吳 晗,鄧明星,鄒俊逸,許小偉,嚴(yán)運(yùn)兵
(武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院,湖北 武漢,430065)
在汽車(chē)以較高速度行駛的過(guò)程中,面對(duì)前方車(chē)輛突然制動(dòng)或障礙物意外出現(xiàn)等緊急工況,通過(guò)主動(dòng)避撞系統(tǒng)介入、采取合理避撞操作是保證駕駛安全的重要途徑。隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的廣泛應(yīng)用,縱向制動(dòng)控制和轉(zhuǎn)向避撞控制等主動(dòng)避撞關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展日趨完善[1],不同避撞模式的切換主要基于車(chē)輛間臨界安全距離和即碰時(shí)間(TTC)這兩項(xiàng)決策指標(biāo)[2-3]。廉宇峰[4]以提高車(chē)輛行駛效率為基礎(chǔ),采用轉(zhuǎn)向優(yōu)先原則,只有確認(rèn)轉(zhuǎn)向避撞無(wú)法保證駕駛安全時(shí)再選擇制動(dòng)避撞;李霖等[5]提出了一種融合制動(dòng)控制和轉(zhuǎn)向控制的自動(dòng)緊急控制策略,取得了較好的控制效果;裴曉飛等[6]根據(jù)車(chē)速與地面附著系數(shù),基于安全距離模型,僅考慮前車(chē)因素以確定轉(zhuǎn)向與制動(dòng)的優(yōu)先級(jí),當(dāng)轉(zhuǎn)向優(yōu)先時(shí),再結(jié)合旁車(chē)道交通要素的干預(yù),合理選擇最佳避撞模式;汪[7]根據(jù)路面附著條件和汽車(chē)穩(wěn)定域信息建立了一種集成制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及制動(dòng)轉(zhuǎn)向協(xié)同的主動(dòng)避撞策略。已有研究大多將縱向制動(dòng)和轉(zhuǎn)向避撞模式分別對(duì)待或把二者簡(jiǎn)單組合,較少考慮制動(dòng)/轉(zhuǎn)向避撞模式切換的邊界條件以及旁車(chē)道對(duì)避撞的影響,往往還忽略了因道路附著系數(shù)變化而造成的避撞控制系統(tǒng)對(duì)不同緊急轉(zhuǎn)向工況適應(yīng)性變差的問(wèn)題,在綜合考慮不同避撞模式并集成時(shí),確定切換策略以及準(zhǔn)確的臨界條件尤其重要,這有助于正確評(píng)估碰撞危險(xiǎn)等級(jí)從而使控制系統(tǒng)能根據(jù)不同緊急工況選擇最優(yōu)的避撞模式[8]。有鑒于此,本文提出一種基于路面附著系數(shù)估計(jì)、集成了主動(dòng)制動(dòng)和主動(dòng)轉(zhuǎn)向的緊急避撞控制策略,并借助仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證,以期為汽車(chē)主動(dòng)避撞策略的研究提供參考。
本研究基于魔術(shù)公式輪胎模型[9],依據(jù)輪胎縱向力和滑移率的關(guān)系,采用遞推最小二乘(RLS)法實(shí)時(shí)估計(jì)路面附著系數(shù)。汽車(chē)直線行駛時(shí)的力平衡方程為:
max=Fxf+Fxr-Rxf-Rxr-DA
(1)
式中,m為整車(chē)質(zhì)量,ax是縱向加速度,F(xiàn)xf、Fxr分別是前后輪驅(qū)動(dòng)力,Rxf、Rxr分別是前后輪滾動(dòng)阻力,DA是空氣阻力。輪胎縱向力與滑移率的關(guān)系曲線如圖1所示。在圖1中,當(dāng)滑移率低于2%時(shí)為線性區(qū),該區(qū)間內(nèi)縱向力與滑移率成正比,并且比例系數(shù)與路面附著系數(shù)有關(guān)[10];當(dāng)滑移率超過(guò)30%時(shí)為飽和區(qū),該區(qū)間內(nèi)縱向力基本保持不變;當(dāng)滑移率介于2%~30%為暫態(tài)區(qū),此時(shí)縱向力受路面附著系數(shù)影響較大,同時(shí)也與車(chē)輛狀態(tài)等因素有關(guān)[11]。