施衛(wèi) 萬廣軒 劉斌

摘?要：為自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC）提出一種基于駕駛特性的行車安全間距策略，在分析對比現行CTH和VTH算法各自的優(yōu)劣后，考慮駕駛員動態(tài)跟車特性，以此為基礎對VTH算法進行改進設計。在Matlab/Simulink和Carsim聯合仿真平臺下使用經典PID控制算法設計的ACC系統(tǒng)上層控制器對CTH、VTH及本文改進VTH策略進行穩(wěn)態(tài)波動速度、急加/減速、恒定車速的復合工況仿真對比。結果表明，基于駕駛特性設計的改進VTH能夠在傳統(tǒng)VTH及CTH之間獲取良好的平衡性能，既能對前車速度激變做出快速響應，也能以平滑且較低的加速度跟蹤期望加速度，保證舒適性。

關鍵詞： 自適應巡航控制系統(tǒng);動態(tài)駕駛特性;可變車頭時距策略;期望安全間距

文章編號： 2095-2163（2021）01-0156-05 中圖分類號：U461.91 文獻標志碼：A

【Abstract】This paper proposes a safe driving distance strategy based on driving characteristics for the design of the ACC system. After analyzing and comparing the respective pros and cons of the current CTH and VTH algorithms， considering the driver's dynamic following characteristics， the design of VTH algorithm is improved. Under the Matlab/Simulink and Carsim co-simulation platform， the upper-level controller of the ACC system designed by the classic PID control algorithm is used to focus on CTH， VTH， and the improved VTH in this paper to simulate the compound operating conditions of steady-state fluctuating speed， rapid acceleration/deceleration， and constant vehicle speed. The results show that the improved VTH designed in this paper can obtain a good balance performance between the traditional VTH and CTH. It can not only respond quickly to the sudden changes in the speed of the preceding vehicle， but also track the expected acceleration with a smooth and low acceleration to ensure comfort.

【Key words】Adaptive Cruise Control system; dynamic driving characteristics; VTH; expected safe spacing

0 引?言

行車安全間距策略對自適應巡航控制系統(tǒng)（ACC）十分重要，任何ACC系統(tǒng)的開發(fā)都是從間距策略的選擇和設計開始[1]，如圖1所示。間距策略指的是連續(xù)兩輛車之間的理想穩(wěn)態(tài)距離，其選擇和設計決定了在整個跟車模式中ACC的表現。在跟車模式工作時，行車安全間距策略根據傳感器獲取數據信息實時計算行車期望安全間距，安全間距過小會導致ACC車輛與跟車目標處于不安全狀態(tài)，使駕駛員無法處理突發(fā)狀況，精神緊繃，而過大的安全距離則會導致相鄰車道的頻繁變道，所以合適的行車安全間距策略是非常重要的。

1 行車安全間距策略分析

安全間距通常定義為在前車不可預測的行為下避免追尾碰撞的最小間隔[2]。在可變間距策略中，具有代表性的主要有基于車頭時距的安全間距策略以及仿人間距策略（Human Factor Distance ，HFD），車頭時距指的是在同一車道上行駛的車輛隊列中，兩連續(xù)車輛車頭端部通過某一斷面的時間間隔[3]。其中，基于車頭時距的間距策略又可分為恒定車頭時距（Constant Time Headway，CTH）策略和可變車頭時距（Variable Time Headway，VTH）策略。

1.1 恒定車頭時距策略（CTH）

最早起源于微觀駕駛員行為提出的安全距離模型[4]：

其中，vf，vp分別表示自車和前車速度;λ1為車輛最大制動能力決定的參數;th為恒定車頭時距，一般取值為1.5～2.8 s;dmin通常包括一個車身長度及車間最小距離，一般取值為4～6 m。因ACC車輛行駛過程中，前后車呈緊隨狀態(tài)，速度差異不大，將λ1（v2f-v2p）去除后簡化可得：

