邊辰通，殷國(guó)棟，徐利偉，張 寧，朱 侗

（東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

前言

與一般天氣環(huán)境相比，在霧天環(huán)境中常常由于較低的能見(jiàn)度帶來(lái)較多的交通事故［1-3］。研究表明，在霧天環(huán)境中駕駛員往往對(duì)車(chē)速估計(jì)過(guò)低而且對(duì)前方車(chē)間距估計(jì)過(guò)高［4］，這也是霧天部分駕駛員行駛車(chē)速過(guò)高的主要原因，此外駕駛員的反應(yīng)時(shí)間也會(huì)由于能見(jiàn)度的降低而增加［4］。因此許多駕駛員常由于未能及時(shí)制動(dòng)而與路中突然發(fā)現(xiàn)的障礙物發(fā)生碰撞事故。

現(xiàn)有研究主要通過(guò)兩類(lèi)措施來(lái)避免霧天交通事故的發(fā)生。第1種為通過(guò)動(dòng)態(tài)交通信號(hào)標(biāo)志提示安全車(chē)速來(lái)警示霧天中的駕駛員降低車(chē)速［3，5］。如果駕駛員能夠看到這種提示信號(hào)并及時(shí)減速到安全車(chē)速，可避免霧天環(huán)境中大部分交通事故。第2種為現(xiàn)在廣泛研究的汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)，目前已經(jīng)提出了許多種駕駛員輔助系統(tǒng)來(lái)減少此類(lèi)碰撞事故，主要包括防追尾系統(tǒng)［6-7］和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)［8-9］等。這些系統(tǒng)可主動(dòng)介入到汽車(chē)行車(chē)控制中來(lái)減少碰撞事故。然而目前動(dòng)態(tài)交通信號(hào)標(biāo)志尚未大范圍應(yīng)用到公路交通中，且一些駕駛員也會(huì)無(wú)意中忽略這種交通標(biāo)志。由于成本和個(gè)人偏好等因素，現(xiàn)在公路中還有大量汽車(chē)未能安裝主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)，因此目前在霧天中還存在著相當(dāng)多的交通碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

隨著汽車(chē)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，具備智能化和網(wǎng)聯(lián)化的無(wú)人駕駛汽車(chē)受到了廣泛的關(guān)注?；谙冗M(jìn)環(huán)境感知系統(tǒng)，特別是在黑暗和霧天中，無(wú)人駕駛汽車(chē)能比普通駕駛員更容易探測(cè)到各種移動(dòng)和靜止障礙物。此外，基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，無(wú)人駕駛汽車(chē)可相互分享道路交通信息，多輛無(wú)人駕駛汽車(chē)可組成編隊(duì)來(lái)提高交通效率和降低能量消耗［10-11］。通過(guò)車(chē)載雷達(dá)和通信設(shè)備，無(wú)人駕駛汽車(chē)編隊(duì)有機(jī)會(huì)在霧天探測(cè)到有人駕駛汽車(chē)潛在的碰撞危險(xiǎn)，有可能幫助有人駕駛汽車(chē)避免在霧天中的碰撞事故。為減少霧天碰撞交通事故的發(fā)生，為無(wú)人汽車(chē)編隊(duì)設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)拯救系統(tǒng)。該系統(tǒng)的基本原理為：如果編隊(duì)在霧天中檢測(cè)到有人駕駛汽車(chē)前存在靜態(tài)障礙物，而且由于該車(chē)車(chē)速過(guò)高有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則編隊(duì)主動(dòng)超越該車(chē)并在車(chē)前占用所有車(chē)道，然后通過(guò)主動(dòng)減速來(lái)強(qiáng)制有人駕駛汽車(chē)降低車(chē)速。這樣該車(chē)駕駛員能在發(fā)現(xiàn)前方障礙物之前降低到安全車(chē)速來(lái)避免碰撞事故。

