鄭 蘇，段 敏，陳天任

車輛主動避撞系統(tǒng)控制策略研究

鄭 蘇，段 敏，陳天任

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

為了有效避免碰撞或降低碰撞程度，提出了一種車輛縱向分層控制結(jié)構(gòu)基于PID控制理論、最優(yōu)控制理論以及制動危險(xiǎn)指數(shù)（）的三級制動控制避撞策略。首先基于VTH（Variable Time Headway）算法在CarSim2016軟件中搭建了汽車的縱向行駛模型，然后在Matlab/Simulink中搭建了車輛防碰撞工作模式上層控制器和汽車縱向控制的下層控制器。仿真結(jié)果表明，該三級制動控制策略在前車低速勻速行駛、主車以多種不同速行駛工況下和前車急減速工況下，主車均能在安全距離內(nèi)制動至與前車同速，且制動減速度在合理范圍內(nèi)，故該策略能夠較好地降低汽車碰撞損失的可能性和減輕駕駛員的不適感。

分層控制；縱向建模；控制策略；三級制動

車輛主動避碰系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的主動安全技術(shù)，對提高交通安全具有重要意義[1]。主動防撞系統(tǒng)是指汽車可能發(fā)生前方碰撞危險(xiǎn)，系統(tǒng)會使汽車進(jìn)行制動減速，以保障乘客乘車的安全性。通過對現(xiàn)有車輛主動避碰系統(tǒng)的分析，清華大學(xué)的侯德藻等。對汽車動力學(xué)建模與控制、安全距離模型、前車識別與運(yùn)動信息采集等避碰系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了仿真與測試，實(shí)現(xiàn)了汽車避碰功能[2]。吉林大學(xué)“郭孔輝系”院士小組結(jié)合駕駛員的特點(diǎn)[3]，設(shè)計(jì)了基于卡爾西姆軟件的最優(yōu)預(yù)置加速模型和駕駛員模型，為進(jìn)一步發(fā)展避碰系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。福特和伊頓聯(lián)合開發(fā)的VORAD汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)采用了FMCW工作系統(tǒng)，工作頻率為24.725 GHz，發(fā)射功率為5 MW[4]。它能探測和識別前方106 m范圍內(nèi)的20個(gè)目標(biāo)，在發(fā)生危險(xiǎn)的情況下，可以發(fā)出聲學(xué)和光學(xué)警報(bào)，自動制動也可以連接到汽車制動機(jī)構(gòu)。這是目前最成功的汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)[5]。此外，美國TRW公司研制成功的自動避撞控制系統(tǒng)具有77 GHz工作頻率，探測距離可達(dá)150 m[6]，在車輛的行駛過程中能夠自動調(diào)整自車速度，使車距保持在安全的范圍內(nèi)，能有效地降低司機(jī)的駕駛疲勞度和汽車碰撞。

建立了基于車間時(shí)間距離的車輛縱向安全距離模型，采用可變車間時(shí)間距離的VTH（variable time headway）算法確定車輛主動避碰系統(tǒng)的控制策略。應(yīng)用毫米波雷達(dá)的識別數(shù)據(jù)，在CarSim20116中建立主車在前車低勻速和急減速工況下的主動避撞動力學(xué)模型。采用防碰撞模式下的分層控制方法實(shí)現(xiàn)對車輛主動避撞的控制。

1 建立車輛縱向智能行駛模型

因?yàn)楸疚牡难芯恐攸c(diǎn)是車輛控制策略的發(fā)展，對道路環(huán)境要求不高，故本文選取瀝青直車道，采用默認(rèn)自然環(huán)境。以車距100 m為例，主車與前車的距離為100 m，進(jìn)行智能跟隨模擬實(shí)驗(yàn)，圖1所示為一個(gè)CarSim2016中的智能行駛工況場景示意圖。

