基于3種類型駕駛員變安全距離防夾塞變道的車輛控制策略

蔣 浩, 趙又群, 林 棻, 張?chǎng)┍^

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 江蘇 南京 210016)

隨著中國(guó)汽車保有量的快速增加,駕駛員不良駕駛習(xí)慣在交通擁堵中造成了大量的事故[1].特別是夾塞變道所造成的事故,在中國(guó)占發(fā)生交通事故總數(shù)的15.80%[2].進(jìn)行防夾塞變道研究非常有必要,它不僅可以提高行車安全,還有助于維持正常的車流[3].

很多學(xué)者針對(duì)防夾塞變道的自車控制策略進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[4]針對(duì)自適應(yīng)巡航控制(adaptive cruise control,ACC)模型的夾塞變道工況,提出了面對(duì)他車夾塞變道時(shí)通過降低車速來提高安全性的控制策略.文獻(xiàn)[5]研究了卡車編隊(duì)系統(tǒng)遇到他車夾塞變道的工況,提出了卡車之間需要快速增加間隙的控制策略[6].

還有學(xué)者針對(duì)鄰車駕駛員的變道意圖預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[7]通過實(shí)車試驗(yàn),分析了中國(guó)駕駛員在高速公路上的車道變換特性,通過車道變換頻率、轉(zhuǎn)向信號(hào)使用和后視鏡使用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析駕駛員的換道意圖.文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了同樣的研究發(fā)現(xiàn)他車夾塞變道主要原因是其前車車速慢.

對(duì)于夾塞變道行駛下的安全預(yù)警,文獻(xiàn)[9]提出在該工況下需要考慮縱向安全距離,低速考慮橫向距離,高速時(shí)考慮他車夾塞角度.文獻(xiàn)[10]考慮到駕駛員人格特質(zhì)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)駕駛的影響,設(shè)計(jì)了基于客觀指標(biāo)和駕駛員特征的變道意圖預(yù)測(cè)模型.文獻(xiàn)[4]研究了他車在夾塞變道最初的5到10 s內(nèi)可以通過恒定的速度“拉回”到自己的車道.

目前針對(duì)夾塞變道工況的研究中,通過自車預(yù)警減速擴(kuò)大跟車距離,或者對(duì)他車變道意圖預(yù)測(cè),以及對(duì)他車駕駛員變道意圖預(yù)測(cè),都是在后處理夾塞工況.然而對(duì)于該工況的前處理,針對(duì)改進(jìn)跟車系統(tǒng)、縮小跟車距離,通過消除他車駕駛員的夾塞意圖來防止被夾塞的策略卻研究較少.筆者通過研究自車3種類型駕駛員的車頭時(shí)距和停車間距等特性來改進(jìn)跟車系統(tǒng),利用MATLAB/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真平臺(tái)搭建夾塞變道工況,研究基于變安全距離防夾塞變道車輛控制策略的有效性.

1 駕駛員類型和特性

1.1 駕駛員類型

駕駛員類型由自身的性別、年齡、性格等內(nèi)在特質(zhì)決定,它能夠反映在一定工況下駕駛員的操縱傾向性.基于車輛狀態(tài)值,如車速、加速度、油門、剎車和反應(yīng)時(shí)間等的研究[11-12]表明,駕駛員類型的劃分多種多樣.有的學(xué)者將其分為2種:激進(jìn)型和溫和型.有的將其分為3種:冷靜型、正常型和激進(jìn)型.駕駛員類型的劃分至多可為18種,逐一研究會(huì)成倍增加試驗(yàn)數(shù)據(jù),且對(duì)于研究的規(guī)律性方面沒有明顯提高.本研究就謹(jǐn)慎、適中和激進(jìn)的3種類型駕駛員展開研究.

1.2 駕駛員特性

駕駛員特性是基于駕駛員類型更進(jìn)一步的具體化,是駕駛員類型具體的體現(xiàn).駕駛員跟車特性如表1所示[7].一方面為停車間距,謹(jǐn)慎的駕駛員會(huì)留出更多的停車間距,適中的駕駛員會(huì)留出中等的停車間距,激進(jìn)的駕駛員留出的停車間距最小;另一方面為車頭時(shí)距,它主要是為了表征在前車車速突然變?yōu)?的情況下,自車以當(dāng)前車速行駛與前車相碰撞的時(shí)間,通過相對(duì)距離除以自車速度計(jì)算得到.顯然,謹(jǐn)慎的駕駛員車頭時(shí)距更大,激進(jìn)的駕駛員車頭時(shí)距更小.

