張惠玲 孔德學 敖谷昌③* 邵毅明*

(*重慶交通大學山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點實驗室 重慶 400074）

(**重慶交通大學交通運輸學院 重慶 400074）

0 引言

近年來,隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國的汽車保有量和駕駛員人數(shù)有了大幅增加,盡管交通運輸部每年公布的道路交通事故死亡人數(shù)有所下降,但事故數(shù)量仍然呈逐年增長態(tài)勢[1]。目前,避免交通事故發(fā)生、減緩交通事故嚴重程度已成為各級政府著力解決的問題,車輛主動防碰撞控制技術(shù)的開發(fā)也引起了全球各大汽車廠商的廣泛關(guān)注,車輛主動防碰撞系統(tǒng)進而成為了智能汽車的重要組成部分。車輛主動防碰撞系統(tǒng)是指利用攝像頭和雷達等傳感器設(shè)備檢測與前車的速度、距離和加速度等信息,實時評判車輛當前所處工況的危險程度,并且提醒駕駛員采取避撞措施的行駛安全設(shè)備[2]。對于配置有主動防碰撞系統(tǒng)的車輛,當其進入緊急危險工況時,如果駕駛員仍未采取有效的避撞操作,車輛將接管對制動系統(tǒng)的控制,采取主動制動以避免碰撞[3]。

據(jù)統(tǒng)計,在所有的道路交通事故中,汽車與固定物的碰撞是汽車碰撞的主要形式,占交通事故的60%～70%[4-6]。而汽車碰撞事故主要由駕駛速度過快、車距過小、駕駛員操作失誤等因素造成[5]。當駕駛員在發(fā)生碰撞前0.5 s 獲得預(yù)警信息,并及時采取避撞措施時,約50%的碰撞事故可以避免;若能提前1～2 s 得到預(yù)警,則可以避免90%的交通事故[7-8]。因此,為了提高道路行車安全水平和降低碰撞事故程度,研究出能夠準確模擬出車輛在進入危險行駛狀態(tài)的避撞模型,并制定一種安全、可靠、穩(wěn)定、有效的避撞控制策略,對汽車主動防碰撞控制技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

20 世紀末,國內(nèi)外很多汽車公司開始展開車輛主動安全控制的研究和開發(fā),其中本田公司提出了用安全距離來估計報警臨界距離和最小制動距離的算法[3]。福特公司基于城市道路低速行駛狀態(tài)汽車行駛特點,并結(jié)合激光雷達行人檢測技術(shù),提出了在不同行駛速度下的制動安全距離模型[9]。沃爾沃公司針對貨運汽車的特殊性和駕駛員的制動反應(yīng)特性,重新設(shè)定了主動控制系統(tǒng)的制動臨界距離界限[10]。馬自達公司根據(jù)駕駛員的反應(yīng)延遲和汽車制動滯后特性,提出了新的制動最小安全距離計算方法[8]。近年來,隨著汽車防碰撞系統(tǒng)研究的深入,各大汽車廠商相繼在智能汽車上裝備了先進駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance system,ADAS),該系統(tǒng)包含汽車主動報警避撞系統(tǒng)(collision warning/avoidance,CW/CA)、車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(adaptive cruise control,ACC)、自動緊急制動系統(tǒng)(autonomous emergency braking system,AEBS)、汽車前向防碰撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system,FCWS)等子系統(tǒng),可以避免70%的嚴重交通事故[11],其中AEBS 能夠避免27%的碰撞事故[12]。毫無疑問,車輛主動防碰撞系統(tǒng)在緩解道路交通事故、保障人車安全等方面具有重要作用,這種作用能否進一步強化,重點取決于主動防碰撞控制技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

本文概述車輛主動防碰撞控制技術(shù)的危險評估原理及其模型分類,以此對縱向主動防碰撞控制策略、制動與轉(zhuǎn)向協(xié)同控制策略進行綜述,并指出避撞預(yù)警策略應(yīng)體現(xiàn)駕駛員特性差異的重要性,以期為車輛主動防碰撞控制技術(shù)的進一步研究和發(fā)展提供理論參考。

