敖宏偉，陳學(xué)文，榮同康

(遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 遼寧 錦州 121001)

汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)作為高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)的一部分，可以在追尾事故發(fā)生前主動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行制動(dòng)，降低車輛追尾事故發(fā)生的概率[1-4]。據(jù)E-NCAP的研究數(shù)據(jù)，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)可以避免27%追尾事故的發(fā)生，未來AEB系統(tǒng)將在人們行車安全中扮演更加重要的角色。

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)與科研人員對(duì)汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制策略及產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行了廣泛研究。Baldovino等[5]利用模糊脈寬調(diào)制技術(shù)開發(fā)了一款智能AEB控制算法，引入微型模糊關(guān)聯(lián)矩陣(FAM)表算法來減少計(jì)算規(guī)則的數(shù)量。Rosado等[6]在研究自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)引入“主動(dòng)安全裕度”的概念，提出了一種能夠預(yù)測碰撞速度、停止距離和停止時(shí)間的AEB分析模型。Ioana等[7]在不同附著系數(shù)的路面上對(duì)自適應(yīng)AEB系統(tǒng)與傳統(tǒng)AEB系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：帶有自適應(yīng)AEB系統(tǒng)的車輛可以更好地避免交通事故的發(fā)生。別克公司推出的智慧行車科技系統(tǒng)，可以對(duì)本車道內(nèi)的前方目標(biāo)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并預(yù)警，當(dāng)駕駛員未采取制動(dòng)措施時(shí)，采取緊急制動(dòng)減輕或避免碰撞事故帶來的危害。

李霖等[8]對(duì)駕駛員在危險(xiǎn)工況下的制動(dòng)行為特征進(jìn)行提取，分析了制動(dòng)過程中本車的平均制動(dòng)減速度以及制動(dòng)開始時(shí)刻的TTC值，并以此搭建了危險(xiǎn)目標(biāo)估計(jì)模型，設(shè)計(jì)了分級(jí)預(yù)警/制動(dòng)模型。吳飛[9]利用綜合加權(quán)法建立了碰撞預(yù)警的安全距離辨識(shí)模型，基于分層控制思想搭建了上層控制器，降低了誤報(bào)警率。

目前國內(nèi)外車企對(duì)于AEB系統(tǒng)采用的常用模型為安全距離模型、安全時(shí)間模型，現(xiàn)有的控制策略難以應(yīng)對(duì)實(shí)際車輛行駛過程中復(fù)雜多變的交通環(huán)境，在前方危險(xiǎn)目標(biāo)的選取、危險(xiǎn)狀態(tài)判斷、制動(dòng)介入時(shí)刻、制動(dòng)力大小的選取等方面仍有較大的改善空間。

本文考慮了相鄰車道前方車輛換道工況，對(duì)前方危險(xiǎn)狀態(tài)判斷與目標(biāo)確定、制動(dòng)介入時(shí)刻與制動(dòng)強(qiáng)度的選取等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究，設(shè)計(jì)了危險(xiǎn)目標(biāo)模糊判別控制器，將安全距離模型與安全時(shí)間模型相結(jié)合，建立了自動(dòng)緊急制動(dòng)分級(jí)制動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)目標(biāo)判別、預(yù)警/分級(jí)制動(dòng)與避撞等功能，提升現(xiàn)有AEB系統(tǒng)的可靠性。

1 汽車緊急制動(dòng)分層控制總體策略

圖1為汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)功能邏輯框圖，以分層式控制思想為基礎(chǔ)架構(gòu)搭建AEB控制系統(tǒng)，包括功能定義層、上層控制器、下層控制器及本車控制執(zhí)行器，行程閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

圖1 汽車AEB系統(tǒng)功能邏輯框圖

控制功能定義層依據(jù)當(dāng)前工況下的車輛信息，決定控制模式的選擇以及切換。當(dāng)預(yù)警信號(hào)發(fā)出后，若駕駛員未采取制動(dòng)措施，則系統(tǒng)將執(zhí)行模塊切換至節(jié)氣門開度控制模式，此時(shí)駕駛員若未采取制動(dòng)措施，并且系統(tǒng)判定有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則系統(tǒng)自動(dòng)切換至制動(dòng)壓力控制模式，及時(shí)進(jìn)行緊急制動(dòng)，避免車輛發(fā)生碰撞。

汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)的上層控制器根據(jù)信息采集模塊采集到的本車與前車的車速、相對(duì)距離、節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，輸出本車期望加速度。

由于上層控制器計(jì)算得到的本車期望加速度無法直接作用于本車，并且搭建的汽車動(dòng)力學(xué)模型存在誤差以及外界條件的干擾，因此，需要下層控制器將期望加速度轉(zhuǎn)化為控制加速度作用于本車。再經(jīng)由反饋將車輛的實(shí)時(shí)信息傳送進(jìn)控制模塊，進(jìn)入下一輪信息處理，形成閉環(huán)控制(如圖2所示)。

圖2 汽車AEB系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 汽車緊急制動(dòng)分層控制器設(shè)計(jì)

2.1 危險(xiǎn)目標(biāo)模糊判別控制器設(shè)計(jì)

危險(xiǎn)目標(biāo)判別控制器包含前方車輛換道判斷模塊、前方危險(xiǎn)目標(biāo)判斷模塊。

2.1.1前方車輛換道判斷模塊

相鄰車道前方車輛換道判斷模塊控制器基于模糊控制理論搭建，輸入為本車和前方目標(biāo)車輛的側(cè)向相對(duì)速度v、側(cè)向相對(duì)距離d，輸出目標(biāo)車輛換道進(jìn)入本車道的概率p。

1) 模糊化。本文在研究過程中考慮到本車與目標(biāo)車在實(shí)際行駛過程中側(cè)向相對(duì)速度、側(cè)向相對(duì)距離以及目標(biāo)車換道概率的變化范圍，采取5個(gè)模糊子集(NL，NM，ZE，PM，PL)對(duì)控制器的輸入、輸出進(jìn)行描述。

2) 確定隸屬度函數(shù)。選取三角形和梯形隸屬度函數(shù)[3,10]。設(shè)定側(cè)向相距離d隸屬度函數(shù)區(qū)間[-2，2.5] m(如圖3所示)，側(cè)向相對(duì)速度隸屬度函數(shù)區(qū)間[0，1] m/s，切入本車道概率p隸屬度函數(shù)區(qū)間[0.2，0.8]。

圖3 側(cè)向相對(duì)距離d隸屬度函數(shù)

3) 建立模糊規(guī)則庫。本文依據(jù)車輛在實(shí)際路況中的行駛規(guī)律和駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)，建立25條模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

4) 模糊推理與解模糊化。采用Mamdani模糊推理法對(duì)模糊集合進(jìn)行推理[11-12]，由于重心法能使系統(tǒng)輸出更為平滑，所以本文選用重心法對(duì)輸出量進(jìn)行模糊判決，獲得目標(biāo)車切入本車道的概率。

2.1.2前方危險(xiǎn)目標(biāo)判斷模塊

目標(biāo)車與本車的相對(duì)位置如圖4所示，所有車輛處于同向各直行車道內(nèi)，假設(shè)本車前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，本車左向?yàn)閥軸正方向。目標(biāo)車1相對(duì)于本車車頭的縱向距離與車身的橫向距離分別為drx和dry，則危險(xiǎn)目標(biāo)判斷控制器判斷邏輯如下。

1) 當(dāng)本車道前方有目標(biāo)車輛時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先將本車道前方的目標(biāo)車輛(目標(biāo)車3)設(shè)定為危險(xiǎn)目標(biāo)；

2) 在情況1)的基礎(chǔ)上，當(dāng)相鄰車道內(nèi)出現(xiàn)目標(biāo)車輛(目標(biāo)車1和目標(biāo)車2)，系統(tǒng)首先將所有目標(biāo)車輛的縱向距離(x1、x2、x3)進(jìn)行比較：

① 若x3

② 若x2

③ 若x3>x1且x3>x2，首先比較目標(biāo)車1和目標(biāo)車2的換道概率，選取換道概率大的目標(biāo)作為危險(xiǎn)車輛的“待選目標(biāo)”，然后基于安全時(shí)間模型計(jì)算出目標(biāo)車3的縱向碰撞時(shí)間TTCx與“待選目標(biāo)”的橫向碰撞時(shí)間TTCy，TTC較小的目標(biāo)即為危險(xiǎn)目標(biāo)車輛。

圖4 目標(biāo)車與本車相對(duì)位置示意圖

在y方向上，本車與目標(biāo)車1發(fā)生碰撞的條件如式(1)所示。

dry+vry×TTCy≤0

(1)