表1 駕駛員的跟車特性

2 基于駕駛員特性的安全距離模型

2.1 傳統(tǒng)的安全距離模型

固定安全距離模型是指當(dāng)跟車間距小于安全距離時(shí)產(chǎn)生的主動(dòng)預(yù)警或者制動(dòng).該模型的優(yōu)點(diǎn)在于使用方便,不足之處在于對(duì)該固定值的選取沒有理論支持,以及該模型對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性比較差.該模型的表達(dá)式為

s0=ds,

(1)

式中:s0為跟車安全距離;ds為設(shè)定的固定距離安全值.

恒定車頭時(shí)距模型主要考慮了恒定車間距離和自車車速.隨著自車車速的提高,安全距離也變大.該模型主要用于自車與前車相對(duì)速度并不大的情況,計(jì)算公式如下:

s0=v0tc+dc,

(2)

式中:v0為當(dāng)前車速;tc為恒定車頭時(shí)距,一般取1.5～2.8 s;dc為恒定車間距離,取4～6 m.

可變安全距離模型是基于固定車頭時(shí)距模型提出來的,將車間距離定義為一個(gè)可變量,計(jì)算公式如下:

s0=v0tv+dc,

(3)

tv=tv1+tv2,

(4)

式中:tv1和tv2為大于0的常數(shù),它們根據(jù)自車以及前車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié).

前車勻速工況下,駕駛員制動(dòng)距離模型通過車輛的制動(dòng)距離來計(jì)算安全距離,計(jì)算公式如下:

(5)

式中:Δv為自車與前車的相對(duì)速度;tp為駕駛員反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)器反應(yīng)時(shí)間之和;μ為道路路面附著系數(shù),干燥路面μ=0.85;g為重力加速度,g=9.8 m/s2.

2.2 基于駕駛員特性的跟車安全距離模型

以上傳統(tǒng)的安全距離模型建立的側(cè)重點(diǎn)是基于車輛當(dāng)前狀態(tài)產(chǎn)生的直接影響,它們存在一定的局限性.車輛狀態(tài)改變的根本原因是駕駛員的操縱特性.將駕駛員特性融入到安全距離模型中,能更加全面地描述跟車安全距離模型,有利于提高行車的舒適性以及駕駛員對(duì)控制系統(tǒng)的接納程度.

綜合考慮表1中駕駛員的2種跟車特性,設(shè)計(jì)安全距離模型如下:

(6)

式中:th為車頭時(shí)距;d0為停車間距.

由式(6)可知,安全距離與自車車速、停車間距成正比,當(dāng)前車加速時(shí)或者自車減速時(shí),相對(duì)速度變大,使安全距離小于當(dāng)前距離,表示駕駛員可以加速;當(dāng)前車減速時(shí)或者自車加速時(shí),相對(duì)速度變小甚至為負(fù)值,使安全距離大于當(dāng)前距離,表示駕駛員應(yīng)該減速.相比于傳統(tǒng)的安全距離模型,該模型充分考慮了駕駛員特性、相對(duì)速度對(duì)跟車安全距離的影響,又可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)駕駛員類型進(jìn)行調(diào)節(jié),使安全模型更加個(gè)性化,保證行駛安全.

在MATLAB/Simulink軟件中搭建的安全距離模型離散,需要將式(6)離散化,可得

s0=v0th-Δvτ+d0,

(7)

式中:τ為積分間隔時(shí)間,由于ACC工況中相對(duì)速度變化較慢,取2 s.

在勻速跟車時(shí),Δv為0,防夾塞安全距離模型可表示為

s0=v0th+d0.

(8)

2.3 基于駕駛員特性的防夾塞安全距離模型

根據(jù)研究的工況,當(dāng)遇到他車夾塞變道時(shí),通過轉(zhuǎn)換跟車安全距離模型為防夾塞安全距離模型,縮小跟車距離來防止被夾塞.考慮3種類型駕駛員特性,結(jié)合式(5)建立在前車勻速工況下,基于車頭時(shí)距、制動(dòng)距離和停車間距的防夾塞安全距離模型如下:

(9)

式中:t1為系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間和液壓系統(tǒng)起作用的時(shí)間之和,取1 s.