本文中的主要貢獻(xiàn)在于針對(duì)無(wú)人汽車(chē)編隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)主動(dòng)拯救系統(tǒng)來(lái)降低其他有人駕駛汽車(chē)在霧天的碰撞事故。現(xiàn)有汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)主要用于提高受控汽車(chē)的安全性。與現(xiàn)有研究相比，所設(shè)計(jì)的主動(dòng)拯救系統(tǒng)是用于提高非受控有人駕駛汽車(chē)的安全性。在某種程度上，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是用于拯救有人駕駛汽車(chē)中的駕駛員和乘客，因此該系統(tǒng)被稱(chēng)為主動(dòng)拯救系統(tǒng)而非主動(dòng)安全系統(tǒng)。

從人道主義角度考慮，十分有必要構(gòu)建一個(gè)對(duì)人類(lèi)友好的智能交通系統(tǒng)，在系統(tǒng)中每個(gè)沒(méi)有生命的交通工具都應(yīng)該能在有必要時(shí)主動(dòng)救援有人駕駛汽車(chē)中的駕駛員和乘客。無(wú)人駕駛汽車(chē)受芯片和程序控制，能通過(guò)傳感器和網(wǎng)絡(luò)獲取更多的交通環(huán)境信息。隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，交通系統(tǒng)中將會(huì)有越來(lái)越多的無(wú)人駕駛汽車(chē)。這些汽車(chē)不僅能探測(cè)到自身的事故風(fēng)險(xiǎn)，且可檢測(cè)到其他有人駕駛汽車(chē)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此很有必要研究無(wú)人駕駛汽車(chē)如何協(xié)助有人駕駛汽車(chē)避免潛在的交通事故，然而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題的研究較少，尚須進(jìn)一步發(fā)展完善。

1 霧天主動(dòng)拯救工況說(shuō)明

所討論的霧天主動(dòng)拯救問(wèn)題如圖1所示，其中主要包括一組含4輛汽車(chē)的無(wú)人駕駛汽車(chē)編隊(duì)和1輛有人駕駛汽車(chē)。道路為雙向8車(chē)道且路中存在隔離帶，汽車(chē)無(wú)法穿過(guò)隔離帶到對(duì)側(cè)車(chē)道行駛。有人駕駛汽車(chē)前方由于交通事故存在靜止障礙物。當(dāng)對(duì)側(cè)車(chē)道的無(wú)人駕駛汽車(chē)或道路監(jiān)控設(shè)施探測(cè)到這些障礙物后，將障礙物信息發(fā)送到交通控制系統(tǒng)中心，控制中心通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)將障礙物信息發(fā)送給臨近區(qū)域內(nèi)裝備車(chē)聯(lián)網(wǎng)的汽車(chē)，當(dāng)無(wú)人駕駛汽車(chē)編隊(duì)進(jìn)入該區(qū)域時(shí)可收到該障礙物信息。在霧天中有人駕駛汽車(chē)駕駛員未能觀察到前方障礙物而且車(chē)速較高。受能見(jiàn)度限制，在該車(chē)速下駕駛員將無(wú)法在發(fā)現(xiàn)前方障礙物后及時(shí)制動(dòng)停車(chē)。顯然，如果編隊(duì)忽略有人駕駛汽車(chē)存在的潛在碰撞事故，編隊(duì)可在障礙物前直接減速停車(chē)。然而從人道角度考慮，編隊(duì)?wèi)?yīng)該主動(dòng)幫助駕駛員而不是忽略駕駛員的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 無(wú)人編隊(duì)在霧天拯救有人駕駛汽車(chē)

為便于研究討論做以下假設(shè)：編隊(duì)采用集中式控制系統(tǒng)，可直接規(guī)劃和控制編隊(duì)中每輛車(chē)的運(yùn)動(dòng)；編隊(duì)可通過(guò)車(chē)載傳感器探測(cè)到有人駕駛汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；編隊(duì)可通過(guò)傳感器或車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信獲取能見(jiàn)度信息；編隊(duì)中沒(méi)有乘客；編隊(duì)為勻質(zhì)編隊(duì)，即其中的每輛汽車(chē)有著相同的動(dòng)力特性；編隊(duì)中的汽車(chē)均裝有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)且能跟蹤規(guī)劃的軌跡；有人駕駛汽車(chē)為未裝駕駛員輔助系統(tǒng)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信的汽車(chē)。

