吳桐，韓同群，倪雅蓓

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車集團有限公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

自動緊急制動系統(tǒng)（automatic emergency broking，AEB）是高級駕駛輔助系統(tǒng)的重要組成部分，可以提高車輛的主動安全水平，該系統(tǒng)檢測前方的碰撞危險程度，向駕駛員發(fā)出信號，若駕駛員沒有及時應(yīng)對，系統(tǒng)會自行制動，使車輛的速度降低，從而避免發(fā)生碰撞。隨著GB/T38186—2019、JT/T1242—2019、JT/T883—2014等標(biāo)準(zhǔn)的實施，重型商用車配置AEB系統(tǒng)將成為必然。張勇剛［1］等綜合考慮駕駛員的個性差異，建立了不同行駛工況下的最小安全距離模型，解決了不同環(huán)境中最小安全距離不準(zhǔn)確的問題。楊為等［2］提出了一種上層模糊控制、下層PID控制的分層行人避撞控制策略。唐陽山等通過采集不同駕駛員的反應(yīng)時間建立仿真，發(fā)現(xiàn)不同駕駛員反應(yīng)時間對安全距離有較大的影響［3］。目前制定的AEB算法主要有2種：一是基于安全距離模型，如Mazda模型、Honda模型、Berkeley模型等；二是基于碰撞時間模型。傳統(tǒng)的碰撞時間模型會出現(xiàn)減速過多和制動結(jié)束時與前車距離過大等問題。避撞算法應(yīng)避免過早地介入制動，還要達到避撞的目的。文中在碰撞時間模型的基礎(chǔ)上，引入了相對加速度，建立了新的碰撞時間模型，提出了一種碰撞時間模型與安全距離相結(jié)合的分層控制策略，使車輛制動結(jié)束后與前車距離更智能。最后通過TruckSim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真進行驗證。

1 AEB總體仿真方案

為了更好地驗證策略的有效性，以TruckSim和MATLAB/Simulink軟件聯(lián)合仿真的方式進行驗證，在TruckSim軟件中建立車輛動力學(xué)模型以及仿真場景，在MATLAB/Simulink軟件中搭建策略的控制算法模型，仿真的總體方案如圖1所示。

圖1 總體仿真設(shè)計方案

AEB策略的研究主要由兩部分構(gòu)成，一是對控制策略的研究與模型的搭建，二是測試場景的建立［4］。中國新車評價規(guī)程（China new car assessment program，C-NCAP）規(guī)范了AEB系統(tǒng)的測試內(nèi)容。文中采用分層控制的思想完成對AEB策略的設(shè)計，上層控制器基于改進的碰撞時間模型（timeto-collision，TTC）對當(dāng)前車輛的行駛狀態(tài)進行判斷，并根據(jù)車速和TTC閾值對減速度進行決策；下層控制器根據(jù)上層控制器輸出的望制動減速度與車輛信息計算出期望制動安全距離，通過PID控制調(diào)節(jié)主缸制動壓力來對車輛進行控制。最后根據(jù)2021版C-NCAP中關(guān)于AEB系統(tǒng)的規(guī)章測試方案進行仿真計算，評價策略的有效性。

2 制定控制策略

2.1 TTC模型

TTC模型是指兩車發(fā)生碰撞所需的時間。通過計算自車和目標(biāo)車之間的碰撞時間，設(shè)置相應(yīng)的碰撞時間閾值，當(dāng)兩車的碰撞時間低于設(shè)定的閾值時開始制動［5］。傳統(tǒng)TTC模型公式如下：

式中：D為自車與目標(biāo)車的相對距離；vrel為目標(biāo)車的相對速度。車輛行駛時工況種類復(fù)雜，故提出一種基于前后兩車相對加速度的TTC算法，更加適用于多種工況。TTC的計算應(yīng)與自車、前車的行駛信息如自車行駛速度v1、前車行駛速度v2、相對速度vrel、相對加速度arel有關(guān)，所以

