可變制動策略緊急制動控制系統(tǒng)的建模與仿真研究

熊 焱 劉 斌

(1.上海內燃機研究所有限責任公司，上海 200438；2.上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

美國高速公路安全管理局(NHTSA)根據相關調查表明[1]，90%以上的交通事故都是由于駕駛員主觀原因導致的，其中追尾碰撞占比高達30%以上。歐洲新車安全評鑒協(xié)會(Euro-NCAP)和澳大利亞新車安全評鑒協(xié)會(A-NCAP)研究指出[2]，無論在城市道路還是城郊道路下，自動緊急制動系統(tǒng)(AEB)能有效地降低38%的追尾碰撞事故。然而，在研究不同制動策略的AEB系統(tǒng)對車輛性能表現影響時，固定的單級或雙級制動策略往往無法滿足快速便利的研究需求[3-4]。

為了解決上述問題，本文從AEB控制系統(tǒng)輸出控制模塊入手，創(chuàng)新性地提出對AEB控制系統(tǒng)中的部分制動請求進行計數，并在全制動請求發(fā)出條件設置部分請求制動數閾值，以此通過相關參數實現對AEB系統(tǒng)部分制動請求和全制動請求進行控制。通過CarSim與Simulink軟件進行仿真試驗，驗證了設計模型的合理性和該方法的可行性。該方法為AEB控制系統(tǒng)制動策略研究提供了便利，在一定程度上也為AEB控制系統(tǒng)開發(fā)和研究提供了新的思路。

1 AEB控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

1.1 AEB制動策略可變控制設計

車輛在行駛過程中，當AEB系統(tǒng)監(jiān)測到車輛前方有潛在危險時，通過發(fā)送ABE預填充(ABP)請求信號，請求車身電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)(ESC)增加較小的主缸壓力，從而消除制動間隙。與此同時，根據不同工況下的危險程度發(fā)送自適應制動輔助(ABA)請求信號和ABA激活等級信號。AEB系統(tǒng)按危險等級發(fā)出部分制動請求信號、全制動請求信號，以及相應的AEB目標減速度請求信號。

為了實現制動策略可變的設計要求，通過圖1所示模塊對AEB部分制動請求信號進行計數。在AEB部分制動請求信號發(fā)出后，利用基礎采樣時間延遲的方法，對AEB部分制動請求信號進行計數。以此得到當前AEB控制系統(tǒng)向執(zhí)行器發(fā)出時序上最近的部分制動請求信號前的AEB部分請求計數值。

圖1 部分制動請求信號計數模塊

如圖2所示，通過模塊用于全制動請求信號發(fā)出的最后判斷條件，AEB全制動請求初始信號滿足除其他發(fā)出全制動請求信號條件的所有指示信號。當AEB全制動請求初始信號為真且部分制動信號計數大于AEB部分制動計數閾值時，AEB控制系統(tǒng)才會發(fā)出全制動請求信號，若二者之中有信號為假時，則全制動請求信號也為假。其中，AEB部分制動計數閾值用于控制全制動請求前的部分制動請求信號的循環(huán)數，是在一定范圍內實現制動策略可變的重要參數。

圖2 全制動請求信號局部控制模塊

本文基于安全時間模型設計了AEB控制系統(tǒng)，并對AEB控制系統(tǒng)目標在徑判斷、碰撞時間閾值、制動等級確定和系統(tǒng)輸出控制等模塊進行了Simulink建模設計。圖3為設計的AEB控制系統(tǒng)整體模型。

圖3 AEB控制系統(tǒng)整體模型

1.2 聯(lián)合仿真模型

為了驗證控制模型和實現制動策略可變方法的合理性，需要建立整車動力學模型。本文通過上汽某款車型為參考，相關車型參數如表1所示，在CarSim中建立整車模型，定義CarSim和Simulink仿真接口及試驗工況。

當AEB激活工作前，需要通過節(jié)氣門控制動力學模型車速。AEB控制系統(tǒng)在激活后工作時，會以開環(huán)方式控制車速，并按AEB請求的目標減速度盡可能減小車速。在AEB激活工作過程中，節(jié)氣門開度降至怠速狀態(tài)。對于復雜的逆動力系統(tǒng)模型，可以簡化為AEB激活工作前和激活工作后2個狀態(tài)。在AEB激活前的極短時間內，可認為車輛是勻速行駛；在AEB工作后，由AEB控制系統(tǒng)控制車輛運動。如圖4所示，為了簡化逆發(fā)動機模型，利用建立好的整車模型和道路模型，在CarSim軟件利用閉環(huán)控制恒定車速的方法，得出在不同車速下穩(wěn)定車速狀態(tài)的節(jié)氣門開度曲線。