在車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中,上述3種區(qū)域均有可能出現(xiàn),但影響暫態(tài)區(qū)車(chē)輛縱向力變化的因素較多且存在耦合現(xiàn)象,利用現(xiàn)有估計(jì)算法暫時(shí)還無(wú)法求解這種非線性關(guān)系,因此只能對(duì)其進(jìn)行模糊處理或不更新,所以當(dāng)車(chē)輛縱向力變化為暫態(tài)時(shí),路面附著系數(shù)估計(jì)算法不更新,仍取前一時(shí)刻相應(yīng)值。RLS法估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)形式為:
y(t)=φT(t)θ(t)
(2)
式中,y(t)為輸出,φT(t)為回歸矩陣,θ(t)為需要估計(jì)的未知參數(shù)。
圖1 縱向力與滑移率
在線性區(qū)內(nèi)通過(guò)制動(dòng)過(guò)程中的滑移率變化對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。僅考慮縱向運(yùn)動(dòng),則有:
(3)
式中,F(xiàn)x和Fz分別表示輪胎縱向力和法向力;λ為輪胎滑移率。按式(2)RLS標(biāo)準(zhǔn)形式可知,y(t)即Fx/Fz為輸出;θ(t)即k(μ)為需要估計(jì)的參數(shù);φT(t)即λ為輸入。當(dāng)k(μ)確定后,路面附著系數(shù)μ的計(jì)算公式[12]為:
μ=Ck(μ)+D
(4)
式中,C和D為常數(shù),可由仿真實(shí)驗(yàn)獲得。
飽和區(qū)內(nèi)縱向力僅與路面附著系數(shù)和法向載荷有關(guān),此時(shí):
(5)
式中,a、b分別為車(chē)輛質(zhì)心至前后軸的距離,g為重力加速度。將式(5)帶入式(1)可得:
(6)
安全距離是影響主動(dòng)避撞決策的關(guān)鍵因素,通過(guò)分析車(chē)輛初始速度、路面附著系數(shù)等參數(shù)對(duì)制動(dòng)/轉(zhuǎn)向臨界安全距離的影響可以確定避撞模式切換的邊界條件[13]。
根據(jù)車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程可計(jì)算縱向制動(dòng)臨界安全距離Sb,計(jì)算公式[14]為:
(7)
圖2 縱向制動(dòng)臨界安全距離
本文基于五次多項(xiàng)式模型[15],規(guī)劃了一條適應(yīng)不同路面條件、縱向速度及轉(zhuǎn)向強(qiáng)度的換道軌跡,表達(dá)式為:
(8)
式中,Y(t)為側(cè)向位移,x為縱向位移;ye為換道結(jié)束時(shí)的側(cè)向位移,取值為3.75 m;d為轉(zhuǎn)向時(shí)期的縱向位移。假設(shè)保持縱向速度vx不變,令x=vxt、換道時(shí)間Te=d/vx,帶入式(8)并二階求導(dǎo)可得橫向加速度ay為:
(9)
再對(duì)式(9)求導(dǎo)獲得函數(shù)的極值,則最大橫向加速度aymax為:
(10)
圖3 最大側(cè)向加速度與換道時(shí)間的關(guān)系
表1 側(cè)向加速度強(qiáng)度劃分
考慮車(chē)輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性要求,取最大側(cè)向加速度aymax為0.67μg來(lái)計(jì)算變道時(shí)間,則有:
(11)