1 危險評估模型

目前,國內(nèi)外對危險評估模型的研究主要包括基于碰撞時間的和基于制動安全距離的評估模型,同時針對常規(guī)的避撞危險評估模型存在特性參數(shù)考慮不足、魯棒性與普適性差的問題,提出了改進估計模型及其算法。

1.1 基于碰撞時間的危險評估模型

基于碰撞時間的危險評估模型是指從時間尺度上衡量自車當前運動狀態(tài)的危險程度,通過攝像頭、雷達和紅外等設(shè)備獲取與前車的實際間距和相對速度,將計算出的剩余碰撞時間(time to collision,TTC)與兩車間的預(yù)警時間閾值和制動時間閾值進行比較,并將結(jié)果反饋給車輛主動防碰撞控制系統(tǒng),指導(dǎo)其進行相應(yīng)的預(yù)警和制動避撞操作。最初的TTC 模型是由文獻[13]提出的,以其理論簡單成熟、輸入?yún)?shù)少等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于科學研究和車載避撞系統(tǒng)的開發(fā)。

TTC 模型認為,單獨從油門踏板操作來區(qū)分駕駛員的制動意圖可能會造成防撞系統(tǒng)失效,從而提出用碰撞時間來彌補駕駛員反應(yīng)延遲問題,將其作為判定道路危險程度的標準。當駕駛員發(fā)現(xiàn)前方障礙物后,系統(tǒng)可以及時進行減速,以達到避免碰撞的目的[13],TTC 模型的基本公式為

式中,TTC為碰撞時間(h);ds為前后行駛兩輛車之間的距離(km);vrel為前后行駛兩輛車的相對速度(km/h)。

基于對TTC 模型的理解,文獻[14]提出了一種駕駛員利用視覺信息控制其制動行為的理論。對駕駛員眼睛光學陣列的研究分析表明,視覺上最易獲取的信息是碰撞時間而不是關(guān)于車距、速度以及加速/減速,研究揭示了駕駛員如何使用視覺信息來預(yù)測車輛的碰撞時間、判斷制動時機和控制車輛的速度,使用碰撞時間TTC 作為主動防碰撞控制模型的參數(shù),更易體現(xiàn)駕駛員對危險行駛狀態(tài)的認知和判斷。但傳統(tǒng)基于視覺的防碰撞系統(tǒng)由于其普遍存在虛警率高、檢測率低等問題,只能用于特定交通環(huán)境條件下的避撞測試。為此,文獻[15]開發(fā)了一種使用單目攝像機的目標車輛測量估算方法,對檢測到的車道信息和攝像機識別模型進行數(shù)據(jù)融合,得到的TTC 估計結(jié)果具有更好的性能,提高了系統(tǒng)控制的魯棒性。文獻[16]引入一種組合滑移輪胎模型估計路面峰值摩擦力,可以避免視覺與雷達傳感器的測量誤差,利用最大路面摩擦力估算TTC 極限制動閾值,以提高避撞系統(tǒng)對不同路面情況的適應(yīng)性。

文獻[17]指出駕駛員感知前方目標車輛的大小主要取決于兩車間的距離,這種現(xiàn)象被稱為“l(fā)ooming”效應(yīng),并提出用碰撞時間倒數(shù)TTC-1來表征“l(fā)ooming”效應(yīng),能更好地體現(xiàn)駕駛員的避撞特性。如圖1 所示,主目標的寬度w是一定的,并且與間距R有以下幾何關(guān)系:

