王 全 ，楊杰君，周艷輝 ，歐陽智，文健峰，盧 雄

（1.長沙中車智馭新能源科技有限公司，湖南 長沙 410083；2.中車時代電動汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車在我們出行生活中發(fā)揮重要作用，其保有量也逐年攀升。交通事故頻發(fā)給整個社會、人類帶來了巨大的經(jīng)濟損失和安全威脅。美國國家交通安全管理局明確指出，駕駛員操作失誤引起的事故占所有交通事故中的90%，其中司機采取了制動措施但由于制動力不足而造成的事故約占49%，追尾碰撞中因駕駛員沒有采取制動而造成的事故約占31%，制動過晚導致事故的情況約占20%，因此對交通安全的治理刻不容緩[1-2]?；跀z像頭、雷達等先進傳感器技術(shù)的自動緊急制動系統(tǒng)（advanced emergency braking system，AEBS）大大提高了汽車的主動安全性[3]。歐洲新車安全評鑒協(xié)會(Euro-NCAP)研究表明，在緊急工況下，搭載AEBS的車輛可以避免27%的碰撞事故[4]。因此，對于AEBS的相關(guān)研究得到廣泛關(guān)注。

當前，AEBS的制動控制策略主要利用安全距離模型、安全時間模型及基于專家數(shù)據(jù)庫的模糊控制模型對制動力進行控制[4]。典型的安全距離模型有Mazda 模型[5]、Honda 模型[6]和 Berkeley 模型[7]，其主要用于分析在當前車輛狀態(tài)下能及時避開障礙物所需保持的最小距離，但不能分析不同障礙物狀態(tài)對最小制動距離的影響。安全時間模型用于實時計算當前車輛狀態(tài)和與前車碰撞時間的關(guān)系，當實際碰撞時間小于預警/制動碰撞時間時，車輛進行預警或產(chǎn)生制動力；但設(shè)定固定碰撞時間的方式，無法明確界定制動減速度和安全時間閾值，容易引發(fā)頻繁預警/制動動作，影響駕駛員的正常駕駛與舒適性[8]。文獻[9]基于專家數(shù)據(jù)庫的控制模型統(tǒng)計了一種不同駕駛員在不同緊急情況下的緊急制動方式，建立了基于經(jīng)驗的預警與制動力控制模型，但基于樣本的方式無法真實地反映所有駕駛員的操作特性，因而無法滿足駕駛員在不同車輛狀態(tài)下的制動緊急程度要求。為此，本文提出了一種基于全工況的自動緊急制動系統(tǒng)控制模型，其使系統(tǒng)在滿足碰撞評價規(guī)程的同時降低了預警/制動頻率，并能有效避撞，提高了汽車的主動安全性能。

1 AEBS結(jié)構(gòu)

本文所提AEBS主要包括感知層、決策層、執(zhí)行層與交互層，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動緊急制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the AEBS

感知層采用攝像頭與雷達融合方案實現(xiàn)場景分析和車路信息探測，并將路況信息通過CAN總線發(fā)送給決策層。

決策層采用決策控制器作為自動緊急制動系統(tǒng)的決策裝置，負責向感知層發(fā)送車身信號；同時，決策層通過分析前方存在的碰撞風險向執(zhí)行層發(fā)送決策信息。

執(zhí)行層由電機控制器和緊急制動系統(tǒng)構(gòu)成，用于接收和響應決策控制器的驅(qū)動和制動信息，以實現(xiàn)車輛的電制動與氣制動。

交互層由儀表和云平臺構(gòu)成。云平臺實時存儲系統(tǒng)的過程信息，實時顯示系統(tǒng)的運行、停止或故障信息，與駕駛員進行信息互動，提供聽覺、視覺兩種方式的預警信息和制動信息。

AEBS從檢測到危險障礙物到激活制動系統(tǒng)的作用過程如圖2所示。

圖2 自動緊急制動系統(tǒng)作用過程Fig. 2 Working process of the AEBS

2 AEBS制動控制策略

為了確保本車在AEBS制動過程中不與前車產(chǎn)生碰撞，系統(tǒng)所允許的最小制動開啟距離應大于在制動條件下本車行駛的距離和前車行駛的制動距離之和。

本車允許的最小制動開啟距離（圖3）為

圖3 安全距離模型Fig. 3 Safety distance model

式中：Db——本車允許的最小制動開啟距離；X1——制動時本車行駛的距離；X2——制動時前車行駛的距離；D0——剎停時本車與前車的距離。

2.1 制動距離與安全時間估算模型

為考慮所有工況下發(fā)生追尾碰撞的可能，需要研究前車運動狀態(tài)，得到在不同工況下的安全距離模型。本文將前車的運動狀態(tài)分為勻速行駛、加速和減速3種。