由式(8)和表1得到不同車(chē)速及路面附著系數(shù)條件下的避撞換道路徑如圖4所示。當(dāng)路面附著系數(shù)μ由0.8減至0.2時(shí),aymax與路徑曲率相應(yīng)減小,變道時(shí)間Te增加,保證了避撞過(guò)程穩(wěn)定性。當(dāng)車(chē)速不變、μ為0.8時(shí),車(chē)輛的側(cè)向加速度和側(cè)向速度曲線見(jiàn)圖5。側(cè)向加速度曲線曲率變化平滑且最大值始終小于aymax,可避免瞬時(shí)側(cè)向加速度過(guò)大使車(chē)輛發(fā)生側(cè)翻,側(cè)向速度曲線變化平緩能降低轉(zhuǎn)向粗暴對(duì)乘坐舒適性的影響。
以圖6所示雙車(chē)道緊急換道避撞臨界碰撞場(chǎng)景為例進(jìn)行轉(zhuǎn)向避撞臨界安全距離計(jì)算。圖6中本車(chē)道有主車(chē)M和障礙車(chē)F,旁車(chē)道有一前車(chē)R,設(shè)C1、C2分別為車(chē)輛M的左、右前角頂點(diǎn)。主車(chē)M通過(guò)轉(zhuǎn)向換道避免與前車(chē)F發(fā)生碰撞,并且在轉(zhuǎn)向進(jìn)入旁車(chē)道過(guò)程中還需避免與前車(chē)R追尾,達(dá)到該狀態(tài)所需的臨界條件為:當(dāng)主車(chē)M右前角C2點(diǎn)的橫向位移等于前車(chē)F的寬度時(shí),主車(chē)M與前車(chē)F之間還有安全距離,同時(shí),主車(chē)M左前角C1點(diǎn)橫向位移等于H時(shí),主車(chē)M也未與前車(chē)R發(fā)生側(cè)碰或追尾。此時(shí)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系表達(dá)式為:
圖4 換道路徑
(a)側(cè)向加速度
(b)側(cè)向速度
(12)
(13)
式(12)~式(13)中,X(tp1)、Y(tp1)分別為碰撞發(fā)生時(shí)刻主車(chē)M質(zhì)心的縱向、橫向位移;Ss為轉(zhuǎn)向避撞臨界安全距離,Sr為旁車(chē)道避撞安全距離;vMx、vRx為主車(chē)M、旁車(chē)道前車(chē)R的縱向速度;tp1、tp2分別為主車(chē)M與障礙車(chē)F、主車(chē)M與前車(chē)R的碰撞時(shí)間;df為主車(chē)質(zhì)心至其最前端的距離,取值為1.8 m,bf為主車(chē)寬度,取值為2 m,w為障礙車(chē)F寬度,Δd為安全余量,取值為1 m,H為車(chē)道寬度,取值為3.75 m,W為旁車(chē)道前車(chē)寬度,取值為2 m;α為車(chē)輛航向角,有:
(14)
式中,vMy為主車(chē)M側(cè)向速度。
綜合式(9)和式(12)可得轉(zhuǎn)向避撞臨界安全距離隨初始車(chē)速變化的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可見(jiàn),路面附著系數(shù)和障礙車(chē)寬度都會(huì)影響車(chē)輛轉(zhuǎn)向臨界安全距離,當(dāng)車(chē)輛初始速度一定時(shí),臨界安全距離隨路面附著系數(shù)的增大而減小,隨障礙車(chē)輛寬度的增大而增大。
圖6 轉(zhuǎn)向臨界碰撞示意圖
圖7 臨界安全距離隨初始速度變化的曲線
在圖6所示車(chē)輛條件下,分別基于縱向制動(dòng)及轉(zhuǎn)向避撞安全距離模型獲得相應(yīng)的臨界安全距離曲線如圖8所示。由圖8可見(jiàn),當(dāng)μ為0.8、障礙車(chē)F寬為2 m時(shí),基于縱向制動(dòng)避撞的臨界安全距離曲線與基于轉(zhuǎn)向避撞的臨界安全距離曲線交于兩點(diǎn),交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的初始車(chē)速分別為12.8、43.1 km/h(圖8(a)),當(dāng)μ為0.2、障礙車(chē)F寬度不變時(shí),相應(yīng)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的初始車(chē)速分別為12.3、21.7 km/h(圖8(b)),隨著路面附著系數(shù)的減小,兩交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的速度區(qū)間明顯變窄。