分析式（2）可知，行車安全間距與自車車速成正比，其比值即為車頭時距th，當車速越大，行車安全距離以正比例增益加大，用以避免因車速增加而同樣大幅增加的剎車距離而導致的碰撞。但該模型假設車輛在制動機動的過程中具有相同且恒定的減速度，這種假設產生的解決方案可獲得很高的減速度值，因此舒適度較低。

1.2 可變車頭時距策略（VTH）

與CTH不同的是，在VTH策略中，th不再保持不變，而是隨著周圍的環(huán)境進行著相應的變化。Broqua[5]認為車頭時距應與車速呈正增益關系，以此突出自車車速在行車安全距離模型中的重要性。具體公式可寫為：

其中，λ2，λ3為參數，僅與自車車速相關，成正比例關系。

Yanakiev等人[6]認為還應注重前車車速在行車安全距離模型中的作用，具體公式可寫為：

其中，vrel表示相對速度，vrel=vf-vp;t0，iv?為大于0的常數。

通過分析可知，上述策略在行車安全距離模型中考慮因素過于單一，當前車處于穩(wěn)態(tài)駕駛過程中，還能得到較好的控制效果，但前車進行變加/減速行駛或頻繁變速時，控制效果就不盡理想。

上海海事大學羅莉華在車頭時距的計算中，引入前車加速度擾動代表前車速度的未來變化趨勢[7]，得到如下形式：

其中，t0，iv，ia表示大于0的參數，ap表示前車加速度，研究推得其公式為：

為保證車頭時距非負（確保安全性）且盡量節(jié)省交通流量，引入飽和函數后可得：

其中，sat（·）為飽和函數;thmax為車頭時距上限值;thmin為車頭時距下限值。

2 行車安全間距策略算法設計

通過對已有CTH和VTH策略算法分析可知，行車安全距離算法雖然并不復雜、計算量小，但其本身即存在著矛盾性，道路容量與車速成正比、與車間距離成反比，過多地減少車速和加大車間距離會導致交通效率的降低[8]，安全性要求需要與前車保持足夠的間距，但過大的車間距離則會導致交通流量的浪費，以及可能更易致使其他車道車輛切入。故行車安全距離模型必須兼顧行車安全和道路交通效率兩方面。CTH被證明在諸多復雜的形式環(huán)境下表現不盡理想[9]，而VTH策略在多名研究人員考慮不同因素的情況下所得出的行車安全距離算法也并不相同。本研究在上述分析的基礎上，基于駕駛員跟車特性在常規(guī)VTH策略的基礎上進行改進。

在實際駕駛過程中，行車安全距離不僅與自車車速相關，同時還與相對車速有密切的關聯，因此需要在安全間距策略中考慮駕駛員的動態(tài)跟車特性[10]。

有加速度-位移公式：

由公式（8）可得行駛車輛以恒定減速度a從vx減速到0行駛過的距離為：

假設目前自車速度為vf?m/s，前車速度為vp，兩車都以相同的減速度進行制動，減速度常數為ac，則可得兩車的制動距離：

其中，sf，sp分別表示自車和前車的制動到靜止時行駛過的距離。

改進VTH策略示意如圖2所示。當vp

則安全間距策略為：

但ACC系統(tǒng)大多數情況工作在穩(wěn)定車流中，仿真結果顯示這種考慮極端剎停工況的策略會對相對車速過于敏感，易造成交通流量的浪費，致使旁側車道車輛切入工況增多。因此在該小節(jié)討論的基礎上對s進行改動，弱化其對相對車速的敏銳度，找到相對合適的平衡點，提出基于駕駛員動態(tài)跟車特性的VTH安全間距策略為：

其中，th表示車頭時距;ac表示制動模型中減速度常數，取3m/s2;cv表示可變車頭時距計算公式的常參數，經仿真比較取0.05;dmin表示最小安全距離，取6m。t0表示恒定車頭時距值，文獻[11]通過對交通流的實測分析將駕駛狀態(tài)分為強跟馳狀態(tài)和弱跟馳狀態(tài)，這二者代表的最短車頭時距和舒適車頭時距分別滿足以1.55s和2.60s為均值，以0.48s和1.13s為標準差的正態(tài)分布，其中舒適車頭時距中包含了約1s的駕駛員心理裕值。綜合考慮交通流量及安全性，車頭時距取1.7s。

