陳建偉,白書戰(zhàn)*,詹君,李國祥

1.山東大學 能源與動力工程學院,山東 濟南 250061;2.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261061

0 引言

作為智能輔助駕駛系統(tǒng)的重要組成部分,汽車主動避撞系統(tǒng)能有效提高車輛的主動安全性,減少碰撞事故的發(fā)生[1]。當系統(tǒng)檢測到自車與前方目標存在碰撞風險,立刻以聲、光等方式警告駕駛員,若駕駛員未做出正確反應,碰撞風險超出閾值,系統(tǒng)主動制動,避免碰撞或減輕碰撞[2-3]。國內(nèi)外眾多研究人員對碰撞風險評估模型進行了研究:裴曉飛等[4]以避撞時間余量判斷當前行駛工況存在的碰撞風險,基于駕駛員避撞動作特性設計了一種分級避撞控制算法;郭祥靖等[5]基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡預測碰撞時間(time to collision, TTC),評估碰撞風險,采用分層控制以提高車輛的主動安全性;Yang等[6]提出一種行人避撞預警模型,模型上層采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制,下層為比例積分微分(proportional integral differential, PID)控制器,實現(xiàn)了避免行人碰撞和確保行人生命安全的功能要求。

在用的汽車主動避撞系統(tǒng)控制策略一般以安全距離或TTC為依據(jù)對碰撞風險進行評估[7-9],該類模型易出現(xiàn)減速過多、制動結(jié)束時與前車距離過大等問題[10]。為提高車輛控制的安全性,本文中以充分考慮車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數(shù)設計碰撞風險評估模型,并通過TruckSim和Simulink聯(lián)合仿真對搭建的碰撞風險評估模型進行驗證,為重型商用車主動避撞系統(tǒng)設計提供參考。

1 碰撞風險評估模型總體框架

以充分考慮車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數(shù)設計碰撞風險評估模型。模型采用分級避撞控制策略,上層控制器基于碰撞風險指數(shù)對當前車輛的碰撞風險進行評估,根據(jù)自車車速選擇合適的TTC閾值,根據(jù)TTC閾值確定預期制動加速度aexp;下層控制器通過PID調(diào)節(jié)上層控制器輸出的期望制動加速度,計算制動壓力,對車輛實施分級避撞策略。搭建的重型商用車碰撞風險評估模型總體框架如圖1所示。

圖1 重型商用車碰撞風險評估模型總體框架

2 分級避撞控制策略設計

2.1 碰撞風險指數(shù)

相比于傳統(tǒng)的碰撞時間模型,以充分考慮相對距離、相對速度和相對加速度等車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數(shù),更能有效地預估自車的碰撞風險。碰撞風險指數(shù)tTTC關(guān)于相對速度vrel、相對加速度arel和相對距離drel的狀態(tài)函數(shù)可表示為:

式中:vrel=v0-v1,其中v0、v1分別為自車速度、前車速度;arel=a0-a1,其中a0、a1分別為自車加速度、前車加速度。

前車開始制動到停止需要的時間tf=-v1/a1[11]。tf>tTTC,表示在發(fā)生碰撞時前車仍在運動;tf≤tTTC,表示在發(fā)生碰撞時前車已停止。

2.1.1 碰撞時前車未停止

碰撞風險指數(shù)

當前車速度及加速度均大于自車(vrel≤0且arel≤0)時,無碰撞風險,所以只考慮tTTC大于0的情況。

2.1.2 碰撞時前車已停止

碰撞風險指數(shù)

(1)

如果前方為靜止目標,即v1=a1=0時,式(1)可簡化為:

2.2 分級避撞控制策略

碰撞風險指數(shù)tTTC能實時定量反映出車輛距離碰撞事故發(fā)生的時間余量。車輛行駛時,當tTTC小于相應的一級制動時間閾值t1或二級制動時間閾值t2時,為保持車輛在避撞系統(tǒng)介入制動過程中的穩(wěn)定性,采用分級避撞的控制策略,控制策略流程如圖2所示。

圖2 分級避撞控制策略流程圖

2.2.1 期望制動加速度

駕駛員在制動過程中的反應大致分為2個階段:碰撞風險較低時采取較低加速度的一級制動,碰撞風險極高時使用全力進行減速的二級制動。文獻[7]分析了100起輕微碰撞事故中駕駛員的制動過程,統(tǒng)計一、二級制動加速度aa1、aa2,按區(qū)間分布如表1所示。表1中g(shù)為自由落體加速度。

由表1可得:輕微碰撞事故中駕駛員分級制動時,平均一級加速度為-0.41g,平均二級加速度為-0.71g。因此,將分級避撞控制策略中一級制動期望加速度設為-4.0 m/s2,二級制動設為-8.0 m/s2,則分級避撞策略中的制動期望加速度

表1 輕微碰撞事故中駕駛員分級制動加速度統(tǒng)計

2.2.2 TTC閾值

以固定的TTC閾值判定碰撞風險將導致主動避撞系統(tǒng)無法適應不同的車速工況,因此,應區(qū)分不同的行駛工況,分段設置TTC閾值。自車車速低于30 km/h時為低速行駛工況,處于30～60 km/h時為中速行駛工況,高于60 km/h時為高速行駛工況。在評估自車碰撞風險時,根據(jù)自車車速選擇對應行駛工況的TTC閾值作為分級避撞控制策略的判定條件。