圖1 “l(fā)ooming”效應(yīng)示意圖

式中,w為目標寬度,R為前后車間距,θ為視線遮擋角。

碰撞時間倒數(shù)TTC-1的計算為

式中,vc、vp為自車速度和前車速度。

另外,文獻[3]針對前后車距、相對速度、相對減速等信息對傳統(tǒng)的TTC 建模方法進行改進,使車輛危險狀態(tài)評估結(jié)果更加準確、直觀,并指出當車速超過70 km/h 或前車出現(xiàn)緊急情況(如突發(fā)交通事故、行人橫穿馬路等)時車輛不能完全實現(xiàn)避撞。針對該問題,文獻[18]通過融合交通沖突數(shù)據(jù),結(jié)合碰撞時間TTC 對道路交通安全狀態(tài)進行評估,將極限安全時間閾值設(shè)定為3 s 甚至更小。文獻[19]則根據(jù)駕駛員在交叉口的制動行為偏好和反應(yīng)時間等參數(shù)對TTC 值進行了調(diào)整,通過修正閾值來提高車輛的避撞性能。文獻[20]提出一種參數(shù)可調(diào)的TTC 避撞算法,可以減少轉(zhuǎn)向避撞操作的風險,同時確保碰撞時間閾值可隨速度變化而實時進行調(diào)整,實現(xiàn)閉環(huán)集成控制。文獻[21]通過實車實驗數(shù)據(jù)提出了基于TTC-1的避撞控制判定評價指標,對國內(nèi)汽車主動安全系統(tǒng)的發(fā)展具有重大意義。同時,基于不同行駛速度工況對碰撞時間TTC 預(yù)警算法進行改進,可解決原有TTC 預(yù)警閾值在低速行駛工況存在預(yù)警過早和在高速行駛工況出現(xiàn)預(yù)警不及時的問題,對提高系統(tǒng)的預(yù)警精度有顯著效果[22-23]。

綜上所述,當前對基于碰撞時間的危險評估模型的研究已趨于成熟,TTC 值可以綜合反映前后兩車之間的相對距離和相對速度,作為評判車輛危險程度的指標。但當兩車之間的相對速度趨于零或各自速度較快的時候,系統(tǒng)并不能實現(xiàn)完全避撞,但是可以通過調(diào)整預(yù)設(shè)定的碰撞時間閾值、融合其他交通源數(shù)據(jù)以及改進避撞控制策略等方式,達到成功避免碰撞的目的。

1.2 基于安全距離的危險評估模型

基于安全距離的危險評估模型是指從距離尺度上衡量自車當前運動狀態(tài)的危險程度,與控制策略中的預(yù)警臨界距離和緊急制動臨界距離進行比較判斷,指導(dǎo)其進行預(yù)警和制動避撞操作。安全距離模型通過實時動態(tài)采集自車與前車之間的相對運動狀態(tài)參數(shù)以及其他相關(guān)因素估算出預(yù)警距離和緊急制動距離,保證車輛不發(fā)生碰撞。

最早的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)大都是基于安全距離模型設(shè)計的,比較典型的有Mazda 模型、Honda 模型、Berkeley 模型、Jaguar 模型和NHSTA 模型[24-30]。Mazda 模型[31]最早是由日本馬自達公司開發(fā)的,通過比較前后車間距與自車最小制動安全距離來判斷車輛是否進入危險狀態(tài)。Honda 模型[32]在Mazda模型的基礎(chǔ)上,通過分別計算預(yù)警臨界距離和制動臨界距離作為預(yù)警的指標,在降低誤警率方面表現(xiàn)較優(yōu)。Berkeley 模型[33]在前后車最大制動減速度方面對Mazda 模型做了進一步的改進,模型計算出的安全預(yù)警距離具有可靠性高、實用性強等優(yōu)點。Jaguar 模型根據(jù)前方目標的運動狀態(tài),分別設(shè)置了預(yù)警臨界距離的指標。NHSTA 模型通過設(shè)定只有當系統(tǒng)連續(xù)兩次檢測到前后車間距離小于預(yù)警安全距離時才會觸發(fā)警報,以提高系統(tǒng)預(yù)警魯棒性。

美國密歇根大學基于ICCFOT 數(shù)據(jù)庫對上述5種模型的漏報率和誤報率進行了評價,其中NHSTA模型表現(xiàn)的性能最好,但報警精確性僅有23%[34],說明該模型算法缺乏實用性。而Berkeley 模型相比其他模型,通過實時估計調(diào)整輪胎路面附著系數(shù)目標函數(shù)F(μ) 以適應(yīng)行駛路面與天氣的變化,可有效解決誤警率高、預(yù)警不及時的問題,該模型的計算公式為

