試工況Fig.9 CCRm test

從兩種測試工況的減速度跟隨響應(yīng)曲線，圖8（d）和圖9（d）中看出，點剎預(yù)警功能均正常激活，自車進行強度為0.6 g 的短暫制動，在AEB 自主制動之前能更有效地提醒駕駛員當(dāng)前危險路況。圖8（d）中，目標(biāo)車靜止，駕駛員未介入，自車在分級制動控制策略下先進行強度為0.4g 的一級制動，后進行強度為0.8 g 的二級制動。圖9（d）中，目標(biāo)車以20 km/h 的速度行駛，駕駛員未介入，兩車相對距離未達到制動臨界距離d1，自車一直進行制動強度為0.4 g 的一級制動，直至停下。

完整的AEB CCR 測試工況仿真結(jié)果如表2所示，僅統(tǒng)計制動停止相對距離。結(jié)合表2 統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析個測試工況仿真結(jié)果可得：車輛緊急制動完成后，與目標(biāo)車縱向相對距離保持在1.93～3.29 m，各個工況均成功避撞，未出現(xiàn)過大或過小的制動停止相對距離；由于目標(biāo)車勻速慢行，CCRm 測試工況的制動停止距離仿真結(jié)果普遍比CCRs 的大；CCRm 測試工況下，當(dāng)自車車速大于60 km/h 時，制動停止相對距離相較于低速工況較明顯增大，這是由于高速工況下，自車在AEB 系統(tǒng)控制下進入高強度的二級制動。

表2 測試工況仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of test conditions

5 結(jié)論

本文基于碰撞時間模型、安全距離模型的分級預(yù)警和制動控制策略能夠正確發(fā)出前方目標(biāo)車碰撞預(yù)警、點剎預(yù)警和分級制動信號，在駕駛員未介入的情況下成功避撞，自車和目標(biāo)車之間制動停止相對距離在合理避撞距離范圍內(nèi)。

自車實際減速度與AEB 系統(tǒng)期望減速度跟隨性較好，響應(yīng)及時。CCRm 測試場景中，自車在高速工況下制動停止時距目標(biāo)車相對較遠，且可預(yù)測車速越高，制動停止相對距離越大。在后續(xù)算法開發(fā)中，可通過標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)ε，或者采用動態(tài)參數(shù)ε，優(yōu)化自動緊急制動控制算法，達到更加理想的避撞效果。