從圖8中還可以看出,在路面條件相同的情況下,以交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的車(chē)速行駛則兩種避撞模式避撞效果完全一樣,當(dāng)車(chē)速介于兩交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的車(chē)速之間時(shí),縱向制動(dòng)避撞效果稍好,以其它速度行駛則轉(zhuǎn)向避撞效果更佳。又因兩交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的速度區(qū)間較窄,所以在一般高速緊急工況下,轉(zhuǎn)向避撞比制動(dòng)避撞更有優(yōu)勢(shì),并且轉(zhuǎn)向避撞優(yōu)勢(shì)區(qū)域隨著路面附著系數(shù)減小而擴(kuò)大。
(a)μ=0.8,w=2 m
(b)μ=0.2,w=2 m
為了提高車(chē)輛對(duì)不同緊急工況的適應(yīng)能力,本研究所提緊急避撞控制策略會(huì)根據(jù)不同緊急工況采用不同的主動(dòng)避撞模式來(lái)進(jìn)行避撞操作。在車(chē)輛行駛過(guò)程中,通過(guò)感知模塊采集主車(chē)與前車(chē)、旁車(chē)道車(chē)輛的相對(duì)距離和速度信息,上層控制器使用RLS法估計(jì)路面附著系數(shù),當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)時(shí)立即根據(jù)安全距離模型計(jì)算出基于當(dāng)前路面附著系數(shù)的縱向制動(dòng)、轉(zhuǎn)向避撞臨界安全距離,再由決策模塊判斷避撞模式并將決策結(jié)果發(fā)送給下層控制器進(jìn)行避撞操作,圖9所示為緊急避撞控制策略流程圖,圖中S、Sc分別代表主車(chē)與障礙車(chē)及主車(chē)與旁車(chē)道前車(chē)初始縱向距離。從通行效率方面考慮,當(dāng)兩種策略都能實(shí)現(xiàn)避撞時(shí),轉(zhuǎn)向避撞策略優(yōu)先級(jí)高于縱向制動(dòng)策略[13]。因安全距離模型雖能實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前兩車(chē)需要保持的期望車(chē)距,但無(wú)法評(píng)估二者碰撞的危險(xiǎn)程度,故而本文引入車(chē)輛碰撞時(shí)距(TTC-1)決策指標(biāo),使主動(dòng)避撞系統(tǒng)的介入時(shí)機(jī)有據(jù)可依,車(chē)輛碰撞時(shí)距定義為:
(15)
式中,vrel為主車(chē)與障礙車(chē)的相對(duì)速度。由式(15)可知,當(dāng)兩車(chē)相對(duì)速度趨于0時(shí),TTC-1趨于零,TTC-1隨車(chē)輛碰撞危險(xiǎn)等級(jí)的提高而增大??紤]到評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)用性和通用性,按TTC-1指標(biāo)將車(chē)輛安全狀態(tài)分為安全、警告、危險(xiǎn)三個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表2)。