式中,Dw為安全預(yù)警距離,a1為自車最大減速度,a2為前車最大制動減速度,ts為制動過程所需時間,d0為最小安全距離,Dbr為制動最小安全距離,分別表示駕駛員反應(yīng)時間和車輛制動延遲滯后時間,F(μ) 為路面附著系數(shù)目標函數(shù),μ、μmin、μmean分別為系數(shù)的估計值、最小值以及平均值。

安全距離模型主要是基于車輛間運動學關(guān)系建立的,需要實時獲取自車參數(shù)與外部環(huán)境信息[35],但某些關(guān)鍵參數(shù)以目前的環(huán)境感知技術(shù)很難獲得,且存在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性低、實用性較差以及駕駛環(huán)境條件考慮不足等方面問題,這些會干擾系統(tǒng)對障礙物的識別。為解決該問題,文獻[36]提出考慮汽車制動延遲特性和駕駛員期望減速度的制動安全距離預(yù)測算法,并且該系統(tǒng)在城市道路實車實驗中得到有效的驗證。文獻[37]提出綜合考慮駕駛員特征、交通路況以及車輛制動因素(driver road vehicle,DRV)的安全距離模型,利用文獻[38,39]提出的車速及輪胎滑移率模型對輪胎-路面附著系數(shù)進行估計,并對現(xiàn)有的Mazda 安全距離模型進行優(yōu)化和改進。圖2 是基于Prescan 軟件的仿真結(jié)果,可以看出DRV 安全距離模型較于Hideo Araki 模型能夠適應(yīng)不同駕駛員的操作特點,可以較好地解決因路況差異所造成的誤警率高的問題,充分考慮車輛間的制動性能差異,提高了模型的普適性,相比于Mazda 模型可以有效降低系統(tǒng)的虛警率。

圖2 3 種模型報警安全距離的仿真對比分析

現(xiàn)有安全距離模型通常是依據(jù)最大制動減速度建立的,但大多數(shù)駕駛員在實際行駛過程中無法充分發(fā)揮汽車的制動潛能,只有不到10%的駕駛員在實際制動時達到制動減速度的最大值,這一定程度上限制了傳統(tǒng)安全距離模型的應(yīng)用范圍[40-42]。由美國國家公路交通安全管理局[43]統(tǒng)計的駕駛員平均減速度與最大減速度的規(guī)律(見表1)可知,98%的駕駛員行車減速度不會超過-2.17 m/s2,而當減速度達到-3～-4 m/s2時會引起人體的不適。

表1 制動減速度統(tǒng)計規(guī)律

文獻[44]采用Zigbee 無線通信技術(shù)實時采集前后車的運行狀態(tài)信息,并根據(jù)前后車制動時間不同建立了動態(tài)選取安全預(yù)警距離的改進Berkeley 模型,以滿足不同制動減速度下對安全預(yù)警距離的需求。若假定在剎車系統(tǒng)介入之前,自車以勻速行駛,當主動制動系統(tǒng)生效時,自車減速度呈線性趨勢變化,如圖3 所示。

圖3 自車減速度變化趨勢

改進模型的安全預(yù)警距離計算公式為

綜上可知,現(xiàn)有的安全距離模型由于考慮的安全影響因素過于片面,其防碰撞控制模型未能模擬出真實道路的運行情況,而且模型種類繁多,缺乏廣泛的適用性,為此,未來研究將基于更復(fù)雜的行駛工況來優(yōu)化避撞控制模型。

1.3 基于實車數(shù)據(jù)的改進模型

單純依賴避撞時間或安全距離來進行避撞風險估計,無法充分發(fā)揮車輛避撞系統(tǒng)的潛能,而且國內(nèi)道路交通狀況、駕駛員操作習慣都有別于國外,直接使用現(xiàn)有系統(tǒng)的模型算法會導(dǎo)致其失效率大幅度提高。因此,需要通過對中國實際道路的風險評估展開實驗分析,并且對模型的相關(guān)參數(shù)進行改進,以適應(yīng)不同類型車輛和國內(nèi)各種城市行駛工況。基于實車數(shù)據(jù)對常規(guī)危險評估模型在影響因素考慮不全、評價指標單一、數(shù)據(jù)來源不足等方面進行綜合數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)對前車的避撞操作。