圖1 CarSim智能行駛工況場景示意圖

2 車輛主動避撞系統(tǒng)策略及控制

由于分層控制結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，上下控制器功能清晰，因此本文汽車縱向控制器采用分層式結(jié)構(gòu)。上面的控制器根據(jù)Carsim2016軟件輸出的數(shù)據(jù)信息計(jì)算出汽車在當(dāng)前狀態(tài)下的期望加速度，下控制器基于上控制器的輸出，將期望加速度轉(zhuǎn)化為實(shí)際控制汽車行駛的節(jié)氣門開度或制動壓力，以滿足控制功能的需求。

2.1 車輛主動避撞控制策略

前方車輛以低速度勻速在車道中間勻速行駛，主車以不同速度行駛，速度穩(wěn)定之后逐漸靠近前方車輛。兩車之間的實(shí)際距離定義為，理論安全距離定義為d以及制動安全距離定義為d，表示危險(xiǎn)系數(shù)：當(dāng)危險(xiǎn)系數(shù)＞1時(shí)，車輛處于安全行駛狀態(tài)；當(dāng)危險(xiǎn)系數(shù)0.9＜≤1時(shí)，車輛采取減速度為-2 m/s2的小強(qiáng)度部分制動；當(dāng)危險(xiǎn)系數(shù)0.7＜ε≤0.9時(shí)，車輛采取減速度為-4 m/s2的中等強(qiáng)度部分制動；當(dāng)危險(xiǎn)系數(shù)≤0.7時(shí)，車輛處于采取減速度為-6 m/s2的全力制動。汽車的適時(shí)制動直接影響到行人與車輛的安全，并關(guān)系到汽車控制的其他工作模式的正常工作，制動控制策略設(shè)計(jì)的合理性是保證汽車防碰撞功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。防碰撞模塊根據(jù)汽車的狀態(tài)信息和感知信息輸出相應(yīng)的制動減速度，由該減速度換算成制動器的制動壓力，對汽車實(shí)施制動功能。

2.2 車輛主動避撞系統(tǒng)控制方法的設(shè)計(jì)

2.2.1 VTH安全距離算法

VTH算法如式（1）和式（2）所示。車間的時(shí)間間隔與主車輛的速度成正比。

式中：1、2均為大于0的常數(shù)，但不再是固定不變的常數(shù)，而是隨著汽車行駛環(huán)境變化而變化的變量；為車間時(shí)距常數(shù)，值最高取值3 s，最低取值1s；safe為車間安全間距, m；host為主車輛的實(shí)時(shí)車速, m/s；min為兩車靜止時(shí)車間最小距離，一般取值為1.5~3 m。實(shí)際上汽車實(shí)時(shí)速度不會超過汽車能達(dá)到的最高車速max，因此車間距應(yīng)表示為：

VTH控制算法設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮車間相對速度對車間時(shí)距的影響，其車間時(shí)距可用一個(gè)飽和函數(shù)()來描述[7]。

式中：()為飽和函數(shù)；0和h是大于0的車頭時(shí)距常數(shù)；r是車間相對速度m/s。

這種安全距離算法更能符合實(shí)際交通路況的需求，能更好地提高道路的利用率和保證汽車的行駛安全性。

2.2.2 下層控制器設(shè)計(jì)

下控制器的輸入是上控制器的理想加速度和車輛的實(shí)時(shí)加速度。輸出是控制車輛最終行為的油門開口和制動壓力。上控制器的輸出量為期望加/減速度a，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)以后由驅(qū)動/制動切換模型做出判斷，再通過驅(qū)動控制模型的油門執(zhí)行器或者制動控制模型的制動執(zhí)行器轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際控制汽車行駛的油門開度con和制動壓力con，實(shí)現(xiàn)控制汽車按照期望目標(biāo)行駛的目的。標(biāo)定工況設(shè)計(jì)為汽車初始速度為60 km/h，通過將CarSim2016與Matlab/Simulink軟件相結(jié)合，并手動在Matlab/ Simulink里輸入6組期望加速度值，加速度范圍控制在-4 ~4 m/s2，分別為0.5、1、2、-1、-2、-3 m/s2。通過反復(fù)試湊進(jìn)行參數(shù)的標(biāo)定，最終確定一組較理想的參數(shù)為p=2.34，I=0.5，d=0.012。