2.1.1 前車靜止

前車靜止時，本車所允許的最小制動開啟距離為初速度減速到停止時的行駛距離，即X2=0，則本車允許的最小制動開啟距離Db如下：

式中：ts——制動加速度增長時間；v1——本車速度；a1——本車減速度。

2.1.2 前車勻速或加速

在前車勻速或加速工況下，Db必須是本車車速小于或等于前車速度時的距離方可有效避免發(fā)生碰撞，具體如下：

式中：vrel——前車車速。

2.1.3 前車減速

前車減速工況下，Db必須是本車車速小于或等于前車速度時的距離，具體如下：

式中：v2——前車車速；a2——前車加速度。

AEBS模型中，ts實質(zhì)是電子制動系統(tǒng)制動力從0增加到設(shè)定值的時間，通常取ts= 0.6 s；根據(jù)當前傳感器的特性并考慮到路面附著情況、天氣等影響制動距離的因素，D0一般取2～3 m；a1根據(jù)車輛的動力學參數(shù)一般被設(shè)置在-4 ～ -8 m/s2之間，本文選a1= -6 m/s2。綜上，可以得到最小允許的碰撞時間：

式中：vrel——本車與前車的相對速度。

2.2 預警與制動控制策略

在AEBS整體響應時間一定的前提下，預警與制動控制策略的安全性和舒適性存在矛盾。若預警與制動控制得過早，則容易影響駕駛員的操作體驗和乘坐的舒適性；控制過晚，又無法有效避免碰撞事故的發(fā)生。同時，國家法規(guī)對預警和制動的時間點進行了嚴格的限制。根據(jù)標準JT/T 1242-2019《營運車輛自動緊急制動系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)范》要求，在檢測到碰撞發(fā)生時，系統(tǒng)應能給出至少兩種等級的預警，其中緊急制動前1.4 s產(chǎn)生一級預警，緊急制動前0.8 s前產(chǎn)生二級預警。

在考慮舒適性與安全性的前提下，當前車輛與前方障礙物的碰撞時間為

式中：D——本車與前車的距離。當碰撞時間小于等于“最小允許的碰撞時間+1.4 s”，進行一級預警；當碰撞時間小于等于“最小允許的碰撞時間+0.8 s”，進行二級預警；當碰撞時間小于等于最小允許的碰撞時間，進行緊急制動。

緊急制動減速度是根據(jù)兩車的相對速度和距離計算出的一個理論值，具體如下：

為提高制動的及時性和乘坐的舒適性，本文設(shè)計一個基于PI的制動力調(diào)節(jié)器，見式(8)，其可對減速度進行平滑控制以確保制動時乘坐的舒適性。圖4示出典型的PI調(diào)節(jié)器原理。

式中：a——PI調(diào)節(jié)后的減速度；Kp——比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)；Ki——積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)；Tsam——采樣時間。

圖4 典型的PI調(diào)節(jié)器框圖Fig. 4 Black diagram of a typical PI controller

3 仿真與試驗

為驗證所提出的AEBS兩級預警和緊急制動策略的可行性和有效性，根據(jù)標準JT/T 1242-2019要求，本文設(shè)定了法規(guī)中所描述的3個工況進行仿真測試和實車測試。測試內(nèi)容包含勻速運行的本車對前方靜止障礙物的碰撞測試、勻速運行的本車對勻速運行的前方障礙物的碰撞測試。

3.1 仿真驗證

圖5示出以80 km/h勻速運行的本車對前方以12 km/h勻速運動的障礙物的仿真碰撞試驗數(shù)據(jù)。

圖5 本車（80 km/h）對前車（12 km/h）的碰撞測試Fig. 5 Collision test of the vehicle at 80 km/h against the front vehicle at 12 km/h

