王 全 ，楊杰君，周艷輝 ，歐陽(yáng)智，文健峰，盧 雄

（1.長(zhǎng)沙中車智馭新能源科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)社會(huì)、人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅。美國(guó)國(guó)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(jī)采取了制動(dòng)措施但由于制動(dòng)力不足而造成的事故約占49%，追尾碰撞中因駕駛員沒(méi)有采取制動(dòng)而造成的事故約占31%，制動(dòng)過(guò)晚導(dǎo)致事故的情況約占20%，因此對(duì)交通安全的治理刻不容緩[1-2]。基于攝像頭、雷達(dá)等先進(jìn)傳感器技術(shù)的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（advanced emergency braking system，AEBS）大大提高了汽車的主動(dòng)安全性[3]。歐洲新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)(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(duì)于AEBS的相關(guān)研究得到廣泛關(guān)注。

當(dāng)前，AEBS的制動(dòng)控制策略主要利用安全距離模型、安全時(shí)間模型及基于專家數(shù)據(jù)庫(kù)的模糊控制模型對(duì)制動(dòng)力進(jìn)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(dāng)前車輛狀態(tài)下能及時(shí)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(duì)最小制動(dòng)距離的影響。安全時(shí)間模型用于實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前車輛狀態(tài)和與前車碰撞時(shí)間的關(guān)系，當(dāng)實(shí)際碰撞時(shí)間小于預(yù)警/制動(dòng)碰撞時(shí)間時(shí)，車輛進(jìn)行預(yù)警或產(chǎn)生制動(dòng)力；但設(shè)定固定碰撞時(shí)間的方式，無(wú)法明確界定制動(dòng)減速度和安全時(shí)間閾值，容易引發(fā)頻繁預(yù)警/制動(dòng)動(dòng)作，影響駕駛員的正常駕駛與舒適性[8]。文獻(xiàn)[9]基于專家數(shù)據(jù)庫(kù)的控制模型統(tǒng)計(jì)了一種不同駕駛員在不同緊急情況下的緊急制動(dòng)方式，建立了基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)警與制動(dòng)力控制模型，但基于樣本的方式無(wú)法真實(shí)地反映所有駕駛員的操作特性，因而無(wú)法滿足駕駛員在不同車輛狀態(tài)下的制動(dòng)緊急程度要求。為此，本文提出了一種基于全工況的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制模型，其使系統(tǒng)在滿足碰撞評(píng)價(jià)規(guī)程的同時(shí)降低了預(yù)警/制動(dòng)頻率，并能有效避撞，提高了汽車的主動(dòng)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(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the AEBS

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

決策層采用決策控制器作為自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)的決策裝置，負(fù)責(zé)向感知層發(fā)送車身信號(hào)；同時(shí)，決策層通過(guò)分析前方存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)向執(zhí)行層發(fā)送決策信息。

執(zhí)行層由電機(jī)控制器和緊急制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，用于接收和響應(yīng)決策控制器的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)信息，以實(shí)現(xiàn)車輛的電制動(dòng)與氣制動(dòng)。

交互層由儀表和云平臺(tái)構(gòu)成。云平臺(tái)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的過(guò)程信息，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行、停止或故障信息，與駕駛員進(jìn)行信息互動(dòng)，提供聽覺(jué)、視覺(jué)兩種方式的預(yù)警信息和制動(dòng)信息。

AEBS從檢測(cè)到危險(xiǎn)障礙物到激活制動(dòng)系統(tǒng)的作用過(guò)程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)作用過(guò)程Fig. 2 Working process of the AEBS

2 AEBS制動(dòng)控制策略

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

本車允許的最小制動(dòng)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(dòng)開啟距離；X1——制動(dòng)時(shí)本車行駛的距離；X2——制動(dòng)時(shí)前車行駛的距離；D0——?jiǎng)x停時(shí)本車與前車的距離。

2.1 制動(dòng)距離與安全時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)，本車所允許的最小制動(dòng)開啟距離為初速度減速到停止時(shí)的行駛距離，即X2=0，則本車允許的最小制動(dòng)開啟距離Db如下：

式中：ts——制動(dòng)加速度增長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)質(zhì)是電子制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力從0增加到設(shè)定值的時(shí)間，通常取ts= 0.6 s；根據(jù)當(dāng)前傳感器的特性并考慮到路面附著情況、天氣等影響制動(dòng)距離的因素，D0一般取2～3 m；a1根據(jù)車輛的動(dòng)力學(xué)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(shí)間：

式中：vrel——本車與前車的相對(duì)速度。

2.2 預(yù)警與制動(dòng)控制策略

在AEBS整體響應(yīng)時(shí)間一定的前提下，預(yù)警與制動(dòng)控制策略的安全性和舒適性存在矛盾。若預(yù)警與制動(dòng)控制得過(guò)早，則容易影響駕駛員的操作體驗(yàn)和乘坐的舒適性；控制過(guò)晚，又無(wú)法有效避免碰撞事故的發(fā)生。同時(shí)，國(guó)家法規(guī)對(duì)預(yù)警和制動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019《營(yíng)運(yùn)車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)性能要求和測(cè)試規(guī)范》要求，在檢測(cè)到碰撞發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能給出至少兩種等級(jí)的預(yù)警，其中緊急制動(dòng)前1.4 s產(chǎn)生一級(jí)預(yù)警，緊急制動(dòng)前0.8 s前產(chǎn)生二級(jí)預(yù)警。