從式(9)可以看出:防夾塞安全距離同駕駛員停車間距成正比,與自車速成正比,與相對(duì)速度的平方成反比.

在勻速跟車時(shí),相對(duì)速度幾乎為0,此時(shí)的防夾塞安全距離模型可表示為

s0=v0t1+d0.

(10)

3 仿真試驗(yàn)工況搭建

3.1 基于Sigmoid函數(shù)的變安全距離車速控制器

在勻速跟車行駛工況中,自車通過相對(duì)速度、相對(duì)距離進(jìn)行直接反饋,控制油門或者剎車的基本邏輯如下:當(dāng)速度差為正、相對(duì)距離變大時(shí),進(jìn)行加速;速度差為負(fù)、相對(duì)距離變小時(shí),進(jìn)行減速;剎車和油門不能同時(shí)作用.由于操控加減油門和剎車擋板是一個(gè)平緩的過程,所以需要對(duì)它們的控制輸入信號(hào)進(jìn)行平滑處理.

使用Sigmoid函數(shù)來規(guī)范控制輸入量,函數(shù)曲線如圖1所示.對(duì)于基于安全距離的控制量,控制邏輯如下:速度差越大,油門也就越大;速度差越小,油門也就越小;速度差為0時(shí),油門也基本為0,最后實(shí)現(xiàn)勻速跟車.對(duì)Sigmoid函數(shù)進(jìn)行改進(jìn),為了滿足基于安全距離的控制邏輯,在原有函數(shù)的基礎(chǔ)上,將其向右平移3個(gè)或5個(gè)單位長(zhǎng)度.

圖1 Sigmoid函數(shù)及改進(jìn)

基于此油門調(diào)節(jié)器,設(shè)置仿真驗(yàn)證工況:前車車速為10 m/s,自車車速起始為0,前后兩車相距10 m,雷達(dá)檢測(cè)距離為100 m.跟車仿真如圖2所示,當(dāng)Sigmoid函數(shù)向右平移3個(gè)基本單位長(zhǎng)度時(shí),油門控制調(diào)節(jié)器的跟車效果最好,第3秒開始保持了穩(wěn)定的跟車距離.而平移的距離過多會(huì)使油門開度過大引起兩車相碰,反之油門開度過小,使跟車距離被拉大.

圖2 基于Sigmoid函數(shù)的油門調(diào)節(jié)器

3.2 MATLAB/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真模型

MATLAB/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真搭建的模型如圖3所示,通過直接反饋控制,將CarSim模型中毫米波雷達(dá)測(cè)得的相對(duì)距離dr和相對(duì)速度輸出到控制算法中,結(jié)合安全距離模型以及駕駛員特性,求解出汽車油門開度以及制動(dòng)信號(hào)的控制量,并輸出到CarSim中.

圖3 CarSim/Simulink聯(lián)合仿真模型

將夾塞車信號(hào)輸出用于安全距離模型的選擇,前車相對(duì)速度和距離輸入到安全距離模型中,再將輸出的理論跟車安全距離同當(dāng)前距離比較,做出加速或者制動(dòng)的控制策略.加速情況下,距離差值會(huì)輸入到Sigmoid函數(shù)中,將輸出一個(gè)油門開度給發(fā)動(dòng)機(jī);制動(dòng)時(shí),將誤差信號(hào)反饋給制動(dòng)主缸.

夾塞信號(hào)的判斷邏輯為他車側(cè)向位移是否從-6.0 m運(yùn)動(dòng)到大于-5.5 m,如果是,則切換成防夾塞安全距離模型.在他車逐漸離開返回原始車道過程中,如果側(cè)向位移從大于-5.5 m到小于-5.5 m,則從防夾塞安全距離切換回跟車安全距離.

3.3 仿真試驗(yàn)工況設(shè)置

為了研究夾塞變道工況,在CarSim中設(shè)置一條單向雙車道的干燥道路(μ=0.85),自車與前車勻速行駛于左側(cè)車道,如圖4所示.