根據(jù)前車在碰撞時是否停止，將D的計算分為2種情況，判斷指標(biāo)為前車開始制動到制動停止需要的時間tc，即

假設(shè)碰撞發(fā)生時前車處于運動狀態(tài)，即tc＞TTTC：

將得出的TTTC在判斷條件中驗證，若滿足條件則停止計算，若不滿足則按照另一種情況計算：

當(dāng)碰撞發(fā)生時前車處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時tc小于TTTC，則式（3）可簡化為

則式（6）可變?yōu)?/p>

當(dāng)自車和前車都是勻速運動時，即a1=a2=0時，則

可以看出，在傳統(tǒng)碰撞時間模型的基礎(chǔ)上考慮了前后車的加速度。前車車速大于自車車速時，沒有追尾危險，所以只考慮TTTC值大于0的情況。

2.2 安全距離模型

當(dāng)自車發(fā)現(xiàn)危險并即將開始制動，此時與前車距離為S，自車開始制動到停止制動的時間內(nèi)，自車駛過的距離為S1，前車行駛的距離為S2，制動停止時兩車之間的距離為d0。最小安全距離為

AEB系統(tǒng)是作用于自車與前車在同向行駛時，車輛緊急制動的效果與制動距離有著直接的關(guān)系，所以需要分析當(dāng)駕駛員察覺到前方道路情況后，踩下制動踏板至踏板最大行程，使車輛進行制動直至最后停車的過程［6］。當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)前后出現(xiàn)緊急情況時，察覺到需要制動的時間為t1′，右腳從油門踏板移動到制動器踏板的時間為t1″，（t1′+t1″）為駕駛員反應(yīng)時間t1，一般為0.3～1.0 s；制動器作用時間為t2，由于零件之間存在間隙，消除間隙時間為t2′，制動踏板的行程達到一定程度后，制動器的制動力開始增加，這一過程所需時間為t2″，（t2′+t2″）為制動器作用時間，一般為0.2～0.9 s；當(dāng)制動踏板行程達到最大時，制動力也隨之達到最大，保持到車速下降至0km·h?1，稱為持續(xù)制動時間；當(dāng)危險消失，駕駛員將右腳從制動踏板移開，制動力不能馬上卸掉，這一階段為放松制動器階段［7］。

考慮駕駛員反應(yīng)時間以及制動器作用時間，這2個階段均沒有減速度產(chǎn)生，時間也較為短暫，故可以認(rèn)為車輛勻速行駛，最小制動安全距離為

式中：a1為自車減速度；a2為前車減速度；t1為駕駛員反應(yīng)時間，取0.1 s；t2為制動器延遲反應(yīng)時間，取0.6 s；d0為最小安全距離。

2.3 制定控制策略

在車輛行駛過程中，上層控制器接受周圍環(huán)境信息和車輛自身狀態(tài)信息確定預(yù)碰撞時間，以TTC閾值作為有效指標(biāo)，但不能將TTC閾值設(shè)為定值常數(shù)，若使用單一的TTC閾值作為危險判斷指標(biāo)，會造成低速時制動提前、高速時制動延后的情況。因此以車速和TTC閾值作為制動策略的判斷條件，制定不同減速度的制動策略。NHTSA分析了83名駕駛員在碰撞過程中制動過程，統(tǒng)計出制動過程中平均減速度和最大減速度值如表1所示［8］。表1表明約95%的駕駛員在制動過程中，平均制動減速度達到0.55g（g=9.8m·s?2），其中最大制動減速度可達到0.92g，約為平均制動減速度的2倍。文獻［9］統(tǒng)計了不同制動減速度下所需要的避免發(fā)生碰撞的時間，如表2所示，可以看出在發(fā)生碰撞前1.8 s開始以0.5g的減速度制動可避免95%情況下的碰撞。在減速度為0.675g時，1.5 s便可避免絕大多數(shù)的碰撞情況。

