基于5R1V的交通擁堵輔助系統切入工況 減速時機策略研究

鄭望曉，周祥祥，劉建平，鄭 磊

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 試驗認證部，廣東 廣州 510000）

引言

近年隨著智駕技術的發展，目前市場上搭載智能駕駛輔助系統車型的占比逐年攀升，其中日常使用的代表駕駛輔助系統為自適應巡航系統ACC。在簡單的高速工況下，車輛較少，ACC系統能夠很大程度上緩解駕駛員腳部疲勞，駕駛員只需要控制轉向即可，但傳統ACC系統在城市工況下存在較大的不便利性，原因在于城市工況下，交通情況復雜，車輛密集，車輛頻繁起步與停止。特別是若存在前方并道、道路維修或者交通事故的情況，變道切入的工況非常多，發生碰撞地風險也隨之加大。TJA 系統最早由奔馳和寶馬公司在2013年提出，并在其2014款車型上裝備，面對城市工況的駕駛輔助需求，交通擁堵輔助系統TJA是未來幾年大力發展的方向。

TJA系統可以將車輛保持在本車道中心線一定范圍內，并跟隨前車行駛與停車。目前市場上的交通擁堵輔助系統，多數采用一個前向毫米波雷達（前保中心）與一個前視攝像頭（前擋風玻璃中心）融合的方式。但由于雷達方位角與攝像頭視角范圍為定值，TJA系統對于在近距離切入或緊急切入的目標車輛無法及時識別，導致與前車跟車距離較近或減速度過大，給用戶強烈的不安全感，或者對于換道切入的車輛識別較晚，有碰撞風險。

搭載更多傳感器的駕駛輔助系統，毫米波雷達覆蓋周邊更大的范圍，在一定程度減少變道切入地風險。本文試驗車輛模型搭載5個雷達（正前向1個，車輛四角各1個）與1個前視攝像頭（簡稱5R1V），雷達波覆蓋范圍更廣，可以更早探測到相鄰車道內的車輛，為TJA系統的策略優化與風險規避提供硬件基礎。

針對TJA系統的驗證，目前還沒有全面客觀的測試評價體系[1]。目前國內i-VISTA試驗規程，在單車道縱向控制能力項目中定義了3種前車切入工況[2]，為切入工況提供參考。本文基于5R1V車輛模型，建立變道切入模型，并參考ISO標準[3]相關研究，針對18 km/h～60 km/h速度區間的TJA控制策略進行研究分析，相較原TJA控制策略可提升縱向控制的舒適性與用戶安全感。

1 傳感器安裝位置

本文車輛模型中角雷達傳感器安裝位置如圖1所示。前角雷達方向為與車輛前進方向成45°～50°的方向。后角雷達方向為與車輛前進方向成45°～50°的方向。角雷達在水平方向上的錐桶角度為±80°。前向中距毫米波雷達的水平錐桶角度為±30°。

圖1 雷達安裝位置與覆蓋范圍

角雷達的安裝彌補了單雷達與單攝像頭由于角度限制而無法覆蓋的范圍，對于本車道內的前方區域可以實現基本全覆蓋。

2 減速度曲線與主觀評價

2.1 減速度曲線

根據ISO[3]標準的推薦，在0 km/h～18 km/h時，主車加速度不應大于0.5 g；在72 km/h～100 km/h速度區間，主車加速度不應大于0.35 g，在18 km/h～72 km/h速度區間，加速度的限值成線性變化。在18 km/h～60 km/h速度區間，加速度的推薦限值為3.83 m/s2～5 m/s2。（加速度為絕對值），具體曲線如圖2。

圖2 加速度限值與速度關系圖

2.2 主觀評價

對于cut in工況的評價，從舒適性與安全感兩方面出發。舒適性主要受減速度的大小影響，安全感主要考慮剎車時機、與目標車輛的縱向距離因素的影響。通過SAE J1441 2007[4]主觀評價法進行評價，分值為1~10，當分值≥6是期望區間。通過實車切入工況評價，在18 km/h～60 km/h速度區間，減速度a＞?3 m/s2，兩車縱向最小距離大于4.5 m為期望區間。以此為基礎建立減速模型，在上述速度區間減速度下限為?3 m/s2，小于ISO標準推薦加速度的限值。

3 減速模型

3.1 變道切入模型

在本文中定義車道寬度W0=3.5 m，車道線寬度為l0=0.2 m。相鄰車道內車輛切入本車道，與試驗車輛的橫向距離不斷減小，定義切入車輛的輪胎外緣與本車道的車道線內側首次重疊為初始越線時刻。當變道車輛切入本車道且縱向中軸線與本車道中軸線重疊，則定義變道切入完成。因此可以計算得到整個變道過程變道車輛的橫向移動距離為：