圖4 夾塞變道CarSim模型

預(yù)先設(shè)置一輛夾塞車,以相同車速按圖5所示的側(cè)向運(yùn)動(dòng)軌跡駛向自車所在車道.車速為10 m/s工況下,他車從4 s開始夾塞,4 s到7 s向自車所在車道移動(dòng),從-6 m到-3 m的側(cè)向位置,其側(cè)向移動(dòng)速度為1 m/s;7 s到9 s不再移動(dòng);9 s到12 s,從-3 m到-6 m,移回了原來車道.

圖5 夾塞車運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置

夾塞車所處的車道中心線是相對(duì)于自車車道,自車車道中心線的橫向位置坐標(biāo)為0.在CarSim軟件中,該軌跡的計(jì)算語(yǔ)句為

-5.75+GT(ts,3)(tq-3,2.75)-
GT(ts,8)(tq-8,2.75),

(11)

式中:ts為夾塞時(shí)間;GT(ts,3)為他車從仿真開始第3 s開始夾塞的速度函數(shù),其他類同;tq為仿真時(shí)間.

20 m/s工況下,在CarSim軟件中,他車夾塞運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算語(yǔ)句為

-5.75+GT(ts,14)(tq-14,2.75)-
GT(ts,19)(tq-19,2.75).

(12)

設(shè)置2個(gè)毫米波雷達(dá),一個(gè)置于右后視鏡處用于檢測(cè)夾塞車輛的夾塞角度和速度;另一個(gè)置于前擋風(fēng)玻璃中部,用于檢測(cè)前方車輛的速度和距離.

3.4 防夾塞變道距離約束

自車駕駛員在跟車行駛時(shí)通常需要考慮如下2個(gè)要素:與前車的安全距離以及他車夾塞變道的概率.研究發(fā)現(xiàn),他車的切入概率隨著自車跟隨間隙變大而增加,驗(yàn)證了車輛的成功夾塞需要較長(zhǎng)的跟車間隙.因此,可以通過控制縮小自車的跟車距離來防止被夾塞.將夾塞變道的縱向距離約束等同于單移線變道的縱向距離約束,單移線變道所需要的最短距離sy如表2所示.

表2 夾塞變道所需的縱向距離約束

通過線性插值可得

sy=3.821v0+0.218.

(13)

由式(13)可知:當(dāng)車速為10 m/s時(shí),夾塞變道所需要的最小距離為38.4 m;當(dāng)車速為20 m/s時(shí),夾塞變道所需要的最小距離為76.6 m.

夾塞變道下,夾塞車進(jìn)入自車所在車道,完成并道所需要的縱向距離是單移線變道距離L的1/2,如圖6所示,車速為10 m/s時(shí),L/2=19.2 m;車速為20 m/s時(shí),L/2=38.3 m.該距離將作為判斷在勻速跟車時(shí),防他車夾塞變道的距離約束.

圖6 夾塞變道的距離約束

4 仿真試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

4.1 車速為10 m/s時(shí)的仿真分析

設(shè)置夾塞變道仿真工況:前車車速為10 m/s,初始距離為10 m.基于3種類型駕駛員的變安全距離防夾塞變道仿真試驗(yàn)結(jié)果如下:自車與前車距離變化曲線如圖7所示,自車速度變化曲線如圖8所示,自車油門開度變化曲線如圖9所示,自車制動(dòng)主缸壓力變化曲線如圖10所示.

圖7 自車與前車距離變化曲線

圖8 自車速度變化曲線

圖9 自車油門開度變化曲線

圖10 自車制動(dòng)主缸壓力變化曲線

從圖7-10可以看出,自車經(jīng)歷了2個(gè)加速階段、2個(gè)勻速階段和1個(gè)減速階段.分析如下: ① 時(shí)間為0～3 s,自車加速跟上前車;② 時(shí)間為3～4 s,自車沒有檢測(cè)到夾塞車輛,以跟車安全距離模型勻速跟車,具體體現(xiàn)在跟車距離幾乎沒有變化,而謹(jǐn)慎的駕駛員跟車距離還未進(jìn)入加速階段,就檢測(cè)到了夾塞車輛;③ 時(shí)間為4～8 s,自車檢測(cè)到夾塞車輛,跟車安全距離模型切換為防夾塞安全距離模型,加速跟車,縮小與前車距離;④ 時(shí)間為8～12 s,自車勻速跟車,3種類型駕駛員均根據(jù)防夾塞安全距離跟車行駛;⑤ 時(shí)間為12～15 s,自車不再檢測(cè)到夾塞車,防夾塞安全距離模型切換為跟車安全距離模型跟車,在12 s左右,自車短暫制動(dòng),這是由于模式切換造成的.