2 系統(tǒng)基本工作原理

受霧天能見(jiàn)度較低的限制，駕駛員往往無(wú)法在看到障礙物后及時(shí)制動(dòng)。在無(wú)法超車(chē)的情況下，駕駛員在發(fā)現(xiàn)前車(chē)減速時(shí)也會(huì)隨之降低車(chē)速。因此可采用編隊(duì)變換的形式占用有人駕駛汽車(chē)前的所有車(chē)道，再通過(guò)減速來(lái)迫使有人駕駛汽車(chē)提前減速來(lái)避免碰撞事故。基于上述考慮，設(shè)計(jì)的主動(dòng)拯救系統(tǒng)采用如圖2所示的4個(gè)階段使有人駕駛汽車(chē)減速：第1階段通過(guò)加速快速完成對(duì)有人駕駛汽車(chē)的超車(chē)；第2階段通過(guò)換道來(lái)占用所有的車(chē)道；第3階段通過(guò)縱向協(xié)調(diào)編隊(duì)汽車(chē)形成橫向隊(duì)列來(lái)防止有人駕駛汽車(chē)超車(chē)；第4步通過(guò)減速迫使有人駕駛汽車(chē)在未發(fā)現(xiàn)前方障礙物時(shí)就能夠提前減速，并在障礙物前實(shí)現(xiàn)完全制動(dòng)。

圖2 算法基本原理

3 主動(dòng)拯救系統(tǒng)

本章首先介紹了編隊(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后給出了判斷有人駕駛汽車(chē)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的方法，最后設(shè)計(jì)了主動(dòng)拯救系統(tǒng)在救援有人駕駛汽車(chē)所需4個(gè)階段的編隊(duì)軌跡規(guī)劃方法。

3.1 編隊(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究針對(duì)于集中式編隊(duì)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中汽車(chē)1-4表示編隊(duì)中的4輛汽車(chē)。編隊(duì)中汽車(chē)可通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信把交通環(huán)境和自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息發(fā)送到編隊(duì)控制系統(tǒng)。編隊(duì)控制系統(tǒng)可根據(jù)周?chē)煌ōh(huán)境和編隊(duì)中汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出決策并規(guī)劃合適的軌跡，再通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到每輛汽車(chē)控制系統(tǒng)中。編隊(duì)中汽車(chē)通過(guò)自身自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來(lái)跟蹤所規(guī)劃的軌跡。一般而言，集中式編隊(duì)控制系統(tǒng)可位于編隊(duì)中任意一輛汽車(chē)中。

圖3 編隊(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 有人駕駛汽車(chē)碰撞風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)

系統(tǒng)可通過(guò)比較實(shí)際能見(jiàn)距離和估計(jì)的有人駕駛汽車(chē)最小制動(dòng)距離來(lái)判斷有人駕駛汽車(chē)是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。如果估計(jì)的最小制動(dòng)距離比實(shí)際能見(jiàn)距離更小，則有人駕駛汽車(chē)存在著一定的碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)。有人駕駛汽車(chē)的最小制動(dòng)距離可估計(jì)為

式中：vm為汽車(chē)的初始速度；tra為估計(jì)的駕駛員反應(yīng)時(shí)間汽車(chē)的制動(dòng)距離；am為估計(jì)的有人駕駛汽車(chē)最大制動(dòng)減速度。由于無(wú)法準(zhǔn)確獲知該車(chē)的駕駛員反應(yīng)時(shí)間和最大制動(dòng)減速度，可采用較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和較小的最大制動(dòng)減速度來(lái)估計(jì)該車(chē)的最小制動(dòng)距離。這種方法較為保守但更能保障有人駕駛汽車(chē)的安全性，可防止出現(xiàn)由于誤判造成的未能在危險(xiǎn)時(shí)救助車(chē)內(nèi)人員。

3.3 軌跡規(guī)劃

主動(dòng)拯救系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃包含超車(chē)、換道、縱向調(diào)整及主動(dòng)減速4個(gè)階段。本節(jié)給出了在這4個(gè)階段的軌跡規(guī)劃方法。其中超車(chē)、縱向調(diào)整和主動(dòng)減速3個(gè)階段，汽車(chē)沿原車(chē)道保持直線行駛，因此只須為汽車(chē)規(guī)劃其縱向位移的時(shí)間歷程。

