袁朝春，李道宇，吳 飛，劉逸群，張龍飛

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

隨著汽車保有量的快速增長，道路交通安全問題已經(jīng)成為各國政府和社會廣泛關(guān)注的重要問題。美國國家高速公路安全委員會(NHTSA)的調(diào)研表明［1］:在道路交通致死事故中，因駕駛員過失造成的約占90%，而因車輛故障造成的僅占約3%。盡管采用了越來越多的被動安全技術(shù)(如安全氣囊、安全帶、行人保護(hù)和吸能車體等)減輕了事故的傷害程度，但引發(fā)交通事故的原因未得到根本解決。通過對本車(主動避撞車)縱向運(yùn)動狀態(tài)的控制發(fā)現(xiàn)，使本車與前方目標(biāo)保持合適的距離或自動維持本車的某種運(yùn)動狀態(tài)可實現(xiàn)汽車的縱向主動避撞。

汽車縱向避撞系統(tǒng)通過降低車速和保持足夠的車間距離來實現(xiàn)行車安全目標(biāo)。而智能電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是通過轉(zhuǎn)向操作，把自車和交通參與者的橫向距離維持在一個合理的范圍內(nèi)。

由于道路容量與車速成正比而與車間距離成反比，過低的車速和過大的車間距離會導(dǎo)致道路交通效率的降低。因此，應(yīng)用于汽車避撞系統(tǒng)的安全距離模型必須兼顧行車安全和道路交通效率兩方面的要求。針對不同的工況和系統(tǒng)功能要求，這兩方面應(yīng)有所側(cè)重。

國內(nèi)外的學(xué)者們提出了多種駕駛安全距離模型，利用安全距離的實時計算結(jié)果與實際車間距之間的關(guān)系進(jìn)行行車安全狀態(tài)的判斷。這些模型主要有基于制動過程運(yùn)動學(xué)分析的安全距離模型［2］、基于車間時距的安全距離模型［3－4］、駕駛員預(yù)瞄安全距離模型［5］?，F(xiàn)有安全距離模型主要是以制動系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)為控制對象，當(dāng)應(yīng)用于汽車主動避撞研究時存在準(zhǔn)確性較低、不能適應(yīng)復(fù)雜多變交通環(huán)境的需要、某些關(guān)鍵參數(shù)在現(xiàn)有技術(shù)條件下不易獲得、實用性較低及對駕駛員主觀感受因素考慮不夠等方面的問題。

影響車輛安全距離的因素主要有:①車輛制動系統(tǒng)性能;② 道路交通信息狀況;③ 駕駛員反應(yīng)能力?，F(xiàn)有的安全距離模型還不能同時反映這3個方面因素。

筆者通過綜合考慮駕駛員因素、交通路況因素和車輛制動性能因素等，建立了DRV安全距離模型，通過Prescan仿真平臺對DRV安全距離模型的有效性進(jìn)行了驗證。

1 現(xiàn)有安全距離模型分析

現(xiàn)有安全距離模型比較有代表性的有如下2個模型［5－7］:

1)Hideo Araki安全距離模型

其中:dw為安全車距;v1，a1代表自車當(dāng)前的速度和加速度;v2，a2代表前方交通參與者的速度和加速度。此模型考慮了前后車的運(yùn)動關(guān)系，并且根據(jù)前后車當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)分為2種情況:當(dāng)自車速度相對比較小時，最終制動結(jié)束的條件為兩車速度相等;當(dāng)自車相對速度比較大時，制動結(jié)束條件為兩車的速度均為0。

可以看出:該模型沒有考慮駕駛員和道路狀況因素對安全距離的影響。

2)馬自達(dá)公司安全距離模型

其中:dw為安全車距;v1，a1代表自車當(dāng)前的速度和加速度;v2，a2代表前方交通參與者的速度和加速度;td為駕駛員反應(yīng)時間;tbrk為制動系統(tǒng)響應(yīng)時間;d0為兩車安全車距。

該模型的基本思想是:當(dāng)前方交通參與者(或障礙物)以穩(wěn)定的制動減速度減速時，后車傳感器發(fā)現(xiàn)并開始向系統(tǒng)傳達(dá)這種信息;當(dāng)前后距離低于制動距離時系統(tǒng)給制動器發(fā)出指令，自車開始減速，最后兩者相對速度為零，此時兩車相距d0。模型中系統(tǒng)延遲時間和自車減速時間2個參數(shù)是通過大量實驗測定的，本模型中前后兩車的加速度分別取了不同值。

可以看出:該模型沒有考慮道路狀況對車輛安全距離的影響。

2 DRV安全距離模型

綜合考慮駕駛員因素(driver factor)、交通路況因素(road factor)和車輛制動性能因素(vehicle factor)，建立DRV安全距離模型。