單獨(dú)分析②和④2個(gè)勻速階段,結(jié)果如表3所示,其中夾塞變道距離由式(13)計(jì)算得到.從表3可以看出,實(shí)際值和理論值誤差不大,證明了基于Sigmoid函數(shù)設(shè)計(jì)的車速控制器的準(zhǔn)確性.與他車夾塞變道需要的縱向距離相比,采用跟車安全距離模型,只有激進(jìn)的駕駛員不會(huì)被夾塞;采用改進(jìn)后的防夾塞安全距離模型表明,3種類型駕駛員均不會(huì)被夾塞,驗(yàn)證了變安全距離防夾塞變道的控制策略的有效性.

表3 車速為10 m/s的仿真結(jié)果 m

4.2 車速為20 m/s時(shí)的仿真分析

設(shè)置夾塞變道仿真工況:前車車速為20 m/s,初始距離為0.基于3種類型駕駛員的變安全距離防夾塞變道仿真試驗(yàn)結(jié)果如下:自車與前車距離變化曲線如圖11所示,自車速度變化曲線如圖12所示,自車油門開度變化曲線如圖13所示,自車制動(dòng)主缸壓力變化曲線如圖14所示.

圖11 自車與前車距離變化曲線

圖13 自車油門開度變化曲線

從圖11-14可以看出,自車經(jīng)歷了2個(gè)加速階段、2個(gè)勻速階段和1個(gè)減速階段. 分析如下: ① 時(shí)間為0～7 s,自車加速跟上前車;② 時(shí)間為7～15 s,自車沒有檢測(cè)到夾塞車輛,以跟車安全距離模型勻速跟車,具體體現(xiàn)在跟車距離幾乎沒有變化;③ 時(shí)間為15～18 s,自車檢測(cè)到夾塞車輛,跟車安全距離模型切換為防夾塞安全距離模型,加速跟車,縮小與前車距離;④ 時(shí)間為18～23 s,自車勻速跟車,3種類型駕駛員均根據(jù)防夾塞安全距離跟車行駛;⑤ 時(shí)間為23～25 s,自車不再檢測(cè)到夾塞車,防夾塞安全距離模型切換為跟車安全距離模型跟車,在23 s,自車短暫制動(dòng),這是由于模式切換造成的.

單獨(dú)分析②和④2個(gè)勻速階段,結(jié)果如表4所示,實(shí)際值和理論值誤差不大,證明了基于Sigmoid函數(shù)設(shè)計(jì)的車速控制器的準(zhǔn)確性.與他車夾塞變道需要的縱向距離相比,采用跟車安全距離模型,只有激進(jìn)的駕駛員不會(huì)被夾塞;采用改進(jìn)后的防夾塞安全距離模型,3種類型駕駛員均不會(huì)被夾塞,驗(yàn)證了變安全距離防夾塞變道控制策略的有效性.

表4 車速為20 m/s的仿真結(jié)果 m

5 結(jié) 論

1) 在傳統(tǒng)安全距離模型的基礎(chǔ)上,考慮自車的車頭時(shí)距、停車間距等跟車特性,建立了基于謹(jǐn)慎、適中和激進(jìn)的3種類型駕駛員跟車安全距離模型和防夾塞安全距離模型.通過Sigmoid函數(shù)建立了變安全距離的車速控制器.檢測(cè)到他車夾塞變道,選擇防夾塞安全距離模型;無夾塞車輛,選擇跟車安全距離模型.

2) 在車速分別為10、20 m/s時(shí),利用MATLAB/Simulink與CarSim聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證了基于變安全距離防夾塞變道車輛控制策略的有效性,為近距離跟車防夾塞車輛控制策略提供了參考.