同理，可以類似得到右側(cè)車道車輛換道進(jìn)入本車道發(fā)生碰撞的條件。

TTC的總體計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：dr表示前后兩車間的相對(duì)距離；vr表示兩車間的相對(duì)速度。

2.2 基于有限狀態(tài)機(jī)的上層控制器設(shè)計(jì)

利用Matlab中Stateflow模塊將本車安全行駛狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)及分級(jí)制動(dòng)狀態(tài)間的切換邏輯進(jìn)行狀態(tài)流搭建，實(shí)現(xiàn)上層控制器中本車狀態(tài)邏輯的判斷，最終輸出本車的期望加速度。圖5為基于有限狀態(tài)機(jī)理論的上層控制器模型，模型的輸入變量為：前后車相對(duì)距離、一級(jí)制動(dòng)距離db1(該距離為制動(dòng)過程中兩輛車行駛的總路程之差與兩車間的最小安全距離之和，其中包含了駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)本車的行駛距離)、二級(jí)制動(dòng)距離db2、碰撞時(shí)間TTC、雷達(dá)探測信號(hào)、本車車速。輸出變量為：AEB系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)，其中“0”代表安全狀態(tài)，AEB系統(tǒng)不干預(yù)駕駛員駕駛車輛；“1”代表預(yù)警狀態(tài)，AEB系統(tǒng)以聲音和燈光提醒駕駛員有碰撞的危險(xiǎn)；“2”代表一級(jí)制動(dòng)狀態(tài)，上層控制器輸出-4 m/s2的期望加速度；“3”代表二級(jí)制動(dòng)狀態(tài)，上層控制器輸出-8 m/s2的期望加速度。

圖5 基于有限狀態(tài)機(jī)理論的上層控制器模型框圖

上層控制器能夠根據(jù)本車與前方危險(xiǎn)目標(biāo)車的相對(duì)距離、相對(duì)速度以及相對(duì)加速度計(jì)算出碰撞時(shí)間，當(dāng)碰撞時(shí)間達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警；當(dāng)本車與前方危險(xiǎn)目標(biāo)車的相對(duì)距離不斷縮小至由安全距離模型規(guī)劃出的一級(jí)制動(dòng)距離db1時(shí)，上層控制器輸出-4 m/s2的期望加速度；當(dāng)相對(duì)距離進(jìn)一步縮小至二級(jí)制動(dòng)距離db2時(shí)，上層控制器輸出-8 m/s2的期望加速度。

本文采用的一級(jí)制動(dòng)距離db1和二級(jí)制動(dòng)距離db2分別如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式(3)與式(4)中，db1為一級(jí)制動(dòng)距離；d0為兩車的最小安全距離；amax為兩車所能獲得的最大減速度;Th為駕駛員反應(yīng)時(shí)間；Ts為系統(tǒng)延遲時(shí)間。

2.3 汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)下層控制器設(shè)計(jì)

基于PID控制理論，構(gòu)建了汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)下層控制器(如圖6所示)。通過調(diào)整本車實(shí)際加速度與上層控制器得到的期望加速度偏差，得到本車控制加速度。

圖6 汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)下層PID控制器框圖

2.4 車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型及逆向模型建立

上層控制器根據(jù)前方危險(xiǎn)目標(biāo)規(guī)劃出的本車期望加速度無法直接作用于本車。本車的速度只能通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度或制動(dòng)器制動(dòng)壓力實(shí)現(xiàn)控制。因此，需要建立車輛縱向動(dòng)力學(xué)逆向模型(因篇幅所限，該理論模型可參見本課題組前期研究工作[13])，將期望加速度轉(zhuǎn)化成制動(dòng)器制動(dòng)壓力或者節(jié)氣門開度作用于本車，使車輛緊急制動(dòng)。

本文基于CarSim構(gòu)建了車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型(包含了動(dòng)力學(xué)的逆向模型)，如圖7所示，并在Matlab/Simulink中搭建節(jié)氣門/制動(dòng)壓力控制分配邏輯仿真模塊(如圖8所示)。

圖7 基于CarSim構(gòu)建的車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型框圖

圖8 期望制動(dòng)壓力控制分配邏輯仿真模塊框圖

基于CarSim構(gòu)建了車輛縱向動(dòng)力學(xué)模型，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 車輛動(dòng)力學(xué)模型主要參數(shù)

