張雅麗，施雯

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西青年職業(yè)學(xué)院財(cái)經(jīng)系，陜西 西安 710064）

緊急情況下駕駛?cè)俗顑?yōu)避險(xiǎn)策略模型研究

張雅麗1，施雯2

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.陜西青年職業(yè)學(xué)院財(cái)經(jīng)系，陜西 西安 710064）

文章基于最優(yōu)化理論，提出了一種制動(dòng)與轉(zhuǎn)向相結(jié)合的最優(yōu)避險(xiǎn)策略模型。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該避險(xiǎn)策略可以實(shí)現(xiàn)車輛的主動(dòng)避險(xiǎn)，且避險(xiǎn)軌跡與駕駛?cè)藢?shí)際的避險(xiǎn)軌跡相近。

避險(xiǎn)策略；最優(yōu)化理論；安全距離

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-91-03

引言

本文基于車輛緊急避讓危險(xiǎn)時(shí)的最佳控制策略，提出一種結(jié)合車輛縱向速度調(diào)節(jié)控制和轉(zhuǎn)向操作的車輛最優(yōu)緊急避險(xiǎn)模型，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1、基于車輛制動(dòng)過程的安全距離模型

目前大部分主動(dòng)避險(xiǎn)系統(tǒng)通常采用兩級(jí)報(bào)警安全距離模型。本文的安全距離模型接近于臨界報(bào)警距離模型。駕駛?cè)擞龅轿ｋU(xiǎn)時(shí)通常會(huì)采取制動(dòng)減速或制動(dòng)轉(zhuǎn)向方式予以避讓。本文基于車輛制動(dòng)減速過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分別建立了針對(duì)兩種不同避讓措施的安全距離模型。

1.1 制動(dòng)減速安全距離模型

自車以 v1勻速直線行駛，危險(xiǎn)物以 v2勻速運(yùn)動(dòng)，車道寬度 W，危險(xiǎn)物在橫向位移結(jié)束時(shí)對(duì)駕駛?cè)说挠绊憰r(shí)間 t2y為：

則制動(dòng)減速安全距離模型為：

式中：abmax—自車最大制動(dòng)減速度；astop—靜止時(shí)兩者的最小安全間隙。

以往研究學(xué)者，通常將abmax取值為0.6g～0.8g[1]，astop取值為2～5m。

1.2 制動(dòng)轉(zhuǎn)向安全距離模型[2-4]

駕駛?cè)诉x擇制動(dòng)轉(zhuǎn)向方式避讓危險(xiǎn)時(shí)車輛產(chǎn)生縱向位移dx，橫向位移 dy?；诒茈U(xiǎn)目的的制動(dòng)轉(zhuǎn)向操作車輛橫向速度變化符合正弦波特性，則其橫向加速度符合余弦波特性[5]。即：駕駛?cè)嗽趩我凭€轉(zhuǎn)向操作過程中的橫向位移為H，則：

障礙物寬度為So，則車輛前外側(cè)通過障礙物最外側(cè)輪廓應(yīng)滿足：

由式6，車輛前外側(cè)通過障礙物最外側(cè)輪廓的時(shí)間為Tp，則駕駛?cè)酥苿?dòng)轉(zhuǎn)向過程的安全距離模型為：

2、最優(yōu)避險(xiǎn)策略模型建立

最優(yōu)避險(xiǎn)策略，即從所有可能避險(xiǎn)策略中找出能最大限度滿足約束條件的策略。最優(yōu)化模型包括設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三個(gè)基本要素。本文選用行駛位置、行駛速度和航向角作為最優(yōu)避險(xiǎn)策略的設(shè)計(jì)變量，即：

2.1 約束條件

（1）安全距離判斷模型

由安全距離模型，駕駛?cè)嗽诒茏屒胺轿ｋU(xiǎn)時(shí)縱向安全距離滿足條件：

車輛在避讓危險(xiǎn)過程中，應(yīng)與障礙物保持一定的側(cè)向安全距離。自車與道路邊界線間應(yīng)保持安全距離Dleft和Dright。自車與前方危險(xiǎn)間應(yīng)保持側(cè)向安全距離Dinterval：

（2）外部因素限制模型

本文根據(jù)正常行駛狀況，設(shè)定以下限制條件：

式中，ab—制動(dòng)減速度；as—橫向加速度；φ—路面附著系數(shù)。

約束條件指求最優(yōu)解時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)變量的限制條件，本文選用上述判斷模型作為最優(yōu)避險(xiǎn)策略的約束條件，即：

2.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是最優(yōu)化問題的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。車輛避險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)中最接近的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為：整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的加速度均值最小，均方差也最小。本文對(duì)加速度均值和均方差各賦值0.5進(jìn)行加權(quán)平均。

