基于多因素安全距離模型的汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛 磊，鮑婷婷，雷紹東

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112）

汽車交通事故頻發(fā)，造成了重大的生命、財(cái)產(chǎn)損失，人們?cè)絹?lái)越重視汽車的行駛安全問題。汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)能有效降低交通事故的發(fā)生。但是，目前的汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)存在以下問題[1-7]：

（1）目前汽車主動(dòng)防撞保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵是安全距離的設(shè)定，汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)通過計(jì)算安全距離來(lái)判斷是否給駕駛員進(jìn)行提醒，安全距離的計(jì)算未考慮駕駛員的疲勞狀態(tài)、雨雪和能見度等因素，預(yù)警模式單一，存在安全距離設(shè)定不適當(dāng)，預(yù)警不準(zhǔn)確的缺陷。

（2）當(dāng)汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)失效時(shí)，一旦碰撞發(fā)生，無(wú)法保護(hù)車輛安全。

為解決上述問題，本文從汽車制動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析入手，研究出多因素安全距離模型，同時(shí)設(shè)計(jì)出基于多因素安全距離模型的汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)。

1 多因素安全距離模型的研究

1.1 汽車制動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

汽車制動(dòng)過程如圖1所示。

圖1中：反應(yīng)時(shí)間（t1）為駕駛員發(fā)現(xiàn)、識(shí)別障礙并決定剎車，但沒有剎車。移腳時(shí)間（t2）為腳從加速踏板換到制動(dòng)踏板上的時(shí)間。制動(dòng)延遲時(shí)間（t3）為駕駛員從踩制動(dòng)踏板直至實(shí)際減速的時(shí)間。制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間（t4）為制動(dòng)踏板力從零增長(zhǎng)至最大需要的時(shí)間。制動(dòng)持續(xù)時(shí)間（t5）為汽車以最大減速度減速，制動(dòng)滑行到完全停止。

圖1 汽車制動(dòng)的減速度與時(shí)間曲線圖

假定汽車的初速度為v1（m/s）；最大減速度為a1（m/s2）。汽車的制動(dòng)距離可描述為以下3個(gè)部分。

（1）駕駛員發(fā)現(xiàn)、識(shí)別障礙并決定剎車直至制動(dòng)器開始起作用，汽車按照初速度v1勻速運(yùn)動(dòng)，汽車駛過的距離為

（2）汽車制動(dòng)減速度增加時(shí)間段駛過的距離為s2，速度為

因此，

（3）制動(dòng)滑行階段，即汽車以最大減速度減速，制動(dòng)滑行到完全停止。假定此時(shí)間段的初始速度為v2，此速度也是前一段的末始速度，那么根據(jù)式（2）有

根據(jù)式（4）有

因此制動(dòng)滑行距離

根據(jù)式（1）、式（3）和式（6）可得汽車緊急制動(dòng)距離公式為

從式（7）可以看出，汽車緊急制動(dòng)距離取決于反應(yīng)時(shí)間t1、移腳時(shí)間t2、制動(dòng)延遲時(shí)間t3、制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間t4、汽車的初速度v1和最大減速度a1。把t1和t2合并在一起稱為駕駛員延遲時(shí)間Td，把t3和t4合并在一起稱為系統(tǒng)延遲時(shí)間Ts，因此式（7）可改為

1.2 多因素分析

考慮駕駛員的疲勞狀態(tài)、天氣情況和能見度等因素。駕駛員在疲勞狀態(tài)時(shí)注意力不集中，反應(yīng)遲鈍，此時(shí)反應(yīng)時(shí)間t1、移腳時(shí)間t2都會(huì)增加，因此本文引入疲勞狀態(tài)修正系數(shù)α，對(duì)駕駛員延遲時(shí)間Td修正。當(dāng)天氣情況較差時(shí)，比如雨雪天、陰天等，此時(shí)能見度下降，駕駛員發(fā)現(xiàn)、識(shí)別障礙的時(shí)間延長(zhǎng)，因此本文引入天氣狀況修正系數(shù)β，對(duì)駕駛員延遲時(shí)間Td修正。因此，考慮到駕駛?cè)说钠跔顟B(tài)和天氣狀況等因素，修正后的駕駛員延遲時(shí)間為

由式（8）、式（9）可得修正后的汽車緊急制動(dòng)距離S修為

1.3 多因素安全距離模型

根據(jù)需要緊急制動(dòng)的情況，把多因素加入到安全距離模型中。本文設(shè)定前方汽車有3種運(yùn)動(dòng)情況，前方汽車停止運(yùn)動(dòng)，前方汽車勻速運(yùn)動(dòng)，前方汽車減速運(yùn)動(dòng)。