3.3.1 超車(chē)軌跡規(guī)劃

“每個(gè)醫(yī)生都擁有自己的數(shù)字證書(shū)和簽章，可開(kāi)具電子申請(qǐng)單和書(shū)寫(xiě)電子病歷，各種信息都通過(guò)信息系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，并通過(guò)數(shù)字化病案管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了病案的電子化歸檔及管理，節(jié)省了工作時(shí)間，提高了工作效率。”

在本階段中，編隊(duì)需要超越有人駕駛汽車(chē)一段距離。主動(dòng)拯救系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是在有人駕駛汽車(chē)前形成一個(gè)橫向編隊(duì)，為防止有人駕駛汽車(chē)在編隊(duì)變換過(guò)程中超越編隊(duì)，一種簡(jiǎn)單辦法是在超出駕駛員能見(jiàn)距離處進(jìn)行編隊(duì)變換。為減少編隊(duì)變換所用的時(shí)間，采用如下過(guò)程來(lái)超越有人駕駛汽車(chē)：開(kāi)始時(shí)編隊(duì)以最大加速度加速到最高車(chē)速以超越有人駕駛汽車(chē)；當(dāng)編隊(duì)超越該車(chē)且距離超過(guò)可見(jiàn)距離后，以最大減速度制動(dòng)以降低到有人駕駛汽車(chē)的速度。由于在該階段中編隊(duì)的速度始終高于有人駕駛汽車(chē)速度，因此在該階段編隊(duì)最后車(chē)輛和有人駕駛汽車(chē)的距離應(yīng)超出駕駛員可見(jiàn)距離。

3.3.2 換道軌跡規(guī)劃

在該階段編隊(duì)中的汽車(chē)須以相同的縱向速度換道以完全占用所有的車(chē)道。在換道過(guò)程中編隊(duì)中汽車(chē)只改變橫向相對(duì)位置，縱向間距不變，因此無(wú)須考慮編隊(duì)汽車(chē)間的碰撞問(wèn)題。可采用基于余弦的換道軌跡來(lái)規(guī)劃編隊(duì)中各輛汽車(chē)的換道軌跡：

式中：t為時(shí)間；x（t）和 y（t）分別為該車(chē)的縱向和橫向軌跡；v為該車(chē)的縱向速度；lw為該車(chē)換道橫向位移；ts為換道起始時(shí)間；xs和ys分別為該車(chē)換道起始縱向和橫向位置；tlc為換道的時(shí)間長(zhǎng)度。對(duì)于編隊(duì)中的汽車(chē)可按照?qǐng)D2（a）及圖2（b）中各車(chē)換道寬度，根據(jù)式（2）確定本車(chē)在該階段的換道軌跡。

3.3.3 縱向調(diào)整

在該階段，編隊(duì)中汽車(chē)需要調(diào)整縱向位置以形成橫向隊(duì)列，由于不涉及換道，只須規(guī)劃各車(chē)的縱向位移時(shí)間歷程行駛。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，編隊(duì)頭車(chē)設(shè)置為勻速，其他汽車(chē)需要調(diào)整縱向相對(duì)位置以與頭車(chē)形成橫向隊(duì)列。在該階段結(jié)束時(shí)頭車(chē)的縱向位置和速度為

式中pi為確定該車(chē)縱向運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，i＝1，2，3。對(duì)式（4）求導(dǎo)可得規(guī)劃的速度：

將該車(chē)初始和結(jié)束位置及速度代入式（4）和式（5）可得

式中：ts和te分別為該階段的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間；vs和xs分別為汽車(chē)在開(kāi)始時(shí)刻的速度和位置；ve和xe分別為汽車(chē)在該階段結(jié)束時(shí)的速度和位置。在該階段開(kāi)始時(shí)間各車(chē)的速度和縱向位置為已知，在結(jié)束時(shí)各車(chē)的速度和縱向位置相同，因此對(duì)編隊(duì)中頭車(chē)后任一輛汽車(chē)，當(dāng) vs、xs、ve和 xe確定后，可代入式（6）解得pi，來(lái)確定該車(chē)的縱向位移時(shí)間歷程。