表1 某車型動力學模型基本參數

圖4 不同車速下的節(jié)氣門開度曲線

利用一維查表方法，在Simulink軟件中設計了簡易的逆發(fā)動機模型，如圖5所示。

圖5 簡易逆發(fā)動機模型

為了模擬實際車輛通過AEB控制的制動過程，本文設計了逆制動系統(tǒng)模型。設計主要思路是根據AEB控制系統(tǒng)發(fā)出的減速度請求信號，結合車輛在制動過程中的動力學分析，建立起可作為CarSim軟件輸入信號的制動主缸壓力計算模型。

為了計算整車模型制動力和制動壓力參數Kb，在CarSim軟件中設置車輛初速度為30 km/h，并在制動主缸輸入2 MPa的制動壓力，得到前輪制動力矩為600 N·m，后輪制動力矩為300 N·m，車輪滾動半徑為0.347 m。根據相關公式可得，Kb值為1 296.83。如圖6所示，在Simulink軟件中建立逆制動系統(tǒng)模型。圖7為Simulink和CarSim軟件聯(lián)合仿真模型。

圖6 逆制動系統(tǒng)控制模型

圖7 Simulink和CarSim軟件聯(lián)合仿真模型

2 仿真結果分析

2.1 基本思路

根據建立的Simulink和CarSim軟件聯(lián)合仿真模型，在CarSim軟件中設置Euro-NCAP中前車靜止場景(CCRs)試驗工況[5]，主車距離目標車輛40 m，并以30 km/h的初速度接近目標車輛。通過改變AEB部分制動計數閾值，觀察AEB控制系統(tǒng)性能表現。

2.2 結果分析

當設置AEB部分制動計數閾值等于1時，即AEB系統(tǒng)監(jiān)測需要采取制動時便請求最大減速度，仿真結果如圖8所示。結果顯示，隨著車間距離的減小，在即碰時間(TTC)滿足制動時間閾值后，在3.45 s時，AEB控制系統(tǒng)發(fā)出的全制動請求信號值由0變?yōu)?，并請求0.8 G的減速度。部分制動請求信號值為0，未發(fā)生改變。車輛加速度在短時間內增加至0.8 G，當車速降為0時，后車距離前車1.88 m，未發(fā)生碰撞。整個制動過程較為連續(xù)，縱向減速振蕩較小。由于采取單級最大減速度，主車制動至停車時，車間距離較大，整個制動過程比較符合保守型駕駛員風格，且舒適性較好。

圖8 AEB部分制動計數閾值等于1時的仿真結果

當設置AEB部分制動計數閾值等于8時，即采取一定程度的雙級制動策略，仿真結果如圖9所示。結果表明，在3.45 s時，AEB控制系統(tǒng)發(fā)出部分制動請求，AEB部分制動請求信號值由0變?yōu)?，系統(tǒng)請求0.4 G減速度，車輛速度開始降低。當AEB部分制動請求計數值滿足大于8時，即在3.8 s時，全制動請求信號值由0變?yōu)?，相應的AEB目標減速度信號值由部分制動時的0.4 G變?yōu)槿苿訒r的0.8 G，符合設計策略。從車輛運動狀態(tài)可以看出，前期車輛車速的降低較慢，后期車速降低較快。當后車制動至停車時，距離目標車輛0.46 m，未發(fā)生碰撞。雙級制動策略適合激進型駕駛風格的駕駛員，適合配置在運動型車型上。由于前期制動強度較小，后期制動強度相對較大，整個制動過程不連續(xù)，制動過程舒適性較差。

圖9 AEB部分制動計數閾值等于8時的仿真結果

3 結論

本文充分利用模型定步長特性，對AEB控制系統(tǒng)中的部分制動請求信號進行計數，并將計數值作為全制動請求發(fā)出的判斷條件，在AEB控制模型中建立了制動策略可變模塊，創(chuàng)新性地實現了在同一AEB控制模型中研究不同制動策略對AEB系統(tǒng)性能的影響。

在CarSim軟件中建立了整車動力學模型和仿真工況的基本要素，在Simulink軟件中建立了簡易逆發(fā)動機模型和逆制動系統(tǒng)模型，利用CarSim和Simulink軟件對設計的模型進行聯(lián)合仿真。通過改變AEB部分制動計數閾值，研究了單級和雙級制動策略特性的建模仿真方法。結果表明，設計的制動策略可變模塊能夠較好實現對不同制動策略的AEB控制系統(tǒng)的研究，從而驗證了設計方法的合理性和有效性。