典型的TTC閾值設置為:當系統(tǒng)檢測到碰撞風險,在碰撞前2.6 s向駕駛員發(fā)出預警,在碰撞前1.6 s進行0.2倍部分制動,在碰撞前0.6 s全力制動。不考慮駕駛員的反應時間和預警時間,文獻[12]在自車車速為50 km/h的行駛工況下,基于典型的t1和t2,仿真計算制動停車,自車距前車的距離L,結(jié)果如表2所示。

表2 典型TTC閾值下停車后兩車距離仿真結(jié)果

由表2可知:兩級制動時間閾值過大時,自車制動停車時距前車距離過大,易干擾駕駛員的正常操作;兩級制動時間閾值過小時,自車制動停車時與前車距離過小,主動避撞系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。綜合考慮車速、路面摩擦和表2數(shù)據(jù),為達到既不干擾駕駛員正常駕駛又能在危險時刻實現(xiàn)主動避撞,不同行駛工況的TTC閾值設置為:低速行駛工況時t1=1.3 s,t2=0.4 s;中速行駛工況時t1=1.6 s,t2=0.6 s;高速行駛工況時t1=1.9 s,t2=0.9 s。

2.2.3 PID誤差控制

為減小期望制動加速度的誤差,提高控制精度,采用PID控制器進行誤差調(diào)節(jié)。控制誤差期望e(t)為期望制動加速度aexp和實際制動加速度a0之差,即e(t)=aexp-a0。搭建的期望制動加速度PID誤差控制器如圖3所示。

圖3 期望制動加速度PID誤差控制器

3 仿真驗證

3.1 碰撞風險評估仿真模型

在TruckSim中搭建車輛模型和仿真場景,某重型商用車的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。在Simulink中搭建分級避撞控制策略,與TruckSim模塊組成碰撞風險評估模型,如圖4所示。TruckSim車輛模型輸出相對距離、相對車速、自車車速、自車加速度等,輸入至分級避撞控制策略中,Simulink計算期望制動主缸壓力pexp。根據(jù)文獻[13]的測試方法,選擇前車靜止、前車慢行和前車制動3種仿真工況對搭建的碰撞風險評估模型進行仿真驗證。

表3 某重型商用車的主要技術(shù)參數(shù)

圖4 碰撞風險評估模型聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 前車靜止工況

前車靜止,自車勻速行駛,速度為40 km/h,距前車100 m。前車靜止工況的期望制動加速度、相對速度和相對距離仿真結(jié)果如圖5所示。

a)期望制動加速度 b)相對速度 c)相對距離

由圖5a)可知:自車勻速行駛7.301 s檢測到一級碰撞風險,期望制動加速度為-4.0 m/s2,實施一級制動;行駛9.269 s檢測到二級碰撞風險,期望制動加速度為-8.0 m/s2,實施二級制動。由圖5b)、c)可知:經(jīng)過9.614 s自車完成制動并停車,此時距離前車2.668 m。

3.2.2 前車慢行工況

前車以20 km/h的速度慢行,自車以50 km/h的速度勻速行駛,距前車100 m。前車慢行工況的期望制動加速度、相對速度和相對距離仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:自車以勻速行駛10.279 s檢測到一級碰撞風險,期望制動加速度為-4.0 m/s2,實施一級制動;行駛11.9 s檢測到二級碰撞風險,期望制動加速度為-8.0 m/s2,實施二級制動;經(jīng)過12.3 s完成制動并停車,此時距離前車3.276 m。

a)期望制動加速度 b)相對速度 c)相對距離

3.2.3 前車制動工況

前車初始車速為50 km/h,以-4.0 m/s2的加速度制動,自車以50 km/h的速度勻速行駛,距離前車40 m。前車制動工況的期望制動加速度、相對速度和相對距離仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:自車勻速行駛1.727 s檢測到一級碰撞風險,期望制動加速度變?yōu)?4.0 m/s2,實施一級制動;3.705 s檢測到二級碰撞風險,期望制動加速度為-8.0 m/s2,實施二級制動;經(jīng)過3.85 s完成制動并停車,此時距離前車2.077 m。

a)期望制動減加速度 b)相對速度 c)相對距離

前車靜止、前車慢行和前車制動3種工況的仿真驗證結(jié)果表明,該分級避撞控制策略能快速識別碰撞風險并及時制動,制動完成后與前車的距離為2.077～3.267 m,可有效避免碰撞。

4 結(jié)束語

以充分考慮車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數(shù)設計重型商用車的避撞風險評估模型,根據(jù)碰撞事故數(shù)據(jù)和典型行駛工況的TTC閾值仿真結(jié)果確定期望制動加速度和分段TTC閾值;搭建TruckSim和Simulink聯(lián)合仿真模型,對前車靜止、前車慢行和前車制動3種工況的重型商用車碰撞風險模型進行仿真驗證。

基于碰撞風險指數(shù)設計的分級避撞控制策略在3種工況下均能快速識別碰撞風險,并及時制動,制動完成后與前車的距離為2.077～3.267 m,有效避免了碰撞。