3.3.4 主動(dòng)減速

在本階段編隊(duì)須主動(dòng)減速來(lái)迫使有人駕駛汽車(chē)減速，編隊(duì)須在該階段結(jié)束時(shí)停在障礙物前。在此階段編隊(duì)中汽車(chē)在各自車(chē)道內(nèi)橫向位置保持不變，由于采用橫向隊(duì)列的形式，因而各車(chē)的縱向位移時(shí)間歷程相同。編隊(duì)中汽車(chē)最終的縱向位置為

式中：xobs為障礙物位置；d0為編隊(duì)到障礙物的最小距離。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用勻減速運(yùn)動(dòng)來(lái)規(guī)劃編隊(duì)中汽車(chē)的縱向位移時(shí)間歷程，在勻減速運(yùn)動(dòng)中加速度為常數(shù)且最終速度為零，編隊(duì)中汽車(chē)在該階段的平均速度為

式中va為汽車(chē)在該階段的初始速度。該階段的時(shí)間長(zhǎng)度為

式中l(wèi)a＝xb-xa為編隊(duì)中汽車(chē)的制動(dòng)距離，xa為該階段開(kāi)始時(shí)汽車(chē)的縱向位置。該階段汽車(chē)的制動(dòng)加速度為

在計(jì)算得到該階段的加速度后，可得為編隊(duì)中汽車(chē)規(guī)劃的縱向位移時(shí)間歷程：

式中ta為該階段的初始時(shí)間。由于在該階段編隊(duì)中所有汽車(chē)保持橫向隊(duì)列，其縱向位移時(shí)間歷程相同，因此皆可根據(jù)式（11）來(lái)規(guī)劃各自的縱向位移時(shí)間歷程。

4 仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)主動(dòng)拯救系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)了兩組仿真以便對(duì)比。仿真采用Matlab軟件，在華碩FX63VM型計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。采用常見(jiàn)駕駛員模型［12］控制有人駕駛汽車(chē)的縱向運(yùn)動(dòng)，駕駛員反應(yīng)時(shí)間為1 s且能在發(fā)現(xiàn)障礙物后進(jìn)行制動(dòng)。駕駛員模型［12］為

式中：ad為駕駛員控制汽車(chē)的加速度；a為最大加速度；v0為理想行駛速度；vc為自車(chē)行駛速度；s0為車(chē)車(chē)安全距離；T為車(chē)車(chē)安全時(shí)距；Δv為與前車(chē)的速度差；b為考慮制動(dòng)舒適性的制動(dòng)減速度；s為與前車(chē)的距離。

第1組仿真中編隊(duì)未考慮救援有人駕駛汽車(chē)，第2組仿真中編隊(duì)基于所設(shè)計(jì)的主動(dòng)拯救系統(tǒng)來(lái)救援有人駕駛汽車(chē)。在仿真中有人駕駛汽車(chē)和編隊(duì)的初始位置如圖4所示。障礙物縱向位置為1 400 m。霧天中能見(jiàn)度為50 m。編隊(duì)和有人駕駛汽車(chē)初始速度分別為15和20 m／s。有人駕駛汽車(chē)最大制動(dòng)加速度為-4 m／s2。

圖4 編隊(duì)和無(wú)人駕駛汽車(chē)初始位置

4.1 不考慮主動(dòng)拯救的仿真

在該仿真中，汽車(chē)編隊(duì)忽略了有人駕駛汽車(chē)的潛在碰撞風(fēng)險(xiǎn)并在距離障礙物較遠(yuǎn)處完全停車(chē)，因此編隊(duì)不會(huì)有碰撞事故發(fā)生。仿真中有人駕駛汽車(chē)和障礙物的縱向位置、速度和加速度分別如圖5、圖6和圖7所示。有人駕駛汽車(chē)和障礙物的縱向位置的局部圖如圖8所示。由于考慮的障礙物為靜態(tài)，其速度和加速度均為零。為便于討論，圖中僅繪制出了有人汽車(chē)駕駛員和障礙物的距離小于能見(jiàn)度后障礙物的狀態(tài)，此時(shí)駕駛員可觀察到前方障礙物。