1.3.1 前方汽車停止運(yùn)動(dòng)

駕駛員發(fā)現(xiàn)前方汽車停止運(yùn)動(dòng)，然后采取緊急制動(dòng)直至汽車完全停止。由式（10）可得，此過程后車緊急制動(dòng)距離為

因?yàn)檫@個(gè)過程前車處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以兩車的安全距離由后車緊急制動(dòng)距離決定，由式（11）可得，安全距離D為

式中：D0為兩車相對(duì)靜止時(shí)的距離。

1.3.2 前方汽車勻速運(yùn)動(dòng)

前方汽車勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)后方汽車也勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)前車速度小于后車時(shí)，兩車距離不斷減小，如果不采取任何措施，當(dāng)兩車相對(duì)距離為0時(shí)就會(huì)發(fā)生碰撞。因此，本文研究的是前車速度小于后車的情況。后車的制動(dòng)過程經(jīng)歷3個(gè)時(shí)間階段：駕駛員延遲時(shí)間Td修、系統(tǒng)延遲時(shí)間Ts和以最大減速度為a1滑行減速直至達(dá)到與前車同速的時(shí)間Ta，分別對(duì)應(yīng)的行駛路程為

式中：v前為前車的速度

在上述3個(gè)時(shí)間段中，前車行駛的路程為

為確保兩車不碰撞，設(shè)定安全距離為D，那么有

1.3.3 前方汽車減速運(yùn)動(dòng)

當(dāng)前方汽車減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，前方汽車的速度小于后車汽車速度，如果不采取任何措施就會(huì)發(fā)生碰撞。兩車避免碰撞的前提是兩車的間距為D0時(shí)，后車的速度小于等于前車的速度。

后車的制動(dòng)過程經(jīng)歷3個(gè)時(shí)間階段：駕駛員延遲時(shí)間Td修、系統(tǒng)延遲時(shí)間Ts和以最大減速度a1滑行減速直至小于等于前車速度（此時(shí)兩車速度均為v），分別對(duì)應(yīng)的行駛路程為

在上述3個(gè)時(shí)間段中前車行駛的路程為

式中：v前為前車的初始速度。

為確保兩車不碰撞，設(shè)定安全距離為D，那么有

2 多因素安全距離模型下防撞保護(hù)系統(tǒng)的搭建

由本文構(gòu)造的多因素安全距離模型可知，多因素安全距離模型要融入到防撞保護(hù)系統(tǒng)中，關(guān)鍵是確定駕駛員延遲時(shí)間Td修。而Td修取決于疲勞狀態(tài)修正系數(shù)α和天氣狀況修正系數(shù)β。疲勞狀態(tài)修正系數(shù)α可通過采集駕駛員的疲勞信息獲得。天氣狀況修正系數(shù)β可通過采集天氣信息獲得。如圖2所示。

圖2 多因素安全距離模型下防撞保護(hù)系統(tǒng)的框架

3 多因素安全距離模型下的方案設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)依據(jù)多因素安全距離模型計(jì)算安全距離，并能動(dòng)態(tài)調(diào)整安全距離，包括汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)、防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)和緩沖系統(tǒng)。汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)包括疲勞分級(jí)模塊和防撞檢測(cè)模塊、安全距離模塊、安全距離修正模塊和分級(jí)預(yù)警模塊。汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)綜合分析駕駛員的疲勞狀態(tài)、雨雪和能見度等因素，實(shí)時(shí)調(diào)整安全距離，根據(jù)不同的安全距離和駕駛員疲勞狀態(tài)采取4種不同的預(yù)警策略，能對(duì)駕駛員進(jìn)行分級(jí)預(yù)警。防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)包括碰撞感應(yīng)模塊和應(yīng)急制動(dòng)模塊。當(dāng)汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)失效時(shí)，一旦發(fā)生碰撞，防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)開始工作，碰撞感應(yīng)模塊和應(yīng)急制動(dòng)模塊將發(fā)揮作用，對(duì)車輛采取應(yīng)急制動(dòng)。同時(shí)，緩沖系統(tǒng)緩解碰撞時(shí)的沖擊，一方面有利于碰撞感應(yīng)模塊精準(zhǔn)地感應(yīng)到?jīng)_擊力，另一方面可以降低汽車碰撞時(shí)的損傷。

3.2 具體方案設(shè)計(jì)

如圖3所示，汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)包括疲勞分級(jí)模塊、防撞檢測(cè)模塊、安全距離模塊、安全距離修正模塊和分級(jí)預(yù)警模塊。