3 汽車緊急制動(dòng)分層控制仿真

3.1 危險(xiǎn)目標(biāo)模糊判別仿真結(jié)果

CarSim仿真工況設(shè)定：車道寬度4 m，以20 m/s勻速行駛；目標(biāo)車1位于左側(cè)車道中線，距本車前方30 m處，以20 m/s勻速行駛，4 s時(shí)以0.9 m/s橫向速度切入本車道；目標(biāo)車2位于右側(cè)車道中線，距本車前方50 m處，以20 m/s勻速行駛；目標(biāo)車3位于本車正前方80 m處，以20 m/s勻速行駛，4 s時(shí)，以-4 m/s2的縱向加速度進(jìn)行制動(dòng)，仿真過程中車輛位置如圖9所示。

圖9 危險(xiǎn)目標(biāo)判別仿真工況示意圖

基于上述的仿真工況，通過本文設(shè)計(jì)的前方車輛換道判斷模塊控制器得到了各目標(biāo)車的換道概率，其仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，目標(biāo)車1達(dá)到換道概率0.51的時(shí)刻為4.3 s，因而系統(tǒng)判定目標(biāo)車1在4.3 s時(shí)發(fā)生了換道行為，因此，目標(biāo)車1為潛在的危險(xiǎn)目標(biāo)。

圖10 目標(biāo)車換道仿真結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)判定相鄰車道前方車輛將會(huì)進(jìn)行換道時(shí)，會(huì)根據(jù)本車道內(nèi)前方車輛以及換道車輛的相對(duì)速度、相對(duì)距離等信息，通過安全時(shí)間模型計(jì)算出碰撞時(shí)間TTCx、TTCy并進(jìn)行比較，最終判斷出危險(xiǎn)目標(biāo)。危險(xiǎn)目標(biāo)判別控制器輸出了本車與目標(biāo)車1與目標(biāo)車3的碰撞時(shí)間，如圖11所示。

圖11 本車與目標(biāo)車碰撞時(shí)間

從圖11可以看出，在仿真時(shí)間4 s時(shí)，由于目標(biāo)車1開始向本車道靠近，目標(biāo)車3開始制動(dòng)，導(dǎo)致目標(biāo)車1與目標(biāo)車3的TTC值產(chǎn)生階躍信號(hào)。目標(biāo)車1在t=4 s時(shí)的TTCy=2.7 s，此后TTCy值以固定斜率逐漸降低；同時(shí)，目標(biāo)車3以4 m/s2的加速度做勻減速運(yùn)動(dòng)，在之后的較短時(shí)間內(nèi)，由于本車與目標(biāo)車3的相對(duì)速度較小，導(dǎo)致碰撞時(shí)間TTCx的值很大(TTCx最大值限定在10s)。從圖11可以進(jìn)一步得知，目標(biāo)車1的碰撞時(shí)間TTCy始終小于目標(biāo)車3的碰撞時(shí)間TTCx，因此，當(dāng)0 s

前方危險(xiǎn)目標(biāo)判斷模塊控制器輸出危險(xiǎn)目標(biāo)如圖12所示。其中，縱向刻度“1”“2”“3”分別代表目標(biāo)車1、目標(biāo)車2及目標(biāo)車3。仿真時(shí)間0～4.3 s控制器默認(rèn)本車道內(nèi)前方目標(biāo)車3為危險(xiǎn)目標(biāo)，在仿真時(shí)刻4.3 s，由于目標(biāo)車1被判為換道目標(biāo)且與本車的側(cè)向碰撞時(shí)間小于目標(biāo)車3的縱向碰撞時(shí)間。因此，控制器在4.3 s后判斷目標(biāo)車1為危險(xiǎn)目標(biāo)，控制器判別結(jié)果與預(yù)期一致。

圖12 危險(xiǎn)目標(biāo)判斷仿真結(jié)果

3.2 預(yù)警分級(jí)制動(dòng)策略仿真結(jié)果

基于C-NCAP典型測試工況，圍繞本車接近前方靜止車輛(CCRs)、本車接近前方低速車輛(CCRm)及本車接近前方緊急制動(dòng)車輛(CCRb)等不同車速條件下驗(yàn)證了本文策略的合理性。由于篇幅所限，本文重點(diǎn)給出了CCRs工況下本車以50 km/h的初速度接近前方100 m處靜止車輛的仿真結(jié)果以及CCRb工況下本車初速度為50 km/h接近前方40 m處緊急制動(dòng)車輛的仿真結(jié)果。