國內(nèi)的汽車廠商和高校對現(xiàn)有的車載主動防碰撞控制系統(tǒng)在我國道路上的表現(xiàn)進行了實驗分析,發(fā)現(xiàn)把TTC-1和安全距離進行融合建模,可以解決單一危險評價指標誤警率高的問題,重新估算的預(yù)警時間閾值、制動時間閾值、預(yù)警安全距離閾值以及制動最小安全距離閾值,可有效提高車輛制動的舒適性和安全性[45]。文獻[29]提出在常規(guī)的碰撞時間邏輯算法中將跟車時距(time headway,THW)和TTC 指標融合協(xié)調(diào)使用,通過實車實驗數(shù)據(jù)改進原有的碰撞時間閾值,給出了適應(yīng)不同車輛行駛工況下的安全預(yù)警距離計算公式。實驗結(jié)果表明該控制模型能夠在一定程度上改善道路交通狀況并提高道路運行效率。

同時,基于中國駕駛員的制動避撞行為特性對防碰撞控制模型做出了進一步的豐富與優(yōu)化,提出了以避撞減速度為主要特征參數(shù)的安全距離控制模型[46]、基于危險品運輸車輛的自主緊急制動控制模型[47]、基于中國駕駛員制動行為特性的車輛主動避撞控制模型[48],顯著提高了車輛防碰撞控制技術(shù)的適用性。

2 主動避撞控制策略

目前,國內(nèi)外研究者針對主動防碰撞控制策略的研究主要以提高車輛整體的安全性能為目標,圍繞縱向避撞控制策略、制動與轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)避撞控制策略展開研究。

2.1 縱向避撞控制策略

主動防碰撞控制系統(tǒng)通過雷達、攝像等環(huán)境感知技術(shù)獲取與前方目標車輛的距離、速度和加速度等信息,判斷自車與前車發(fā)生碰撞的危險程度,并采取一系列警告、制動輔助及自主緊急制動等措施,幫助駕駛員避免碰撞或減緩碰撞嚴重程度[49]。主動防碰撞控制系統(tǒng)工作的關(guān)鍵是不同功能階段的預(yù)警時機,合理的避撞控制策略應(yīng)該既能達到安全避撞的需求,又不對駕駛員的正常行駛造成干擾,預(yù)警過早與過晚都無法起到有效避撞的目的[50]。因此,縱向避撞輔助系統(tǒng)控制策略的制定應(yīng)結(jié)合車輛的實際運行狀態(tài),幫助駕駛員識別前方道路的危險障礙物,通常是以安全距離和碰撞時間閾值兩個參數(shù)作為系統(tǒng)輸出駕駛輔助信號的依據(jù)。

縱向避撞控制應(yīng)該以駕駛員主動控制操作為優(yōu)先級,如圖4(a)所示,只在前后車距小于最小緊急制動安全距離、碰撞剩余時間小于(t4-t3)時,系統(tǒng)才會采取緊急自主制動。圖4(b)中顯示出避撞輔助系統(tǒng)的車輛速度變化特性,表明在緊急制動情況下,在駕駛員認識到碰撞風險后,制動輔助系統(tǒng)將對駕駛員的制動反應(yīng)延遲時間進行補償。而當自車位于提示報警區(qū)和緊急報警區(qū),碰撞時間剩余在t1、t3之間時,以聲音報警或者間歇輔助制動方式來提示駕駛員。系統(tǒng)可以根據(jù)前后車之間的距離或者時間實時判斷該車處于圖4 中的哪個階段,從而采取相應(yīng)的制動操作。

圖4 縱向制動控制系統(tǒng)工作原理

式中,fd為危險狀態(tài)因子,Dw為安全預(yù)警距離,Db為緊急制動距離,D為前后車實際距離。當fd ＜0時,表示車距大于報警距離,位于安全狀態(tài);當0 ≤fd ＜0.5 時,表示車距剛進入報警距離,處于系統(tǒng)警告和預(yù)制動狀態(tài);0.5 ≤fd ＜1 時,表示車距接近緊急制動距離,進入系統(tǒng)輔助制動階段,在該階段若駕駛員未采取減速或者其他避險措施,該系統(tǒng)將接管車輛;當fd≥1 時,表示車距達到緊急制動距離,進入緊急制動階段。

