李 剛，楊 志，吳 迪

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

1 引言

近年來，隨著社會和國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求逐漸提高，汽車作為重要交通工具對人們的需求越來越大。隨之帶來的就是汽車的保有量逐年升高，對道路交通的壓力加大，交通事故的頻發(fā)給人們和社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失[1]。美國對高速公路的交通事故分析中，道路交通事故有91%的情況是由于駕駛員駕駛失誤造成[2]。調(diào)查結(jié)果表明：如果駕駛員可以提前1s 了解到駕駛的危險(xiǎn)并且實(shí)施了正確的操作，很大程度上會避免道路交通事故的發(fā)生[3]。自動緊急制動系統(tǒng)就是檢測本車與前方車輛發(fā)生追尾碰撞的可能，通過聲音、視覺或者觸覺的方式提前向駕駛員發(fā)出警示。如果駕駛員收到預(yù)警信息后沒有采取任何措施，則該系統(tǒng)便會自動啟動自動緊急制動系統(tǒng)，將車輛進(jìn)行制動，避免車輛發(fā)生碰撞[4]。文獻(xiàn)[5]中考慮了環(huán)境和駕駛員性格多種因素，建立了汽車前方防碰撞安全距離模型。文獻(xiàn)[6]對本車跟前方車輛的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，建立了兩車的運(yùn)動學(xué)方程，對行駛狀態(tài)碰撞可能的危險(xiǎn)程度進(jìn)行了劃分，并建立了防碰撞預(yù)警控制策略。文獻(xiàn)[7]在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上建立了安全距離模型，通過對前車的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析，考慮前車減速度和本車駕駛員反應(yīng)時(shí)間來規(guī)劃碰撞的安全行駛距離，該模型下的防碰撞系統(tǒng)有較高的精確性。文獻(xiàn)[8]通過調(diào)查駕駛員對常規(guī)自動緊急制動系統(tǒng)對高減速輪胎-路面摩擦的評估，得出傳統(tǒng)的AEB 系統(tǒng)只適用干燥條件的正常路面，對于冰雪天的工況則不適用；同時(shí)，設(shè)計(jì)了適用于道路摩擦的AEB 系統(tǒng)，通過模擬器試驗(yàn)，駕駛自適應(yīng)主動緊急制動系統(tǒng)的駕駛員的主動安全性和可信度得到顯著改善。文獻(xiàn)[9]使用單眼相機(jī)開發(fā)了目標(biāo)車輛的測量估算算法，精確測量目標(biāo)車輛的輸出，提高了基于視覺的主動緊急制動系統(tǒng)檢測性能和低誤報(bào)率上述方法都較好的實(shí)現(xiàn)了自動緊急制動，但自動緊急制動系統(tǒng)中對減速度的控制應(yīng)與駕駛員制動時(shí)的減速度大小較為符合，即在某種工況下自動緊急制動系統(tǒng)采取的減速度與駕駛員想實(shí)施的制動減速度相近[10]。由于各種工況不同、實(shí)際決策的復(fù)雜性以及行為的不確定性，駕駛員對每種工況下的理想的制動減速度大小是不同的[11]。論文[12]對四輪獨(dú)立驅(qū)動輪轂電機(jī)電動車再生制動的控制原理進(jìn)行了分析，針對高速緊急制動工況，通過合理分配前后軸制動力、合理協(xié)調(diào)液壓制動力與再生制動力，提出了一種新的協(xié)調(diào)制動控制策略。因此論文研究在保證制動效能前提下同時(shí)兼顧汽車制動時(shí)駕駛員的舒適性要求的兩級自動緊急制動策略，即從低速和高速兩種工況下對自動緊急制動系統(tǒng)進(jìn)行建立，包括完全制動和部分制動，在部分制動中，做大量實(shí)驗(yàn)選取最舒適制動減速度值。

2 自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型的建立

研究的自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型要考慮前車運(yùn)動狀態(tài)，分別對前車勻速行駛、前車加速行駛、前車減速行駛?cè)N工況進(jìn)行分析，得到在各種不同工況下相對應(yīng)的安全距離模型。

2.1 安全距離模型的建立

（1）前車減速行駛

（2）前車靜止

（3）前車加速行駛

式中：v0—本車制動前的速度；v1—前車制動前的速度；t1—駕駛員反應(yīng)時(shí)間；t2—制動器夾緊過程所需要的時(shí)間；t3—制動減速度線性增加過程時(shí)間，論文將制動器制動力減速度增長的過程中近似視為線性增長，并且本車與前車的制動減速度線性增長的過程時(shí)間相同；a0—本車制動時(shí)的制動減速度；a1—前車制動時(shí)的制動減速度；ΔS—車輛觸發(fā)自動緊急制動后脫離碰撞危險(xiǎn)后與前車的距離。

上述為自動緊急制動系統(tǒng)完全制動的安全距離公式，式中：af—車輛的最大制動力產(chǎn)生的縱向減速度，自動緊急制動系統(tǒng)部分制動的安全距離公式中將上述公式中af替換成舒適制動減速度ap。