表1 駕駛員制動減速度分布

表2 不同制動強度下所需的避障時間 s

將自車車速分為低、中、高3種車速行駛工況。車速低于20km·h?1為低速行駛工況，車速處于20～50km·h?1為中速行駛工況，車速高于50km·h?1為高速行駛工況。同時滿足車速條件與TTC閾值條件時，給出此時的期望制動減速度aexp。根據(jù)表1中的制動減速度與表2中的避撞時間，具體制動控制策略如表3所示。將上層決策模塊輸出的車輛制動狀態(tài)信息和期望制動減速度值輸入到式（10）中，計算出期望最小安全距離。為減小期望最小安全距離與實際最小安全距離之間的誤差，選擇反饋PID控制器對誤差進行控制，由PID控制器和被控對象組成，控制誤差e（t）為期望最小安全距離dexp和實際最小安全距離dt之間差值，即

表3 緊急制動策略

PID的控制規(guī)律為

其傳遞函數(shù)的形式為

式中：KP為比例增益；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。試湊法求出下層PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)值分別為4、10、0。

3 聯(lián)合仿真

3.1 模型搭建

TruckSim軟件是專門用于車輛動力仿真的軟件，主要由車輛參數(shù)與測試場景設(shè)置部分、模型計算與求解部分和后處理部分組成。其優(yōu)勢在于計算速度快、可視化效果好、適用于多種車型。某重型商用車的技術(shù)參數(shù)見表4，在TruckSim軟件中建立車輛動力學(xué)模型。在Simulink中搭建AEB策略，與TruckSim模塊進行聯(lián)合仿真（圖2）。Simulink的輸出為車輛制動主缸壓力變量。TruckSim模塊的輸出變量分別為自車車速、自車與前車相對距離、自車與前車的相對速度和自車的加速度。

表4 某重型牽引車基本參數(shù)

圖2 聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)圖

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)2020版C-NCAP規(guī)定，AEB系統(tǒng)車車場景測試主要分為前車靜止（CCRs）、前車勻速（CCRm）和前車制動（CCRb），參數(shù)如表5所示。

表5 C-NCAP測試法規(guī)AEB測試工況

1）CCRs工況 自車以40km·h?1勻速行駛，兩車初始距離為100m。自車在仿真開始7.7s之內(nèi)以40km·h?1的速度勻速行駛，7.718s開始制動，施加了約10.4MPa的制動力，產(chǎn)生了約6.47m·s?2的減速度，9.64s時完成制動并停車，停止后與前車距離為1.037m。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 CCRs工況仿真結(jié)果

2）CCRm工況 自車以50km·h?1勻速行駛，前車以20km·h?1勻速行駛，兩車初始距離為100m。仿真開始10.4s之內(nèi)以50km·h?1的速度勻速行駛，10.51s時開始以10.65MPa的制動力制動，產(chǎn)生了約7.08m·s-2的制動減速度，10.84s時完成制動并停車停止后與前車距離為3.38m。結(jié)果見圖4。

圖4 CCRm工況仿真結(jié)果

3）CCRb工況 自車以50km·h?1勻速行駛，目標(biāo)車車速為50km·h?1，并以4m·s?2的減速度進行制動，兩車初始距離為40m。仿真開始3.6s之內(nèi)以50km·h?1的速度勻速行駛，3.67s時開始以12.55MPa的制動力制動，產(chǎn)生了約8.8m·s?2的制動減速度，5.5s時完成制動并停車，停止后與前車距離為1.508m。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 CCRb工況仿真結(jié)果

4 結(jié)論

基于碰撞時間模型設(shè)計了重型商用車自動緊急制動分層控制策略。通過TruckSim與Simulink軟件的聯(lián)合仿真驗證了前車靜止、前車勻速和前車制動等工況。結(jié)果表明該AEB系統(tǒng)在不同工況下，完成制動后與前車的距離保持在1～3.4m，可看出文中分層控制策略在保證安全的前提下縮短了停車后與前車的距離，一定程度上提高了AEB系統(tǒng)的智能性，驗證了該分層控制策略的可靠性。