智能網聯汽車自動緊急制動系統行人避撞聯合仿真

呂 翱

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350007）

智能網聯汽車是傳統汽車與無線網絡通信模塊的集成體，在新一代移動通信技術快速發展的大背景下，與云端計算機相連接的傳統汽車開始朝向智能化的方向發展［1］。若采用合適的數據處理方法，與云端計算機相連接的智能網聯汽車就能夠實現實時行人避障，車輛行駛的安全性也會得到顯著的提升，為司機和行人的安全提供更加充分的保障［2］。

1 自動緊急制動系統的算法應用機制

本研究以車輛與行人的碰撞時間為核心指標對車輛行駛的安全狀況進行判定，車輛針對行人的碰撞時間指的是司機為避免與行人發生碰撞所需要的制動時間，該指標的計算方法如下［3］：

公式（1）將車輛針對行人的碰撞時間記為T；將車輛與行人之間的相對加速度記為△a，單位為m/s2；將車輛與行人之間的縱向相對速度記為△v，單位為m/s。各種車速下不同安全等級所對應的T的取值范圍如表1 所示。車輛在行駛過程中，若T值不符合當前車速下的安全等級要求，緊急制動系統就會自發出報警［4］。

表1 各種車速下不同安全等級所對應的T的取值范圍

2 自動緊急制動系統的基本構成

自動緊急制動系統主要由算法控制子系統和PID 控制子系統兩部分構成，算法控制子系統負責向PID 控制子系統發送期望減速度數字信號，為自動緊急制動提供數據驅動［6］；其中PID 控制子系統負責將期望減速度值轉化為制動管路壓力，進而針對車輛實施制動管理［5］。

2.1 算法控制子系統

如公式（1）所示，本次研究所設計的自動緊急制動系統算法具體包括縱向相對距離△s（m）和相對速度△v（km/h）兩項輸入量。算法輸入語言變量按W1（正小）～W7（正大）、N0（零）、M10（負大）～M1（負小）進行劃分。通過N0、W1、W2、W3、W4、W5、W6、W7共計8個語言變量對△s的論域［0，80］進行描述；通過N0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10共計11個語言變量對△v的論域［-150，0］進行描述；通過N0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7共計8 個語言變量對輸出量期望減速a 的論域［-10，0］進行描述。縱向速度差隸屬度函數、間距隸屬度函數、車輛期望減速度隸屬度函數分別如圖1、圖2和圖3所示。在確保車輛行駛安全的基礎上，綜合考慮行人測試工況和乘客的舒適性總結出如表2所示的部分控制規則。

圖1 縱向速度差隸屬度函數

圖2 間距隸屬度函數

圖3 車輛期望減速度隸屬度函數

表2 部分算法制動控制規則

2.2 PID控制子系統

PID 控制子系統在獲取期望減速度值后會自動將該值轉換為車輛制動管路壓力，進而實現針對車輛的自動緊急制動［7］。該子系統所需要的驅動參數分別為期望減速度、實際減速與期望減速度之間的差值，經過一系列計算后得到最終的制動管路壓力值，而實際減速與期望減速度之間的差值則用于誤差控制［8］。PID控制子系統中所含有的參數分別為微分參數（kd）、積分參數（ki）和比例參數（kp），并根據實際減速與期望減速度之間的差值來選取參數值［9］。

3 自動緊急制動系統的仿真實驗

3.1 車輛工況

本次研究根據中國新汽車評價規程（CVFA）基于E級前置前驅SUV 車型進行仿真實驗，所使用的仿真程序為CarSim，結合車輛輪胎、懸架、制動系、傳動系、轉身系、車身等結構建立動力學模型，具體參數如表3所示。

3.2 行人工況

本次研究所分析的行人工況具體包括兩大類，分別為行人遠端橫向穿行和行人近端橫向穿行，在此基礎上依照碰撞位置的不同將遠端穿行分別為CVFA-25 和CVFA-50，依照碰撞位置的不同將近端穿行分別為CVNA-25和CVNA-75，具體工況如圖4和圖5所示。

在圖4中，行人的運動軌跡為線段AA，行人的加速距離為G，車輛的行駛軌跡為線段BB，碰撞位置偏移量為C。近端場景25%碰撞位置為M，近端場景50%碰撞位置為K。

表3 車輛主要參數

圖4 近端行人測試場景

圖5 遠端行人測試場景

在圖5 中，25%遠端場景碰撞位置為M，50%遠端場景碰撞位置為L，25%遠端場景碰撞位置偏移量為C。

本次研究共計設定5 組工況參數，車速分別為20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h。測試場景分別為CVFA-50、CVFA-25、CVNA-25、CVNA-75。其中CVFA和CVNA場景下的行人速度分別為6.5km/h和5.0km/h。

3.3 實驗結果分析

本次研究所得出的仿真實驗結果如表4-8所示。

表4 車速20km/h下測試工況仿真結果

表5 車速30km/h下測試工況仿真結果

表6 車速40km/h下測試工況仿真結果

表7 車速50km/h下測試工況仿真結果

表8 車速60km/h下測試工況仿真結果

根據仿真實驗結果可知，在緊急制動的情況下，車輛與行人之間的縱向相對距離保持在0.9～3.1m 之間，不僅可以避免不必要的傷害，也不會給行人或司機造成恐慌；車輛的制動強度范圍為0.48～0.61，車輛的減速度控制在4.8～6.1m/s2，屬于中等制動強度。在本次實驗中，緊急制動系統的漏警次數為0，預警時間僅有1s左右，避撞效果良好。

4 結語

本文對智能網聯汽車自動緊急制動系統的設計方法進行了詳細的介紹，設計了一個避撞效果良好、制動性能優良的緊急制動系統。仿真實驗發現，合理運用計算機算法能夠有效提升車輛的安全性，實現高水平的自動化制動。