仿真時，主要關(guān)注仿真試驗開始和結(jié)束時本車車速、前車車速、制動期間的減速度、兩車距離以及報警時間等信息?？梢钥闯?，本車提前1.4 s進入一級預警，提前0.8 s進入二級預警；制動減速度在6～8 m/s2之間且制動維持了3 s左右；當系統(tǒng)檢測到不可能發(fā)生碰撞即本車速度小于等于前車速度時，自動解除制動，避免了碰撞的發(fā)生。對各工況進行仿真的結(jié)果如表1所示。

表1 各工況的碰撞測試結(jié)果Tab. 1 Collision test results under various working conditions

3.2 JT/T1242測試工況驗證

標準JT/T 1242要求對車輛進行3組場景測試（圖6）。測試場景主要包含40 km/h勻速運行的本車對靜止的前車、80 km/h勻速運行的本車對靜止的前車、80 km/h勻速運行的本車對12 km/h勻速運行的前車這3種碰撞測試場景。

圖6 實車測試場景Fig. 6 Vehicle test real scenario

3.2.1 40 km/h勻速運行的本車對靜止的前車

設(shè)定兩車相距200 m，本車以40 km/h勻速接近前方靜止前車，其過程曲線如圖7所示?？梢钥闯?，本車提前2.1 s進入一級預警，提前1.3 s進入二級預警；制動減速度在2～8 m/s2之間且制動維持了2.2.s左右；當車輛速度降為0 時，解除制動并與前車保持1.87 m的距離，避免了碰撞的發(fā)生。

圖7 本車40 km/h對前車靜止的碰撞測試Fig. 7 Collision test of the vehicle at 40 km/h against the front stationary vehicle

3.2.2 80 km/h運行的本車對靜止的前車

設(shè)定兩車相距200 m，本車以80 km/h勻速接近靜止前車，其過程曲線如圖8所示?？梢钥闯?，本車提前2.3 s進入一級預警，提前1.2 s進入二級預警；制動減速度在4～8 m/s2之間且制動維持了3.4 s左右；當車速降為0時，解除制動并與前車保持1.31 m的距離，避免了碰撞發(fā)生。

圖8 本車80 km/h對前車靜止的碰撞測試Fig. 8 Collision test of the vehicle 80 km/h against the front stationary vehicle

3.2.3 80 km/h勻速運行的本車對12 km/h勻速運行的前車

設(shè)定兩車相距200 m，本車初始速度80 km/h，前方車輛勻速12 km/h，本車以80 km/h 勻速接近以12 km/h 低速行駛的前車，過程曲線見圖9。駕駛員不操作制動踏板，本車提前1.6 s進入一級預警，提前0.9 s二級預警；制動減速度在4～8 m/s2之間且制動維持了2.3 s左右；當系統(tǒng)檢測到不可能發(fā)生碰撞即本車速度小于等于前車速度時，自動解除制動且與前車保持0.8 m的距離，避免了碰撞的發(fā)生。

圖9 本車80 km/h對前車12 km/h的碰撞測試Fig. 9 Collision test of the vehicle 80 km/h against the front vehicle 12 km/h

仿真和實車試驗結(jié)果驗證了采用本文所提自動緊急制動模型的有效性，其可產(chǎn)生預警和制動：預警時間滿足標準JT/T 1242-2019的要求；制動減速度在4～8 m/s2之間；車速降低到安全車速后，本車與前車保持了0.6～1.9 m的安全距離，有效避免了碰撞的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文提出一種基于全工況模型的AEBS控制策略，其根據(jù)前車運動狀態(tài)分別對安全距離、安全時間進行動態(tài)解耦，有效降低預警/報警頻率；并根據(jù)碰撞可能發(fā)生的嚴重程度實時調(diào)節(jié)制動力。根據(jù)標準JT/T 1242-2019的要求進行了仿真測試和實車試驗，結(jié)果表明，采用該控制策略可以很好地輔助駕駛員行車操作，車輛在碰撞發(fā)生前發(fā)出預警信息并采取緊急制動措施，有效預防了碰撞事故的發(fā)生。

由于本文所提控制策略是基于標準JT/T 1242-2019，道路工況較為單一，而實際道路工況復雜多變，如多前車運動狀態(tài)下的運行工況，此時車輛制動水平容易受到道路情況的影響，后續(xù)將對此開展更深入的研究。