3 改進VTH的復合工況仿真分析驗證

為驗證本文提出的基于駕駛員跟車特性的改進VTH策略，采用經典PID算法設計上層控制器，Matlab/Simulink及Carsim搭建的聯合仿真平臺如圖3所示，在該平臺上進行復合工況仿真。并與式（2）所描述的恒定車頭時距策略（CTH）、式（5）描述的可變車頭時距（VTH）策略進行仿真結果對比。

文中采用穩(wěn)態(tài)跟車小幅速度波動、急減速、急加速三種工況組成的復合工況對安全間距策略進行仿真實驗。具體仿真實驗設置為：仿真時長25s，前后車初始速度為20m/s、18m/s，初始間距40m;前車0～10s為近似穩(wěn)態(tài)行駛，速度在20m/s左右小幅波動，10～15s為急減速工況，加速度為-1.6m/s2，15～20s為恒定車速行駛，20～25s為急加速工況，加速度為2m/s2。對各種狀況下的實驗結果可做闡釋分述如下。

（1）0～10s的穩(wěn)態(tài)小幅波動工況。該場景為ACC系統(tǒng)的主要工作場景，主要能夠考察安全間距策略對ACC車輛速度和間距的跟蹤能力。期望安全間距響應曲線見圖4。由圖4分析可知，因為初始車速前車大于后車，因此3種策略都采取了加速動作，伴隨著前車的小幅減加速波動，這三種策略下的ACC車輛隨即采取相應的減加速動作以跟隨前車的速度變化。加速度響應曲線如圖5所示。由圖5分析可知，相較于該仿真中CTH策略，改進VTH對相對車速的變化具有更快的響應速度，由于前車的小幅減速變化，改進VTH在進行1.24s

處開始減速，而VTH和CTH分別為1.08s和1.58s，雖沒有VTH響應速度更快，但卻獲取了更小的加減速度波動，不會因較小的相對車速變化而像VTH那樣過度調節(jié)。進而得到，速度響應曲線如圖6所示。圖6中，自車速度響應曲線相較CTH與VTH更加平滑，同樣體現了該改進VTH的優(yōu)越性。

（2）10～15s、20～25s的急減/加速工況。這兩種場景主要考察改進VTH策略對前車速度快速變化的響應能力以及跟蹤能力，確保行車安全性。顯然由圖4可看出，當前車進行急減速時，改進VTH最先響應并減少相應的期望安全間距，且兩車間實際間距響應曲線如圖7所示。在圖7中可知，自車加速度以較為平滑的減速度進行制動，而VTH的加速度變化較為突兀，會影響乘坐舒適度。

（3）15～20 s的恒定速度工況。該場景主要用于考察改進VTH策略對于加速度階躍變化的響應能力。由圖7中可知，伴隨著減速度由1.6 m/s2突然轉變?yōu)? m/s2，VTH因為前車加速度ap的階躍變化，產生了階躍振蕩，該情況同樣也發(fā)生在20 s處工況由恒定速度工況轉換至以加速度2 m/s2加速工況處。相比之下改進VTH能夠以平滑的曲線進行過渡，而CTH因為只與vf相關，因此，相較其它兩種策略表現出了一定的遲滯性。

4 結束語

上述仿真實驗中，3種安全間距策略都能夠完成最基本的跟車及安全性保障，但文獻[4]中CTH策略因只考慮自車速度vf變化，過于保守，對于速度激變等場景難以適應，而文獻[7]中VTH策略則將前車加速度ap作為擾動，雖能獲取較好的速度激變響應，但卻放棄了部分乘坐舒適性。相較之下，改進VTH在上述兩者間獲取了良好的平衡性，即能對前車速度激變做出快速的響應保證安全性，也能夠以平滑且較低的加速度跟蹤期望安全間距，保證舒適性。

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