危險系數(shù)fd本質(zhì)上是基于車輛間運動學關(guān)系的線性距離指標,但當車輛速度過大或者以較高的相對速度減速時,系統(tǒng)不一定能夠?qū)囕v危險狀態(tài)做出實時準確的評估,系統(tǒng)預(yù)警觸發(fā)不及時,以至于無法避免碰撞。文獻[53]在前向避撞系統(tǒng)FCW 的基礎(chǔ)上開發(fā)出避撞指標協(xié)調(diào)控制(collision avoidance metrics partnership,CAMP)算法,提高了系統(tǒng)在極端高碰撞危險情況的避險能力。文獻[51]采用一種基于時間的危險判定指標Tbuffer,能直觀反映車輛實時的碰撞時間余量,充分利用了車輛運動狀態(tài)、駕駛員習慣特性以及行駛路況等信息。

2.2 轉(zhuǎn)向與制動協(xié)調(diào)避撞策略

縱向防碰撞控制的制動距離會隨車速呈指數(shù)增長,增加汽車行駛安全距離,極大降低道路使用效率,因此在高速工況下不適宜采用縱向制動來規(guī)避碰撞[45]。根據(jù)已有的研究成果,如圖5 所示的轉(zhuǎn)向避讓操作可以減少24%以上的追尾事故[54],而且隨車速的升高,駕駛員通過轉(zhuǎn)向操作來避讓碰撞的趨勢會有所增加[55]。

圖5 轉(zhuǎn)向避撞操作過程

系統(tǒng)轉(zhuǎn)向操作的工作原理如圖6 所示,其中rr代表自車和前方障礙物車輛的安全半徑,圓內(nèi)為斥力場安全區(qū)域;rmin為自車轉(zhuǎn)向避撞的最小安全半徑,其與車輛前后軸間距和前輪轉(zhuǎn)角有關(guān),當前后車間距ds≤0.5rmin,在相鄰車道暢通的前提條件下,系統(tǒng)會自動操縱方向盤的轉(zhuǎn)向角度以避開碰撞。文獻[56-58]指出駕駛員采用轉(zhuǎn)向回避碰撞的比例會隨著碰撞時間TTC 的減少而增加;而且轉(zhuǎn)向避撞相對于制動避撞在高相對速度、低附著系數(shù)、低重疊率的工況下能發(fā)揮更大的避撞潛能[45,59-61]。然而,目前國內(nèi)大多數(shù)外學者都將制動和轉(zhuǎn)向2 種避撞方式孤立看待,均未能充分發(fā)揮車輛的避撞潛力,而采用制動、轉(zhuǎn)向聯(lián)合規(guī)避危險的研究較少。所以通過模擬駕駛員的避撞決策邏輯,實時準確評判碰撞危險程度,將制動和轉(zhuǎn)向相結(jié)合來幫助駕駛員實現(xiàn)主動避撞是未來主動避撞技術(shù)的核心[62-64],具體的制動與轉(zhuǎn)向避撞決策邏輯如圖7 所示。

圖6 車輛轉(zhuǎn)向操作斥力場簡化模型

圖7 制動與轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)決策邏輯

轉(zhuǎn)向和制動協(xié)調(diào)控制的防撞策略是通過車輛動力學預(yù)測車輛的未來行駛軌跡?；诖?文獻[65]提出一種采用非線性模型預(yù)測控制的轉(zhuǎn)向和制動同時進行的避撞策略,其通過對車輪轉(zhuǎn)向角度和橫向加速度設(shè)定約束條件,提高了轉(zhuǎn)向避撞的安全穩(wěn)定性,并利用仿真軟件驗證了緊急情況下所提出策略的優(yōu)越性能,如圖8 所示,在高相對速度情況下轉(zhuǎn)向與制動協(xié)調(diào)控制相對于其他方法對極限避撞車距的需求更小。