在考慮舒適性與安全性的前提下，當(dāng)前車輛與前方障礙物的碰撞時(shí)間為

式中：D——本車與前車的距離。當(dāng)碰撞時(shí)間小于等于“最小允許的碰撞時(shí)間+1.4 s”，進(jìn)行一級(jí)預(yù)警；當(dāng)碰撞時(shí)間小于等于“最小允許的碰撞時(shí)間+0.8 s”，進(jìn)行二級(jí)預(yù)警；當(dāng)碰撞時(shí)間小于等于最小允許的碰撞時(shí)間，進(jìn)行緊急制動(dòng)。

緊急制動(dòng)減速度是根據(jù)兩車的相對(duì)速度和距離計(jì)算出的一個(gè)理論值，具體如下：

為提高制動(dòng)的及時(shí)性和乘坐的舒適性，本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于PI的制動(dòng)力調(diào)節(jié)器，見式(8)，其可對(duì)減速度進(jìn)行平滑控制以確保制動(dòng)時(shí)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(shí)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(yàn)

為驗(yàn)證所提出的AEBS兩級(jí)預(yù)警和緊急制動(dòng)策略的可行性和有效性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019要求，本文設(shè)定了法規(guī)中所描述的3個(gè)工況進(jìn)行仿真測(cè)試和實(shí)車測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包含勻速運(yùn)行的本車對(duì)前方靜止障礙物的碰撞測(cè)試、勻速運(yùn)行的本車對(duì)勻速運(yùn)行的前方障礙物的碰撞測(cè)試。

3.1 仿真驗(yàn)證

圖5示出以80 km/h勻速運(yùn)行的本車對(duì)前方以12 km/h勻速運(yùn)動(dòng)的障礙物的仿真碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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

仿真時(shí)，主要關(guān)注仿真試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)本車車速、前車車速、制動(dòng)期間的減速度、兩車距離以及報(bào)警時(shí)間等信息?？梢钥闯?，本車提前1.4 s進(jìn)入一級(jí)預(yù)警，提前0.8 s進(jìn)入二級(jí)預(yù)警；制動(dòng)減速度在6～8 m/s2之間且制動(dòng)維持了3 s左右；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到不可能發(fā)生碰撞即本車速度小于等于前車速度時(shí)，自動(dòng)解除制動(dòng)，避免了碰撞的發(fā)生。對(duì)各工況進(jìn)行仿真的結(jié)果如表1所示。

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

3.2 JT/T1242測(cè)試工況驗(yàn)證

標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242要求對(duì)車輛進(jìn)行3組場(chǎng)景測(cè)試（圖6）。測(cè)試場(chǎng)景主要包含40 km/h勻速運(yùn)行的本車對(duì)靜止的前車、80 km/h勻速運(yùn)行的本車對(duì)靜止的前車、80 km/h勻速運(yùn)行的本車對(duì)12 km/h勻速運(yùn)行的前車這3種碰撞測(cè)試場(chǎng)景。

圖6 實(shí)車測(cè)試場(chǎng)景Fig. 6 Vehicle test real scenario

3.2.1 40 km/h勻速運(yùn)行的本車對(duì)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(guò)程曲線如圖7所示?？梢钥闯觯拒囂崆?.1 s進(jìn)入一級(jí)預(yù)警，提前1.3 s進(jìn)入二級(jí)預(yù)警；制動(dòng)減速度在2～8 m/s2之間且制動(dòng)維持了2.2.s左右；當(dāng)車輛速度降為0 時(shí)，解除制動(dòng)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(duì)前車靜止的碰撞測(cè)試Fig. 7 Collision test of the vehicle at 40 km/h against the front stationary vehicle

3.2.2 80 km/h運(yùn)行的本車對(duì)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(guò)程曲線如圖8所示?？梢钥闯?，本車提前2.3 s進(jìn)入一級(jí)預(yù)警，提前1.2 s進(jìn)入二級(jí)預(yù)警；制動(dòng)減速度在4～8 m/s2之間且制動(dòng)維持了3.4 s左右；當(dāng)車速降為0時(shí)，解除制動(dòng)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(duì)前車靜止的碰撞測(cè)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(yùn)行的本車對(duì)12 km/h勻速運(yùn)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(guò)程曲線見圖9。駕駛員不操作制動(dòng)踏板，本車提前1.6 s進(jìn)入一級(jí)預(yù)警，提前0.9 s二級(jí)預(yù)警；制動(dòng)減速度在4～8 m/s2之間且制動(dòng)維持了2.3 s左右；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到不可能發(fā)生碰撞即本車速度小于等于前車速度時(shí)，自動(dòng)解除制動(dòng)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(duì)前車12 km/h的碰撞測(cè)試Fig. 9 Collision test of the vehicle 80 km/h against the front vehicle 12 km/h

仿真和實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用本文所提自動(dòng)緊急制動(dòng)模型的有效性，其可產(chǎn)生預(yù)警和制動(dòng)：預(yù)警時(shí)間滿足標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019的要求；制動(dòng)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(yǔ)

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(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別對(duì)安全距離、安全時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦，有效降低預(yù)警/報(bào)警頻率；并根據(jù)碰撞可能發(fā)生的嚴(yán)重程度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019的要求進(jìn)行了仿真測(cè)試和實(shí)車試驗(yàn)，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(yù)警信息并采取緊急制動(dòng)措施，有效預(yù)防了碰撞事故的發(fā)生。

由于本文所提控制策略是基于標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242-2019，道路工況較為單一，而實(shí)際道路工況復(fù)雜多變，如多前車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)行工況，此時(shí)車輛制動(dòng)水平容易受到道路情況的影響，后續(xù)將對(duì)此開展更深入的研究。