2.2 模型參數(shù)選取

2.2.1t2，t3時(shí)間參數(shù)選取

自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型中有制動器夾緊時(shí)間t2和制動器制動壓力線性增加到最大值所用的時(shí)間t3。制動器夾緊時(shí)間與車輛本身機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)系，一般時(shí)間為（0.2～0.4）s，選取制動器夾緊時(shí)間t2為0.2s。車輛在制動過程中，制動器的制動壓力不斷升高，將它看作線性增加，這樣更容易分析汽車的制動過程，更好的建立安全距離模型，選取制動器制動壓力線性增加到最大值所用時(shí)間t3為0.2s。

2.2.2 ΔS的選取

在自動緊急制動安全距離模型中ΔS為車輛觸發(fā)自動緊急制動后脫離碰撞危險(xiǎn)后與前車的距離。在式中ΔS一般距離為（1～5）m，主要是考慮到路面附著情況、天氣等影響制動距離的因素，故取ΔS為3m，將誤差產(chǎn)生的影響盡可能避免。

3 駕駛員舒適制動減速度測定

自動緊急制動系統(tǒng)有兩個(gè)等級的制動，一種為完全制動，另一種為部分制動。在某種緊急工況下為了避免碰撞必須全力制動，這種情況下進(jìn)行完全制動。雖然完全制動能夠避免碰撞或者降低碰撞損傷，但是有些工況是不需要進(jìn)行完全制動，如果進(jìn)行完全制動還會降低道路交通效率，還會影響乘坐舒適性。論文通過大量駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)，采集駕駛員在制動時(shí)習(xí)慣采用的制動減速度值，分析并選取最舒適的制動減速度值。

試驗(yàn)選取了16 名有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員，在開始測試之前，會對每位駕駛員簡單講解試驗(yàn)的目的，試驗(yàn)要采集的數(shù)據(jù)，駕駛員需要如何駕駛等。為了讓駕駛員熟悉駕駛模擬器硬件在環(huán)設(shè)備，先做幾組適應(yīng)駕駛模擬器的駕駛，排除由于對駕駛模擬器的不熟悉影響試驗(yàn)測試結(jié)果。首先在駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗(yàn)臺車輛動力學(xué)仿真軟件上設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況：一條長直路面附著系數(shù)為0.75的路面，在本車起點(diǎn)前方300m 處有一輛時(shí)速為20km/h 的障礙車輛，駕駛員在起點(diǎn)正常開始駕駛，由于前面路程沒有發(fā)現(xiàn)障礙車輛可以隨意駕駛，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有車輛速度明顯低于本車車速后開始制動減速，試驗(yàn)采集車輛縱向加速度，對每名駕駛員采集三組以上數(shù)據(jù)。駕駛員1 進(jìn)行試驗(yàn)的三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖1 所示，由圖可知駕駛員1 經(jīng)仿真測定舒適制動減速度分別為：0.46g、0.63g、0.62g。

圖1 駕駛員1 舒適制動減速度曲線Fig.1 Driver 1 Comfort Brake Deceleration Curve

駕駛員2 到駕駛員16 的舒適制動減速度曲線與圖1 類似，16 名駕駛員舒適制動減速度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集匯總，如表1 所示。

表1 駕駛員舒適制動減速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.1 Driver Comfort Brake Deceleration Test Data Sheet

對16 名駕駛員感覺最舒適的制動減速度的平均值進(jìn)行對比，最后選擇0.53g 為舒適制動減速度。

4 自動緊急制動控制策略及控制器設(shè)計(jì)

對自動緊急制動控制策略在高、低速兩種工況下進(jìn)行研究，車速以80km/h 為界。在高速工況下，立刻采取完全緊急制動，車輛可能造成側(cè)滑等危險(xiǎn)狀況，因此論文自動緊急制動系統(tǒng)在車輛時(shí)速大于80km/h 時(shí)，如果觸發(fā)則以部分制動的制動減速度進(jìn)行制動；在低速的城市工況中，使用部分制動減速度，對應(yīng)的安全距離就越大，道路交通效率就會降低，另外，經(jīng)驗(yàn)豐富的激進(jìn)型駕駛員與前車的距離在制動時(shí)比較小，如果自動緊急制動介入的比較頻繁，會影響到駕駛員正常駕駛。故在車輛低速工況下進(jìn)行完全制動控制時(shí)，不考慮駕駛員的乘坐舒適性，只考慮道路通過性與避免發(fā)生碰撞，即在較為危險(xiǎn)的時(shí)刻才會觸發(fā)自動緊急制動系統(tǒng)。當(dāng)雷達(dá)探測到前方車輛在橫向距離2m 之內(nèi)，自動緊急制動系統(tǒng)則對前車進(jìn)行距離判斷，當(dāng)相對距離大于一級安全距離Sp時(shí)，自動緊急制動系統(tǒng)不觸發(fā)；當(dāng)相對距離小于一級安全距離Sp，大于二級安全距離Sf時(shí)，自動緊急制動系統(tǒng)采取部分制動；當(dāng)相對距離小于二級安全距離Sf時(shí)，自動緊急制動系統(tǒng)采取完全制動，兩級自動緊急制動控制策略，如圖2 所示。自動緊急制動系統(tǒng)是在汽車要發(fā)生碰撞危險(xiǎn)時(shí)，自動采取制動措施，使車輛以一定的減速度進(jìn)行制動來避免碰撞的一種輔助制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)調(diào)整輪缸壓力，使實(shí)際減速度接近理想減速度，設(shè)計(jì)PID 控制對輪缸壓力進(jìn)行控制。原理，如圖3 所示。