當(dāng)TTC-1介于0.5~0.8 s-1時(shí),系統(tǒng)發(fā)出警告提醒駕駛者采取適當(dāng)制動(dòng)操作,當(dāng)TTC-1大于0.8 s-1時(shí),主動(dòng)避撞系統(tǒng)介入,此時(shí)首先判斷主車(chē)與障礙車(chē)距S是否大于制動(dòng)避撞臨界安全距離Sb,若S>Sb,則進(jìn)一步判斷是否S>Ss,若S>Ss,則優(yōu)先采取轉(zhuǎn)向避撞策略, 若S 表2 基于TTC-1的安全等級(jí) 圖9 避撞決策框架圖 轉(zhuǎn)向下層控制器采用基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的軌跡跟蹤控制算法,通過(guò)將車(chē)輛實(shí)際偏航角輸入控制器計(jì)算出理想的車(chē)輛前輪轉(zhuǎn)角以控制車(chē)輛進(jìn)行換道避撞,其工作原理如圖10所示,圖中vfx為旁車(chē)道前車(chē)縱向速度,tc為轉(zhuǎn)向避撞預(yù)碰撞時(shí)間,x、y分別為主車(chē)縱向和橫向位移,φ為車(chē)輛橫擺角,δf為車(chē)輛前輪轉(zhuǎn)角,yref、φref分別為參考路徑橫向位移和橫擺角,X、Y為主車(chē)質(zhì)心縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。為驗(yàn)證轉(zhuǎn)向避撞過(guò)程中的車(chē)輛穩(wěn)定性,穩(wěn)定性判別依據(jù)為[17]: ω≤|μg/vx| (16) 式中,ω為橫擺角速度,vx為縱向車(chē)速。 制動(dòng)下層控制器基于比例積分微分(PID)控制,通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)期望制動(dòng)加速度計(jì)算出理想制動(dòng)壓力[18],PID控制器根據(jù)傳感器實(shí)際值控制執(zhí)行器,使得實(shí)際制動(dòng)壓力不斷跟蹤期望制動(dòng)壓力,工作原理如圖11所示。 圖10 轉(zhuǎn)向下層控制器 圖11 制動(dòng)下層控制器 基于Carsim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行不同緊急工況下雙車(chē)道多車(chē)避撞仿真試驗(yàn)。模擬路況為從水泥路面到冰雪路面的附著系數(shù)突變道路,車(chē)輛模型基本參數(shù)如表3所示。首先進(jìn)行線性區(qū)路面附著系數(shù)估計(jì),設(shè)置初始車(chē)速為110 km/h,θ(0)初值為24,協(xié)方差矩陣P(0)初值為1,對(duì)車(chē)輛施加0.3 MPa制動(dòng)壓力以減速,此時(shí)滑移率變化如圖12所示。由圖12可見(jiàn),滑移率出現(xiàn)明顯階躍且始終小于2%,因此輪胎縱向力與滑移率保持線性關(guān)系,可利用式(4)對(duì)線性區(qū)內(nèi)路面附著系數(shù)進(jìn)行估算。圖13所示為線性區(qū)路面附著系數(shù)估計(jì)值與真實(shí)值的對(duì)比。由圖13可見(jiàn),路面附著系數(shù)估計(jì)值與真實(shí)值基本吻合,最大瞬時(shí)誤差僅為0.03。再進(jìn)行聯(lián)合區(qū)路面附著系數(shù)估計(jì),設(shè)置初始車(chē)速110 km/h,θ(0)初值為0.8,協(xié)方差矩陣P(0)為1,對(duì)車(chē)輛施加6 MPa制動(dòng)壓力以減速,此時(shí)滑移率變化如如圖14所示。由圖14可知,滑移率值變化范圍較大,因此需聯(lián)合線性區(qū)與飽和區(qū)路面附著系數(shù)估計(jì)方法(式(4)與式(6))對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行估算,圖15所示為聯(lián)合區(qū)內(nèi)路面附著系數(shù)估計(jì)值與真實(shí)值的對(duì)比。由圖15可見(jiàn),利用算法所得路面附著系數(shù)估計(jì)值與實(shí)際值基本相符,僅存在約0.1 s的滯后,這對(duì)后續(xù)避撞控制無(wú)影響。上述仿真結(jié)果表明,利用算法對(duì)路面附著系數(shù)進(jìn)行估算的結(jié)果準(zhǔn)確。 