2.2.3 上層控制器設(shè)計(jì)

本文根據(jù)車間距離制定了三級制動控制策略，定義危險(xiǎn)指數(shù)：

其中，表示兩車間的實(shí)際距離；d表示制動安全距離；d表示理論安全距離；表示危險(xiǎn)指數(shù)。制動安全距離d表示為：

其中，1表示主車的實(shí)時(shí)車速，2表示前車的實(shí)時(shí)車速，表示系統(tǒng)的延遲時(shí)間，本文取1 s，max為汽車在良好路面上能達(dá)到的最大減速度，本文取6 m/s2，()為不同路面對應(yīng)的摩擦系數(shù)，本文取0.8。

以前車低速勻速行駛工況和急減速行駛工況仿真實(shí)驗(yàn)比較分析。

前車勻速行駛工況：前方車輛以20 km/h低速度在車道中間勻速行駛，主車以不同速度行駛，速度穩(wěn)定之后逐漸靠近前方車輛。此工況是為了評價(jià)主車輛檢測前方低速車輛并減速跟車行駛的能力。

前車急減速行駛工況：根據(jù)Euro-NCAP的緊急制動測試工況為主車和前車的初始速度均為50 km/h，工況一設(shè)置初始兩車相距40 m，工況二設(shè)置初始兩車相距12 m，兩種工況下前車以-6 m/s2進(jìn)行緊急制動。此工況是為了評價(jià)主車輛檢測前方急減速車輛并減速跟車行駛的能力。

此智能行駛工況模型和上文模型類似，只是改變了兩車的初始距離和主車和前車的初始狀態(tài)。

最后驗(yàn)證了汽車在基于PID控制理論、最優(yōu)控制理論以及制動危險(xiǎn)指數(shù)（）的三級制動控制策略的控制下遇到緊急情況時(shí)的避撞能力。仿真結(jié)果表示，該控制策略能夠較好完成大幅度降低汽車碰撞損失程度和避免碰撞的任務(wù)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 前車勻速行駛工況下的仿真

對于上層控制器，前車勻速行駛工況的仿真結(jié)果如表1和圖2所示。仿真時(shí)間為10 s。

表1 前車低速勻速行駛工況實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

圖2 主車輛80 km/h靠近前方車輛工況結(jié)果曲線

由仿真結(jié)果曲線圖2可知，一開始，兩車相距100 m，兩車并無碰撞的危險(xiǎn)性，主車輛以80 km/h的初速度穩(wěn)定行駛；在4.592 s時(shí)，主車輛檢測到與前方車輛有碰撞的可能性，主車輛開始以大強(qiáng)度制動減速度進(jìn)行制動，使汽車速度迅速降低；在7.32 s時(shí)，兩車速度相等，此時(shí)兩車間距最短為1.5322 m，之后前車車速大于主車輛速度，兩車間距離開始變大，沒有碰撞的危險(xiǎn)了；在8.165 s時(shí)，主車輛制動至停止。在仿真過程中，制動系統(tǒng)分為三個(gè)階段。小強(qiáng)度部分制動階段：輸出-2 m/s2給汽車；中等強(qiáng)度部分制動階段：輸出-4 m/s2給汽車；全力制動階段：輸出-6 m/s2的制動加速度給汽車，此外，為了避免制動減速度的切換過快導(dǎo)致汽車制動過程中出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，每個(gè)制動階段均保持0.5 s。

如果是采用單級制動的話，以主車車速80 km/h為例，經(jīng)計(jì)算制動減速度為4.45 m/s2，在-4 m/s2≥≥-6 m/s2范圍內(nèi)，根據(jù)Seungwuk等人提出了基于預(yù)警指標(biāo)的國外駕駛員的制動統(tǒng)計(jì)[8]和一項(xiàng)針對125名駕駛員進(jìn)行的制動測試試驗(yàn)中可知，此時(shí)的行車制動狀況被認(rèn)為是危險(xiǎn)的中等強(qiáng)度制動，駕駛員有非常不舒適的感覺。