根據(jù)當(dāng)前加速踏板、制動(dòng)踏板及方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，得到每個(gè)t時(shí)刻車輛的加速度值。從而避險(xiǎn)控制輕便性comf可采用如下加權(quán)積分公式予以評(píng)價(jià)：

為使避讓過程操作方便簡單，在避讓時(shí)間段內(nèi)，comf值在滿足安全距離前提下應(yīng)盡可能小。

3、最優(yōu)避險(xiǎn)策略算法實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證

3.1 算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)最優(yōu)化理論，本文建立的最優(yōu)避險(xiǎn)策略算法屬于單目標(biāo)多階段動(dòng)態(tài)非線性規(guī)劃問題，處理的是一個(gè)多階段決策問題。每一階段經(jīng)歷的時(shí)間為定值，且足夠小，可近似認(rèn)為該時(shí)間段內(nèi)車輛是勻速直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 最優(yōu)避險(xiǎn)策略求解算法流程

實(shí)驗(yàn)采集某一應(yīng)激場景駕駛?cè)瞬僮鲾?shù)據(jù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，以最優(yōu)避險(xiǎn)策略模型為基礎(chǔ)，根據(jù)危險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)車輛行駛位置、行駛速度及航向角，求解車輛在整個(gè)避險(xiǎn)過程中各時(shí)刻的最優(yōu)行駛位置、行駛速度和航向信息，從而得到車輛最優(yōu)避險(xiǎn)運(yùn)行軌跡。

由以上分析，基于最優(yōu)化理論的最優(yōu)避險(xiǎn)策略求解算法如圖1流程圖。

在方案選擇中，需反復(fù)嘗試行駛速度和航向角，有一定隨機(jī)性，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算時(shí)間不固定或結(jié)果不收斂的情況，則需制定調(diào)整策略保證每次調(diào)整盡量最優(yōu)，速度較快，本文按如下調(diào)整策略進(jìn)行調(diào)整。

1）若 Dleft，Dright或 Dinterval不滿足安全距離進(jìn)行回退，則優(yōu)先調(diào)整航向角。航向角調(diào)整原則：若Dleft不滿足，則向右調(diào)整；若 Dright不滿足，則向左調(diào)整；若 Dinterval不滿足，則依據(jù)危險(xiǎn)所在具體左右位置予以調(diào)整。

2）若Dfront不滿足安全距離進(jìn)行回退，則優(yōu)先調(diào)整行駛速度，調(diào)整策略為減速。

3）若不滿足以上條件，則優(yōu)先調(diào)整行駛速度。

3.2 最優(yōu)避險(xiǎn)策略仿真驗(yàn)證

根據(jù)最優(yōu)避險(xiǎn)策略算法，結(jié)合駕駛?cè)藢?shí)際避險(xiǎn)軌跡，對(duì)最優(yōu)避險(xiǎn)策略算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)前方突發(fā)危險(xiǎn)為靜止障礙物，仿真中障礙物速度v2=0，寬度0.5m。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如表1。對(duì)比避險(xiǎn)軌跡如圖2。

圖2 避險(xiǎn)軌跡

表1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

從圖2中看出，最優(yōu)避險(xiǎn)策略算法可在保證車輛行駛穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)避險(xiǎn)，且最優(yōu)避險(xiǎn)軌跡與駕駛?cè)藢?shí)際避險(xiǎn)軌跡非常相近。

4、結(jié)論

本文基于最優(yōu)化理論，以縱向安全距離、側(cè)向安全距離模型以及橫向加速度、制動(dòng)減速度、行駛速度為約束條件，以控制輕便性為目標(biāo)函數(shù)建立了制動(dòng)與轉(zhuǎn)向相結(jié)合的最優(yōu)避險(xiǎn)策略模型，并編制了相應(yīng)的仿真算法予以仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，結(jié)合車輛縱向速度調(diào)節(jié)控制和橫向轉(zhuǎn)向操作的車輛最優(yōu)緊急避險(xiǎn)算法可在保證車輛行駛穩(wěn)定性的前提下，實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)避險(xiǎn)，且避險(xiǎn)軌跡與駕駛?cè)藢?shí)際避險(xiǎn)軌跡相近度達(dá)90%以上。

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Research on Optimal Hedging Strategy Model for Drivers in Emergency

Zhang Yali1, Shi Wen2
( 1.College of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064; 2.School of Finance and Economics, Shaanxi Youth Vocational College, Shaanxi Xi'an 710064 )

Based on the optimization theory, this paper presents an optimal hedging strategy model combining braking and steering. Simulation results show that the hedging strategy can achieve the active avoidance of the vehicle, and the safe trajectory is close to the actual trajectory of the driver.

Hedging Strategy; Optimization Theory; Safety Distance

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-91-03

張雅麗，女，在讀碩士研究生，就讀于長安大學(xué)。研究方向：駕駛?cè)藨?yīng)激。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.031