2.1 輪胎－路面附著系數(shù)辨識

根據(jù) Luis Alvarez 等的研究成果［8－9］，輪胎－路面附著系數(shù)和車速及輪胎滑移率有關(guān)，其辨識函數(shù)如式(3)所示。

式中:μ為輪胎－路面附著系數(shù);λ為輪胎滑移率;v為車輛行駛速度;pi(i=1，2，…，5)為常數(shù)(同一車型參數(shù)固定)。表1為某車型pi常數(shù)取值。表2為常見路面輪胎附著系數(shù)。

表1 某車型pi常數(shù)取值

表2 常見路面輪胎附著系數(shù)

2.2 駕駛員制動反應(yīng)時間建模

駕駛員駕駛能力、疲勞狀態(tài)和環(huán)境因素是對車輛制動安全距離起主要影響的因素，形成對駕駛員反應(yīng)時間進(jìn)行評估的狀態(tài)向量:X=(X1，X2，X3)，其中 0≤Xi≤100，i=1，2，3

各向量對駕駛員反應(yīng)時間影響的權(quán)重為wi，

采用綜合加權(quán)法構(gòu)造駕駛員反應(yīng)時間影響評估函數(shù):

其中Tnormal－d=1.25 s，為普通駕駛員在正常狀態(tài)的制動反應(yīng)時間。

2.3 最大制動減速度建模

車輛實際制動能力受車輛性能參數(shù)、輪胎－路面摩擦因數(shù)和實際駕駛環(huán)境等的影響。假設(shè)車輛制動系統(tǒng)可以發(fā)揮道路的最大制動效能，則最大制動減速度主要受輪胎－路面摩擦因數(shù)和實際駕駛環(huán)境的影響。圖1為車輛受力分析情況。

圖1 車輛受力分析

當(dāng)車輛制動系統(tǒng)可以發(fā)揮最大制動效能時，

式中:μ為輪胎－路面附著系數(shù);m為整車載荷;α為摩擦力和水平方向夾角。

經(jīng)過計算可知在不同駕駛環(huán)境下，車輛制動最大制動減速度為:

式中ar－max為最大制動減速度。

2.4 DRV安全距離模型建模

在現(xiàn)有車輛制動安全距離模型的基礎(chǔ)上［10－11］建立 DRV 模型。

其中:Dw，Dbr分別為追尾碰撞報警距離和自動制動距離;V'l，a'l，V'f，a'f分別為前車和后(己)車的速度和加速度;Tw為后(己)車制動時間，包括駕駛員反應(yīng)動作時間和制動協(xié)調(diào)時間;Tbr為自動制動時的制動時間。

在式(1)、(2)中:V'l，a'l，V'f由車速傳感器和激光雷達(dá)(或毫米波雷達(dá))實際測量并進(jìn)行濾波和計算獲得;a'f，Tw，Tbr為非測量數(shù)據(jù)，a'f的取值一般和a'l相同，Tw和Tbr是根據(jù)實際觀察和試驗結(jié)果在一定范圍內(nèi)取值。一般情況下，通過該車輛制動安全距離模型可以計算出追尾碰撞預(yù)警距離和自動制動距離，但問題在于:① 受車輛性能參數(shù)、輪胎－路面摩擦因數(shù)和實際駕駛環(huán)境等的影響，通過測量獲得的車輛制動減速度預(yù)測在該行駛環(huán)境下車輛的實際最大制動能力，計算所得追尾報警距離會過長或過短，造成道路利用率低或追尾預(yù)警效果不佳;②未考慮駕駛員因素對模型結(jié)果的影響，造成不同駕駛員在不同狀態(tài)下對該模型實際效果評價不佳。

可以看出:目前所采用的車輛制動安全距離計算模型沒有考慮駕駛員、車輛性能和駕駛環(huán)境的影響，模型的實用性和通用性受到明顯制約。

建立DRV安全距離模型:

其中:Dw，Dbr分別為追尾碰撞報警距離和自動制動距離;Vr，ar－max分別為后(己)車速度和最大制動減速度;Vf，af分別為前車的速度和加速度;Tr－d為后(己)車駕駛員制動反應(yīng)時間;Tr－d為后(己)車制動系統(tǒng)響應(yīng)時間;Tbr為自動制動時的制動時間。

把式(3)、(4)分別代入式(5)、(6)得:

3 DRV安全距離模型效果驗證

仿真基于Prescan軟件進(jìn)行。

假設(shè)自車駕駛員駕駛經(jīng)驗不足，且為疲勞駕駛狀態(tài)，駕駛視線不是很好，自車行駛道路為下坡(坡度為30%)，當(dāng)前行駛速度為10 m/s，滑移率為20%，制動系統(tǒng)響應(yīng)時間為0.2 s;前車因故障拋錨在道路中間。