圖3 汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)工作示意圖

疲勞分級(jí)模塊融合車內(nèi)視覺傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和語(yǔ)音傳感器的信息。車內(nèi)視覺傳感器接收駕駛員面部特征信息，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器接收方向盤轉(zhuǎn)角信息，語(yǔ)音傳感器接收駕駛員語(yǔ)音信息。上述傳感器信息匯總給疲勞分級(jí)模塊，從而使疲勞分級(jí)模塊獲得駕駛員的疲勞狀態(tài)。

防撞檢測(cè)模塊融合毫米波雷達(dá)傳感器、紅外線傳感器和車外視覺傳感器的信息，從而獲得前方行人、車輛，障礙物的位置、距離和速度等信息，并將這些信息傳遞給安全距離模塊。

安全距離修正模塊接收安全距離模塊、疲勞分級(jí)模塊、雨雪傳感器和能見度傳感器的信息，在綜合分析駕駛員的疲勞狀態(tài)、雨雪和能見度等因素的情況下計(jì)算出動(dòng)態(tài)安全距離。

分級(jí)預(yù)警模塊接收疲勞分級(jí)模塊和安全距離修正模塊的信息，綜合分析雨雪、能見度和疲勞狀態(tài)等因素，實(shí)時(shí)調(diào)整安全距離，根據(jù)不同的安全距離和駕駛員疲勞狀態(tài)采取4種不同的預(yù)警策略，這4種預(yù)警由弱到強(qiáng)分別是：播放音樂、蜂鳴器報(bào)警、座椅振動(dòng)、剎車控制，從而對(duì)駕駛員進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，有效地提高了行車安全。

當(dāng)汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)失效時(shí)，一旦發(fā)生碰撞，防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)開始工作。

如圖4所示，防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)包括碰撞感應(yīng)模塊和應(yīng)急制動(dòng)模塊。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，碰撞感應(yīng)模塊受到碰撞的沖擊力，當(dāng)沖擊力達(dá)到一定值時(shí)，碰撞感應(yīng)模塊產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，此信號(hào)傳遞給應(yīng)急制動(dòng)模塊，應(yīng)急制動(dòng)模塊接到信息后立刻對(duì)車輛采取應(yīng)急制動(dòng)。

圖4 防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)工作示意圖

如圖5所示，緩沖系統(tǒng)的作用是緩解碰撞時(shí)的沖擊力，一方面有利于碰撞感應(yīng)模塊精準(zhǔn)地感應(yīng)到?jīng)_擊力，因?yàn)楫?dāng)沖擊力變化緩慢時(shí)，碰撞感應(yīng)模塊更容易捕捉到?jīng)_擊力，另一方面可以降低汽車碰撞時(shí)的損傷。緩沖系統(tǒng)的核心部件為橡膠件和液壓減震器，橡膠件和液壓減震器并聯(lián)連接。兩者安裝在汽車前防撞梁和車身之間，從而使前防撞梁和車身之間彈性連接。一旦發(fā)生碰撞，前防撞梁受到?jīng)_擊力，此力通過橡膠件傳遞給車身，由于橡膠件的本質(zhì)是一個(gè)彈性元件，受到?jīng)_擊后發(fā)生變形，吸收沖擊帶來(lái)的能量，從而減少碰撞給車身帶來(lái)的沖擊。但是，碰撞一旦終止，橡膠件吸收的能量就要釋放，即發(fā)生反彈，反彈作用在車輛上，這樣相當(dāng)于發(fā)生了二次碰撞。此時(shí)液壓減震器阻止橡膠件反彈，液壓減震器本質(zhì)為阻尼器，當(dāng)橡膠件壓縮時(shí)，其幾乎不起任何作用，當(dāng)橡膠件反彈時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生阻尼力，阻礙橡膠件反彈，吸收橡膠件釋放的能量，以熱量的形式散出。

圖5 緩沖系統(tǒng)工作示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在綜合考慮駕駛員的疲勞狀態(tài)、雨雪和能見度等因素的情況下，構(gòu)建基于多因素的安全距離模型，根據(jù)此模型設(shè)計(jì)一種基于多因素的安全距離模型的汽車防撞保護(hù)系統(tǒng)，采取4種不同的預(yù)警策略，克服了常規(guī)預(yù)警模式單一，安全距離設(shè)定不適當(dāng)?shù)娜秉c(diǎn)，預(yù)警準(zhǔn)確，有效地提高了行車安全。當(dāng)汽車防撞分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)失效時(shí)，一旦發(fā)生碰撞，防撞快速響應(yīng)系統(tǒng)和緩沖系統(tǒng)將發(fā)揮作用，保護(hù)車輛安全。