表3 車(chē)輛參數(shù) 設(shè)置3種工況(表4)進(jìn)行路面避撞仿真試驗(yàn),主要參數(shù)包括主車(chē)速度vx、旁車(chē)道前車(chē)速度vRx、主車(chē)與前方障礙車(chē)初始距離S、主車(chē)與旁車(chē)道前車(chē)初始距離Sc、路面附著系數(shù)μ。3種工況下的仿真試驗(yàn)結(jié)果分別如圖16~圖18所示。 在高速高附著工況下,TTC-1為2.25 s-1,避撞系統(tǒng)介入,根據(jù)臨界安全距離模型計(jì)算得到Sb為44.9 m、Ss為26.3 m、Sr為12.3 m,則Ss 圖12 線性區(qū)輪胎滑移率變化 圖15 聯(lián)合區(qū)路面附著系數(shù)變化 表4 仿真工況 (a)橫向加速度 (b)橫擺角速度 (c) 車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡 (d) 縱向位移 在低速高附著工況下,TTC-1為1.6 s-1,避撞系統(tǒng)介入,通過(guò)安全距離模型計(jì)算得到Sb為18.9 m、Ss為16.2 m、Sr為15.1 m,則Ss (a)制動(dòng)車(chē)速 (b)制動(dòng)縱向位移 在高速低附著工況下,TTC-1為1.29 s-1,避撞系統(tǒng)介入,通過(guò)安全距離模型計(jì)算得到Sb為164.4 m、Ss為51.3 m,Sr為22.2 m,則Ss (a)橫向加速度 (b)橫擺角速度 (c) 車(chē)輛運(yùn)動(dòng)軌跡 (d) 縱向位移 本文針對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中的緊急避撞問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于路面附著系數(shù)估計(jì)并結(jié)合制動(dòng)、轉(zhuǎn)向安全距離模型的緊急避撞控制策略,其中對(duì)路面附著系數(shù)的估計(jì)采用遞推最小二乘(RLS)法。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)時(shí),上層控制器立即根據(jù)安全距離模型并基于路面附著系數(shù)估計(jì)計(jì)算出縱向制動(dòng)及轉(zhuǎn)向避撞的臨界安全距離,隨即做出相應(yīng)的避撞決策并將指令發(fā)送至下層控制器進(jìn)行避撞操作,下層控制器分為轉(zhuǎn)向控制器和制動(dòng)控制器,二者的設(shè)計(jì)分別基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)和比例積分微分(PID)。為了驗(yàn)證所提避撞控制策略的有效性,本文搭建Carsim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該控制策略能有效控制車(chē)輛根據(jù)不同緊急工況采取合理的避撞模式并完成主動(dòng)避撞操作。在此基礎(chǔ)上,下階段本課題組擬結(jié)合制動(dòng)、轉(zhuǎn)向協(xié)同避撞模式與速度規(guī)劃來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)輛避撞控制策略。3.2 下層控制器設(shè)計(jì)
4 仿真驗(yàn)證
Sc,上層控制器根據(jù)控制策略判定車(chē)輛采取縱向制動(dòng)避撞。仿真結(jié)果顯示,主車(chē)在0.4 s時(shí)開(kāi)始制動(dòng),至2.4 s時(shí)制動(dòng)停車(chē)(圖17(a))。在采取制動(dòng)/轉(zhuǎn)向避撞控制時(shí)的縱向位移仿真結(jié)果(圖17(b))表明,采取制動(dòng)避撞時(shí)主車(chē)在t1點(diǎn)完成制動(dòng)且與前車(chē)保持足夠安全距離,而采取轉(zhuǎn)向避撞時(shí)主車(chē)雖然能避免與前車(chē)追尾,但在t2點(diǎn)已與旁車(chē)道前車(chē)發(fā)生側(cè)碰,轉(zhuǎn)向避撞失效。5 結(jié)語(yǔ)