自車駕駛員反應(yīng)時間評狀態(tài)向量為X=(75，50，50)，其對應(yīng)的權(quán)重分別為 w=(0.4，0.4，0.2)。

1)駕駛員反應(yīng)時間影響評估函數(shù)［12］為為 1.4 s;

2)輪胎路面附著系數(shù)辨識為0.62;

3)自車最大制動減速度為3.06 m/s2。

在該工況下常用兩類模型和DRV模型，其報警安全距離和自動制動安全距離如圖2所示。

將假設(shè)條件輸入Prescan并建立模擬場景，得到DRV安全距離模型的報警安全距離為31.33 m，自動制動安全距離為17.33 m(如圖2所示);以及Hideo Araki模型的報警安全距離與自動制動安全距離(如圖3所示)。馬自達(dá)模型的報警安全距離如圖4所示。

圖2 DRV安全距離模型的報警安全距離與自動制動安全距離

圖3 Hideo Araki模型的報警安全距離與自動制動安全距離

圖4 馬自達(dá)模型的報警安全距離

在該工況下，常用兩類模型和DRV模型報警安全距離和自動制動安全距離的理論值如表3所示。

表3 3種安全距離對比結(jié)果

本文設(shè)計的DRV安全距離模型的仿真結(jié)果顯示報警安全距離為31.33 m，理論值為31.34 m，自動制動安全距離為17.33 m，理論值為17.34 m，誤差均在0.01 m左右。

綜上所述:Hideo Araki模型由于沒有考慮道路狀況、駕駛員狀態(tài)因素和車輛制動系統(tǒng)性能，所計算的報警安全距離嚴(yán)重偏小、自動制動安全距離偏小，最終會形成車輛追尾事故。馬自達(dá)公司所采用的模型雖然沒有考慮道路坡度給安全距離模型所帶來的影響，但有一個5 m的安全距離，在車輛下坡制動時能夠保證模型的有效性，但在上坡避撞狀態(tài)下會造成距離上的保守。

4 結(jié)束語

在分析現(xiàn)有車輛安全距離模型的特點(diǎn)及不足的基礎(chǔ)上，綜合考慮駕駛員因素、交通路況因素和車輛制動性能因素，建立了DRV安全距離模型。在同等條件下，對現(xiàn)有模型和DRV模型進(jìn)行安全距離對比分析，結(jié)果表明:所建立的DRV安全距離模型可以兼顧駕駛員駕駛特點(diǎn)、交通路況因素和車輛制動性能因素，報警安全距離和自動制動安全距離比現(xiàn)有的模型更加合理。

［1］NTTSA.Traffic Safety Facts 2010 Annual Report［P］.DOTHS 810631，2011.

［2］李曉霞，李百川，侯德藻，等.車追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)研究［J］.中國公路學(xué)報，2001，14(3):83－85.

［3］Kyongsu Yi，Minsu Woo，Sung Ha Kim，et al.An Experimental Investigation of a CW/CA System for Automobile Using Hardware in the Loop Simulation［C］//Proceedings of the American Control Conference .San Diego，California:［s.n.］，1999.

［4］Seiler Peter，Song Bongsob，Hedrick J.Development of a Collision Avoidance System［J］.SAE，1998，8:535.

［5］侯德藻，劉剛，高鋒，等.新型汽車主動避撞安全距離模型［J］.汽車工程，2005(2):186－190.

［6］邊明遠(yuǎn).考慮駕駛員個體特性的汽車安全行駛間距模型［J］.中國機(jī)械工程學(xué)報，2010，21(12):1502－1506.

［7］董紅召，陳煒烽，陳寧，等.車路集成環(huán)境下車輛防撞預(yù)警安全狀態(tài)判別模型的研究［J］.汽車工程，2011(9):1120－1123.

［8］Genya A，John R.Alarm Timing，T rust and Driver Expectation for Forward Collision Warning Systems［J］.Applied Ergonomics，2006，37:577－586.

［9］Luis Alvarez，Jingang Yi，Boberto Horowitz，et al.Emergency braking control in automated highway systems with underestimation of friction coefficient［C］//Proceedings of the American Control Conference.Chicago:［s.n.］，2000:574－579.

［10］Kenue S k.Selection of range and azimuth angle parameters for a forward looking collision warning radar sensor［C］//Intelligent Transportation Systems’97.Boston:IEEE，1997:494－499.

［11］黨宏社，韓崇昭，段戰(zhàn)勝.汽車防碰撞報警與制動距離的確定［J］.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002，22(6):89－91.

［12］李霖，朱西產(chǎn)，馬志雄.駕駛員在真實交通危險工況中的制動反應(yīng)時間［J］.汽車工程，2014，36(10):1225－1229.