圖8 不同控制策略的避撞車距需求[65]

此外,文獻[66]基于一維追尾碰撞模型推導(dǎo)出二維狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向避撞控制模型,構(gòu)建如圖9 所示的CarSim 駕駛模擬場景,驗證該控制算法和轉(zhuǎn)向干預(yù)系統(tǒng)在前車發(fā)生突發(fā)事故或者緊急情況時,能有效幫助車輛避開前方的動態(tài)障礙物,降低碰撞的可能性,仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖9 駕駛模擬器實驗仿真[66]

圖10 車速為90 km/h 時的仿真結(jié)果[66]

目前,車輛轉(zhuǎn)向換道路徑模型的研究主要是基于幾何法規(guī)劃換道軌跡。文獻[67]提出采用β樣條曲線得到的車輛換道軌跡具有連續(xù)曲率,提供了無碰撞的平滑路徑。文獻[68]提出一種基于貝塞爾曲線的車輛路徑生成方法,可以通過調(diào)整曲線控制點來變化曲線形狀,并證實在二維、三維空間中利用該方法生成路徑具有不錯的表現(xiàn)。文獻[69]提出的正弦函數(shù)換道軌跡模型具有模型全局收斂快、曲線簡單、平滑性好等優(yōu)點,而且通過設(shè)定系統(tǒng)側(cè)向加速度限值避免車輛轉(zhuǎn)向失穩(wěn),提高了駕駛員的舒適度。在國內(nèi),因五次多項式避撞換道路徑[70-74]的曲線連續(xù)光滑、符合駕駛軌跡行為特征而被廣泛應(yīng)用。

但是轉(zhuǎn)向避讓也應(yīng)滿足相鄰車道的安全距離約束,以避免不合理的轉(zhuǎn)向動作導(dǎo)致車輛出現(xiàn)失穩(wěn)、側(cè)翻等危險工況。文獻[75]的研究數(shù)據(jù)表明因車輛變道而導(dǎo)致的車禍占總車禍的5%,占總車禍死亡人數(shù)的7%,而且由轉(zhuǎn)向變道造成的交通事故都非常嚴重。由此可見,開發(fā)出可以穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)向變道軌跡規(guī)劃模型是轉(zhuǎn)向避撞控制的關(guān)鍵。

3 避撞系統(tǒng)的差異化預(yù)警

基于運動學公式與碰撞時間設(shè)計的系統(tǒng)預(yù)警策略對駕駛員和不同路況的適應(yīng)性都不夠,且實際道路中行駛環(huán)境錯綜復(fù)雜,會大幅度降低控制系統(tǒng)的運行準確性。為解決在系統(tǒng)并未發(fā)生故障和失效的情況下,因其技術(shù)局限性而導(dǎo)致的不合理事故風險,國內(nèi)外的汽車廠商制定了預(yù)期功能安全(safety of the intended functionality,SOTIF)的行業(yè)規(guī)范。在SOTIF 方法論中,將駕駛場景分為已知安全、已知危險、未知危險和未知安全4 個部分,當前的研究熱點主要是針對已知危險和未知危險這兩個場景的識別和安全設(shè)計。基于此,文獻[76]指出為了提高控制系統(tǒng)的安全性和可靠性,實車路試和仿真測試必須在高維度和復(fù)雜的交通場景下進行,通過不斷地積累實驗數(shù)據(jù),逐漸將未知危險轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎L險,而且還要充分考慮駕駛員的差異性以及不同程度下的人機交互作用。

另有研究指出,駕駛員因其年齡、性別、性格以及駕齡等因素的差異有著不同的駕駛特性,而且該特性會隨著道路行駛工況的變化而呈現(xiàn)出不同的駕駛習慣[77-78]。為此,考慮駕駛員特性的避撞預(yù)警研究也得到了很多研究者的關(guān)注。