3.2 前車急減速行駛工況下的仿真

仿真結(jié)果曲線如圖3所示。

（1）工況一仿真結(jié)果曲線：

圖3 工況一仿真結(jié)果曲線

由仿真結(jié)果曲線圖3可知，（a）圖為主車加速度曲線，（b）圖中開始時(shí)刻，兩車相距40 m，兩車并無碰撞的危險(xiǎn)性，（c）圖中主車輛以50 km/h的初速度穩(wěn)定行駛；在6.732 s時(shí)，主車輛檢測到與前方車輛有碰撞的可能性，主車開始以高制動減速度制動，使汽車速度迅速降低；在8.035 s時(shí)，主車輛速度制動為0，此時(shí)兩車間距最短為0.8169 m。

（2）工況二仿真結(jié)果曲線：

圖4 工況二仿真結(jié)果曲線

由仿真結(jié)果曲線圖4可知，（a）圖為主車加速度曲線，（b）圖中開始時(shí)刻，兩車相距12 m，兩車并無碰撞的危險(xiǎn)性，（c）圖中主車輛以50 km/h的初速度穩(wěn)定行駛；在2.935 s時(shí)，主車輛檢測到與前方車輛有碰撞的可能性，主車輛開始以大強(qiáng)度制動減速度進(jìn)行制動，使汽車速度迅速降低到0，此時(shí)兩車間距最短為1.5463 m。

4 結(jié)論

驗(yàn)證了汽車在基于危險(xiǎn)系數(shù)的三級制動控制策略的控制下遇到緊急情況時(shí)的避撞能力。應(yīng)用毫米波雷達(dá)的識別數(shù)據(jù)，在Carsim 2016軟件中，建立了基于車間時(shí)間距離的縱向行駛動力學(xué)模型和前后車跟隨動力學(xué)模型。采用可變車間時(shí)間距離th（可測時(shí)間距離）算法計(jì)算車間時(shí)間距離，搭建車輛防碰撞模式下的控制器，然后確定車輛主動防撞系統(tǒng)控制策略。采用分層控制方法實(shí)現(xiàn)了車輛主動避碰控制。仿真結(jié)果表明，在主車以多種不同速度進(jìn)行行駛的工況下，該三級制動控制策略均能夠較好地降低汽車碰撞損失的可能性和提高駕駛員的舒適性。

[1] 裴曉飛. 汽車主動避撞系統(tǒng)的安全距離模型和目標(biāo)檢測算法[J]. 汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào), 2012, 3(1): 26-33.

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Research on Control Strategy of Vehicle Active Collision Avoidance System

ZHENG Su, DUAN Min, CHEN Tian-ren

（School of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In order to effectively avoid collision or reduce the degree of collision, a three-level brake control collision avoidance strategy based on PID control theory, optimal control theory and braking risk index () is proposed. Firstly, based on VTH (Variable Time Headway) algorithm, the longitudinal driving model of the car was built in CarSim2016 software. Then the upper controller of vehicle anti-collision working mode and the lower controller of vehicle longitudinal control were built in Matlab/Simulink. The simulation results show that the three-stage brake control strategy can be braked at a safe distance under the low speed and constant speed of the preceding vehicle, and under the different driving conditions of the main vehicle and the rapid deceleration of the preceding vehicle. The front car is at the same speed, and the braking deceleration is within a reasonable range. Therefore, the strategy can better reduce the possibility of car collision loss and reduce the driver’s discomfort.

hierarchical control; longitudinal modeling; control strategy; three-stage braking

U461.91

A

1674-3261(2020)01-0026-05

10.15916/j.issn1674-3261.2020.01.006

2019-05-28

鄭蘇(1995-)，男，安徽阜陽人，碩士生。

段敏(1963-)，女，遼寧錦州人，教授，碩士。

責(zé)任編校：劉亞兵