圖5 有人駕駛汽車(chē)和障礙物的縱向位置

圖6 有人駕駛汽車(chē)和障礙物的速度

圖7 表明，駕駛員在看到障礙物后，經(jīng)過(guò)很短的反應(yīng)時(shí)間后以最大制動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了制動(dòng)。然而由于制動(dòng)距離過(guò)短，如圖6和圖8所示，駕駛員沒(méi)能在障礙物前完全制動(dòng)停車(chē)，汽車(chē)與障礙物發(fā)生了碰撞。該仿真表明在低能見(jiàn)度的霧天環(huán)境中過(guò)高的車(chē)速會(huì)帶來(lái)很高的危險(xiǎn)。由于駕駛員感知距離不超過(guò)霧天中的能見(jiàn)度，當(dāng)駕駛員突然發(fā)現(xiàn)路中障礙物后，很可能難以及時(shí)停車(chē)而引發(fā)碰撞事故。因此很有必要在這種情況下迫使駕駛員在離障礙物較遠(yuǎn)時(shí)就降低車(chē)速，即引入無(wú)人駕駛汽車(chē)編隊(duì)主動(dòng)拯救系統(tǒng)。

圖7 有人駕駛汽車(chē)和障礙物的加速度

圖8 有人駕駛汽車(chē)和障礙物的縱向位置的局部圖

4.2 考慮主動(dòng)拯救的仿真

在該仿真中，編隊(duì)采用所設(shè)計(jì)的主動(dòng)拯救系統(tǒng)來(lái)避免有人駕駛汽車(chē)的碰撞事故。為便于討論，稱(chēng)經(jīng)過(guò)編隊(duì)變換后與有人駕駛汽車(chē)在同一車(chē)道的無(wú)人駕駛汽車(chē)為攔阻汽車(chē)。攔阻汽車(chē)、有人駕駛汽車(chē)和障礙物的縱向位置、速度和加速度分別如圖9、圖10和圖11所示。與第一組仿真相同，這些圖中僅繪制了攔阻汽車(chē)和障礙物在駕駛員可見(jiàn)距離范圍內(nèi)的狀態(tài)，此時(shí)駕駛員可觀察到前方的攔阻汽車(chē)和障礙物。在編隊(duì)換道過(guò)程和最后停車(chē)時(shí)這些汽車(chē)的仿真截圖如圖12和圖13所示，為更清晰說(shuō)明汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖中也繪出了汽車(chē)后面的行駛軌跡。

圖9 攔阻汽車(chē)、有人駕駛汽車(chē)和障礙物的位置

圖10 攔阻汽車(chē)、有人駕駛汽車(chē)和障礙物的速度

圖11 攔阻汽車(chē)、有人駕駛汽車(chē)和障礙物的加速度

圖12 編隊(duì)換道時(shí)截圖

圖13 仿真結(jié)束時(shí)截圖

從圖11中可以看出，當(dāng)駕駛員看到攔阻汽車(chē)后，駕駛員隨即進(jìn)行了制動(dòng)以維持和該車(chē)的距離。注意到當(dāng)駕駛員開(kāi)始減速時(shí)，由于距離路中靜止障礙物距離超過(guò)能見(jiàn)度，故仍然未看到路中的障礙物。由圖9和圖10可見(jiàn)，在仿真結(jié)束時(shí)有人駕駛汽車(chē)和編隊(duì)都能安全停在障礙物之前，并未發(fā)生碰撞事故。為進(jìn)一步比較說(shuō)明主動(dòng)拯救系統(tǒng)的必要性，在圖14和圖15中比較了有人駕駛汽車(chē)在被拯救和未被拯救時(shí)的速度和加速度。從圖15中可以看出，當(dāng)駕駛員觀察到前方靜態(tài)障礙物或前方減速的無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)突然出現(xiàn)且距離較近時(shí)，均試圖通過(guò)減速來(lái)維持安全距離。受能見(jiàn)度較低影響，駕駛員都是在前方非常近的距離處突然發(fā)現(xiàn)障礙物或車(chē)輛，一般均須盡快制動(dòng)保證安全的間距，所以在開(kāi)始均采用了最大制動(dòng)減速度控制汽車(chē)運(yùn)動(dòng)。在第1組仿真中駕駛員采取了最大減速度制動(dòng)，但未能維持與障礙物的安全距離，與障礙物發(fā)生了碰撞；在第2組仿真中，駕駛員首先采用了最大減速度制動(dòng)來(lái)避免與無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)碰撞，然后采取了較小的制動(dòng)減速度來(lái)維持與無(wú)人駕駛車(chē)隊(duì)的安全距離。注意到障礙物位于1 400 m處。從圖中可以看出，如果編隊(duì)不考慮拯救有人駕駛汽車(chē)，由于在霧天中制動(dòng)距離不足，有人駕駛汽車(chē)無(wú)法在障礙物前安全制動(dòng)。當(dāng)編隊(duì)考慮拯救有人駕駛汽車(chē)后，駕駛員可提前進(jìn)行制動(dòng)來(lái)避免和前方障礙物相碰撞的危險(xiǎn)事故。