文獻[79]提出更符合駕駛員操作特性的碰撞危險評估算法,并設(shè)計大量事故場景進行模擬,降低了系統(tǒng)的誤警率?；诘退傩旭偣r,文獻[80]開發(fā)出充分考慮駕駛員和乘客舒適性的避撞預(yù)警算法。文獻[81]設(shè)計了一種基于駕駛員行為特征、視覺特性以及生理特征的監(jiān)督學習碰撞預(yù)測模型,顯著提高了模型對碰撞危險工況識別的準確性,通過量化駕駛員的危險狀態(tài)作為輸入?yún)?shù)驗證了碰撞模型預(yù)測的有效性。文獻[24]提出車輛的安全預(yù)警距離可以根據(jù)不同駕駛員的心理安全范圍來確定:

式中,th表示駕駛員心理最小安全時間,一般取0.5～1.5 s[24]。

文獻[82]基于實車數(shù)據(jù)展開對駕駛行為變化特性的分析,對每位駕駛員釋放加速踏板和制動啟動時刻的TTC 值進行聚類分析,根據(jù)駕駛員面臨危險時的制動行為特征將其分為謹慎、正常、激進3類,并對不同風格的駕駛員設(shè)定相應(yīng)的預(yù)警和制動閾值。文獻[51]指出防碰撞控制系統(tǒng)預(yù)警時間標定要綜合考慮駕駛員反應(yīng)時間和車輛制動持續(xù)時間,因此根據(jù)不同類型的駕駛風格對圖4 的預(yù)警時間和報警時間給出了如表2 所示的標定結(jié)果。文獻[83]利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對不同駕駛員群體的制動深度、TTC-1、駕駛員反應(yīng)時間等特征參數(shù)進行學習,建立了可以有效預(yù)測駕駛員待制動行為的非線性關(guān)系知識庫,對降低誤警率有顯著效果。

表2 預(yù)警時間標定

由于駕駛?cè)后w的差異性和復(fù)雜性,可以表征駕駛特性的因素有很多,而諸如駕駛員情緒、車內(nèi)外視野、路況等很難用參數(shù)量化來表征,因此當前的研究還未能全面考慮所有干擾因子對駕駛行為預(yù)測模型的影響,這些將會成為未來避撞控制預(yù)警系統(tǒng)的一個重要研究方向。

4 展望與挑戰(zhàn)

當前國內(nèi)外學者針對控制模型參數(shù)設(shè)定以及避撞控制策略等關(guān)鍵技術(shù)開展了深入的研究,并取得了豐富的研究成果,但尚有許多方面值得進一步探索。

(1)采取合理的制動減速度

通常避撞系統(tǒng)在緊急制動階段都會采取最大減速度來估算避撞距離,這與實際駕駛情況不符,而且當加速度過快時駕駛員會產(chǎn)生不適感,導(dǎo)致運輸車輛貨物受到損壞。所以根據(jù)行駛車輛的實際情況并且結(jié)合其運行特性選擇合理的制動減速度尤為關(guān)鍵。

(2)復(fù)雜危險工況下制動與轉(zhuǎn)向的協(xié)調(diào)控制

在危險緊急工況下駕駛員潛意識會優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)向避讓碰撞目標,轉(zhuǎn)向操作在陰雨濕滑路面、高速工況下比制動避撞表現(xiàn)效果更優(yōu)。采取轉(zhuǎn)向方式來避開前方危險車輛,不僅需要考慮相鄰左邊車道的轉(zhuǎn)向安全約束條件,還需駕駛員有足夠的經(jīng)驗應(yīng)付緊急轉(zhuǎn)向行為而導(dǎo)致車輛失穩(wěn)的后果。因此研究者將會根據(jù)各種危險工況來豐富和完善制動轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制模式,并提升其安全性與穩(wěn)定性。

(3)避撞系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)駕駛行為的差異性

系統(tǒng)應(yīng)通過不斷積累駕駛員行為數(shù)據(jù),自適應(yīng)學習不同駕駛員在遇到危險時的反應(yīng)時間和制動習慣等信息,深入探索干擾駕駛員決策和感知的影響因素,研究其變化規(guī)律,建立預(yù)測準確率高的駕駛員制動行為知識庫,并確保駕駛的舒適性。