3.2.1CCRs工況下接近靜止車輛的仿真結(jié)果

本車以50 km/h的初速度接近前方100 m處靜止車輛，兩車最小安全距離d0設(shè)置為3 m，仿真步長為0.001 s。仿真結(jié)果如圖13所示。

從圖13可以看出，預(yù)警模塊在仿真時(shí)間t=4.2 s時(shí)進(jìn)入一級(jí)預(yù)警狀態(tài)。當(dāng)t=5.7 s時(shí)，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制本車進(jìn)入一級(jí)制動(dòng)狀態(tài)，期望加速度由0變?yōu)?4 m/s2，輸出的制動(dòng)主缸壓力由0升至2.7 MPa，節(jié)氣門開度降為0，本車開始進(jìn)行勻減速直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)t=6.2 s時(shí)，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制本車進(jìn)入二級(jí)制動(dòng)狀態(tài)，期望加速度降至-8 m/s2，控制器將制動(dòng)主缸壓力調(diào)整為5.4 MPa，本車實(shí)際加速度在期望加速度周圍上下小范圍波動(dòng)；在t=7.8 s時(shí)，本車剎停且與前車的相對(duì)距離為3.2 m。這說明本文提出的控制策略可以較好地實(shí)現(xiàn)CCRs工況下預(yù)警/分級(jí)制動(dòng)功能。

圖13 接近前方靜止車輛(CCRs)仿真結(jié)果

3.2.2CCRb工況下接近緊急制動(dòng)車輛的仿真結(jié)果

本車行駛速度為50 km/h，正前方40 m處的前車速度為50 km/h，突然以-4 m/s2加速度進(jìn)行減速行駛直至停止。兩車最小安全距離d0設(shè)置為3 m，仿真步長為0.001 s。仿真結(jié)果如圖14所示。

從圖14可以看出，預(yù)警模塊在仿真時(shí)間t=3.1 s時(shí)進(jìn)入一級(jí)預(yù)警狀態(tài)，當(dāng)自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)采取一級(jí)制動(dòng)時(shí)，預(yù)警解除。當(dāng)t=4.6 s時(shí)，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制本車進(jìn)入一級(jí)制動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)開始進(jìn)行一級(jí)制動(dòng)，輸出的期望加速度為-4 m/s2，制動(dòng)主缸壓力為2.7 MPa，此時(shí)系統(tǒng)控制汽車的節(jié)氣門開度降為0，本車保持勻減速直線運(yùn)動(dòng)；在t=5.1 s時(shí)，觸發(fā)二級(jí)制動(dòng)，系統(tǒng)輸出-8 m/s2的期望加速度，制動(dòng)主缸壓力為5.4 MPa，車輛以8 m/s2的減速度進(jìn)行勻減速直線運(yùn)動(dòng)。t=6.8 s后兩車相對(duì)距離為3.2 m，本車停止。仿真結(jié)果表明，本文提出的控制策略可以較好地實(shí)現(xiàn)避撞功能。

圖14 接近前方緊急制動(dòng)車輛(CCRb)仿真結(jié)果

4 結(jié)論

提出了安全距離-時(shí)間模型相結(jié)合的汽車緊急制動(dòng)系統(tǒng)分層控制策略。考慮了相鄰車道前方車輛換道工況，設(shè)計(jì)了換道判斷模糊控制器，以碰撞時(shí)間為依據(jù)進(jìn)一步構(gòu)建了本車前方危險(xiǎn)目標(biāo)模糊判別控制器?；谟邢逘顟B(tài)機(jī)與PID控制理論，設(shè)計(jì)了AEB系統(tǒng)上位與下位控制器?；诮Y(jié)合CarSim仿真環(huán)境與Simulink，進(jìn)行了AEB系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制器建模，針對(duì)CCRs工況接近前方靜止車輛與CCRb工況接近前方緊急制動(dòng)車輛典型工況進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明：本文提出的控制策略可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)目標(biāo)的準(zhǔn)確判別、預(yù)警/分級(jí)制動(dòng)以及避撞控制功能。