圖2 兩級自動緊急制動控制策略圖Fig.2 Two Automatic Emergency Brake Control Strategy Chart

圖3 PID 控制器原理圖Fig.3 PID Controller Schematic

5 駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

通過理論研究，建立了汽車前方防碰撞兩級預(yù)警系統(tǒng)和自動緊急制動系統(tǒng)模型。自動緊急制動系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)將出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)的緊急工況時(shí)，如果駕駛員沒有進(jìn)行制動，系統(tǒng)會自動采取制動控制，避免碰撞的發(fā)生。自動緊急制動系統(tǒng)有兩種制動強(qiáng)度，一種是完全制動，一種是部分制動。為了充分驗(yàn)證模型的正確性和合理性，論文應(yīng)用駕駛模擬硬件在環(huán)試驗(yàn)臺對系統(tǒng)進(jìn)行不同試驗(yàn)驗(yàn)證。工況分為三種：本車速度設(shè)為中等城市車速60上下，前方車輛設(shè)為靜止、勻速、減速三種不同狀態(tài)。

5.1 接近前方靜止車輛

工況：本車初始速度65km/h 工況，接近前方靜止車輛。仿真曲線，如圖4 所示。本車以65km/h 勻速接近前方靜止車輛，駕駛員不操作制動踏板，當(dāng)本車與前方靜止車輛的距離小于安全距離后，在第4s 車輛防碰撞系統(tǒng)自動進(jìn)行緊急制動，在第6.5s 時(shí)車輛停止，與前方車輛還有接近2m 的距離避免了碰撞的發(fā)生。由試驗(yàn)結(jié)果可知，本車以一定速度接近前方靜止車輛的工況時(shí)，汽車前方防碰撞系統(tǒng)根據(jù)汽車不同的行駛狀態(tài)均實(shí)施了準(zhǔn)確的自動緊急制動功能對車輛進(jìn)行制動，避免了碰撞發(fā)生。

圖4 本車中速接近前方靜止車輛Fig.4 Vehicle Speed Close to Front Stationary Vehicle

5.2 接近前方低速車輛

工況：本車初始速度65km/h，前方車輛勻速10km/h。仿真曲線，如圖5 所示。

圖5 本車中速接近前方低速車輛Fig.5 Vehicle Speed Close to Front Low-Speed Vehicle

本車以65km/h 勻速接近前方以10km/h 低速行駛車輛，駕駛員不操作制動踏板，當(dāng)本車與前方目標(biāo)車輛的距離小于安全距離后，在第2s 車輛防碰撞系統(tǒng)自動進(jìn)行緊急制動，制動維持了2s左右，當(dāng)車輛車速降為與前車速度相等，不發(fā)生碰撞時(shí)自動解除制動，與前方車輛保持一定距離繼續(xù)行駛。由試驗(yàn)結(jié)果可知，本車以一定速度接近前方低速車輛的工況時(shí)，汽車前方防碰撞系統(tǒng)根據(jù)汽車不同的行駛狀態(tài)均實(shí)施了準(zhǔn)確的自動緊急制動功能對車輛進(jìn)行制動，避免了碰撞發(fā)生。

5.3 接近前方減速車輛

工況：本車初始速度50km/h，前方車輛初始速度50km/h，減速度2m/s2。仿真曲線，如圖6 所示。本車以50km/h 勻速接近前方以50km/h 行駛并以2m/s2的制動減速度減速的前方車輛，駕駛員不操作制動踏板，當(dāng)本車與前方目標(biāo)車輛的距離小于安全距離后，在第5s 時(shí)車輛防碰撞系統(tǒng)自動進(jìn)行緊急制動，車輛在第7s時(shí)停止，與前方車輛保持一定距離，避免了碰撞的發(fā)生。由試驗(yàn)結(jié)果可知，本車分別以低速、中速接近前方減速車輛的兩種工況時(shí)，汽車前方防碰撞系統(tǒng)根據(jù)汽車不同的行駛狀態(tài)均實(shí)施了準(zhǔn)確的自動緊急制動功能對車輛進(jìn)行制動，避免了碰撞發(fā)生。

圖6 本車中速接近前方減速車輛Fig.6 Vehicle Speed Close to Front Decelerating Vehicle

6 結(jié)論

（1）根據(jù)前車運(yùn)動狀態(tài)分別建立自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取駕駛員舒適制動減速度作為自動緊急制動的減速度，設(shè)計(jì)了兩級自動緊急制動系統(tǒng)。

（2）通過試驗(yàn)驗(yàn)證，表明設(shè)計(jì)的兩級自動緊急制動系統(tǒng)的控制策略可以很好地輔助駕駛員在碰撞發(fā)生前采取緊急制動措施，從而有效防止發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。