圖14 有人駕駛汽車(chē)在是否被拯救下的速度對(duì)比

圖15 有人駕駛汽車(chē)在是否被拯救下的加速度對(duì)比

編隊(duì)拯救有人駕駛汽車(chē)的過(guò)程如圖16所示。為更清楚表示汽車(chē)之間的相對(duì)位置，該圖采用非等比例坐標(biāo)繪制，圖中汽車(chē)與圖12和圖13中汽車(chē)形狀相同。其中圖16（a）為主動(dòng)拯救第1階段的過(guò)程，在該過(guò)程中無(wú)人汽車(chē)編隊(duì)加速超越有人駕駛汽車(chē)；圖16（b）為主動(dòng)拯救第2階段的過(guò)程，在該過(guò)程中編隊(duì)通過(guò)換道占用了所有車(chē)道；圖16（c）為主動(dòng)拯救第3階段的過(guò)程，該過(guò)程中編隊(duì)進(jìn)行縱向協(xié)調(diào)形成了橫向編隊(duì)以防止有人駕駛汽車(chē)超車(chē)；圖16（d）為主動(dòng)拯救第4階段的過(guò)程，在該過(guò)程中編隊(duì)減速以迫使有人駕駛汽車(chē)及時(shí)制動(dòng)減速。

圖16 編隊(duì)拯救有人駕駛汽車(chē)的4個(gè)階段

該仿真表明，如果編隊(duì)能考慮拯救有人駕駛汽車(chē)，一些有人駕駛汽車(chē)潛在的危險(xiǎn)碰撞事故是可以避免的。所以不應(yīng)該僅考慮如何保證受控汽車(chē)編隊(duì)的安全，也應(yīng)該考慮如何通過(guò)控制汽車(chē)編隊(duì)來(lái)保障有人駕駛汽車(chē)的安全。與有人駕駛汽車(chē)相比，無(wú)人駕駛系統(tǒng)可通過(guò)環(huán)境感知傳感器和車(chē)輛通信獲取更多的道路交通信息。因此無(wú)人駕駛汽車(chē)更可能在如霧天等惡劣天氣中探測(cè)到有人駕駛汽車(chē)的事故風(fēng)險(xiǎn)，這為無(wú)人駕駛汽車(chē)協(xié)助有人駕駛汽車(chē)避免交通事故提供了可能。

5 結(jié)論

本文中提出了可提高未裝主動(dòng)安全系統(tǒng)汽車(chē)安全的主動(dòng)拯救系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)控制無(wú)生命的無(wú)人車(chē)隊(duì)來(lái)挽救有人駕駛汽車(chē)中的駕駛員和乘客。目前本研究?jī)H考慮了沒(méi)有乘客的無(wú)人駕駛編隊(duì)，對(duì)于有乘客的無(wú)人駕駛編隊(duì)而言，主動(dòng)救援有人駕駛汽車(chē)會(huì)給乘客帶來(lái)一定的危險(xiǎn)。是否應(yīng)該讓編隊(duì)中乘客擔(dān)負(fù)這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)去救援其他車(chē)輛的乘客，是未來(lái)需要進(jìn)一步研究討論的重要方向。