根據王雪松的變道切入行為分析[5]，變道切入持續時間均值為T=3.82 s。

為簡化變道切入模型，定義變道開始時刻變道車輛中軸線與車道中線重疊，且變道過程中縱向速度不變。則橫向偏移距離為W=3.7 m，通過計算可得到變道平均橫向速度為：

通過計算得到vc=0.969 m/s。在本文中定義變道橫向速度為勻速0.969 m/s。

3.2 車輛減速模型

為保證盡可能短的剎車距離，在模型中定義從試驗車輛識別到前方目標車輛（速度低于試驗車輛）開始減速至完成減速，整個過程中的縱向減速度a保持?3 m/s2。這樣在保證舒適性的前提下盡可能減小剎車距離，以增大縱向間距從而提升用戶安全感。

試驗車輛在TJA減速之前保持均速向前行駛，速度為vh（km/h），前方變道車輛在切入過程中縱向保持勻速vt（km/ h），且vt＜vh。實際變道過程中變道車輛縱向減速度較小，在本模型中忽略變道車輛縱向減速度。定義兩車速度差為vd（km/h），則：

當試驗車輛速度從vh降低到vt，即速度降為vd時，則兩車無碰撞風險。

變道車輛越線時刻為初始0時刻，從變道車輛越線時刻到試驗車輛開始減速時刻，持續時間為t1；從試驗車輛開始減速到速度降低vd時刻，持續時間為t2，則可得到速度降vd與時間的關系公式：

變道車輛從開始越線初始0時刻到試驗車輛完成速度降vd，持續時間為t1+t2（s）。

從初始越線0時刻，到試驗車輛開始減速，持續時間為t1，在此時間段試驗車輛縱向行駛距離為：

試驗車輛開始減速到完成速度降vd，持續時間為t2，在此時間段內試驗車輛縱向行駛距離為：

通過積分計算得到：

則從變道車輛初始越線0時刻，到試驗車輛完成速度降vd，在此時間段內試驗車輛縱向行駛距離為：

從初始越線0時刻，到試驗車輛到完成速度降vd時刻，在此時間段變道車輛縱向行駛距離為：

定義初始越線0時刻兩車縱向距離為d0，根據兩車縱向最小距離應大于4.5 m，則為了讓用戶體驗足夠的安全感，則應滿足以下公式：

通過代入簡化可得到以下公式（11）：

式中t1為從初始越線時刻到試驗車輛開始減速的持續時間，若t1越小，則表示試驗車輛識別到切入車輛越早。vd為兩車速度差，若vd越大，則表示（11）式中左側越大。

3.3 減速時機

在初始縱向距離d0一定的情況下，若公式（11）成立，vd越大，則t1越小，即兩車速度差越大，試驗車輛需要更早開始減速。

極端情況是t1=0，也就是變道車輛剛越線時刻，則試驗車輛就開始減速。但若t1取0，則易造成較大概率的本車誤減速，影響駕駛體驗。因此一般情況下定義t1>0而不等于0。目前其中一種策略為：當前方切入車輛與試驗車輛在橫向達到一定重合度（如1/3車寬重合或1/2車寬重合），方判定切入車輛為本車道內車輛并執行縱向跟隨動作。

本文中為了更加直觀體驗減速時機，定義切入車輛與試驗車輛的車寬w相同，均為w=1.84 m。車道寬為3.5 m，試驗車輛保持在車道中間，變道車輛從左向右切入到本車道，當1/3車身寬度重合時，變道車輛越過車道線橫向距離定義為W1=1.443 m。則可計算得到相應的t1為：

通公式過（11）計算得到，當初始縱向距離d0=10 m，則為了速度差應滿足vd＜3.58 m/s，否則會導致最小縱向距離過小甚至發生碰撞，要避免縱向距離過小或碰撞，則需要增大縱向減速度a，但此策略會犧牲一定舒適性，且易造成恐慌。顯然在此模型中采用定值t1的形式，并不符合實際的使用需求。

因此本文建議避免使用定值t1的形式，而采用相應的方程曲線（13）進行代替單一定值。同時為了避免t1=0的極端情況，本文設定t1為正值。而按照車道寬、車寬、偏離速度的定義值，從變道車輛越線到偏移到本車道中間，時間為2.76 s，即t1最大值為2.76 s。

式中d0為初始縱向距離，vd為車輛速度差。本文定義試驗車輛最早減速時機為變道車輛越過車道線內側20 cm，對應的t1=0.2s。

若t1=0.2s，初始縱向距離為d0=10 m，則計算而得到速度差vd最大為14.32 m/s，該值遠大于當車身重疊1/3開始減速的速度差，也就是說方程曲線（13）適用的速度差范圍更大。

下表1為相對速度差vd=20 km/h的工況下，不同初始距離d0對應的減速時機（切入車輛越線為初始時刻）。

表1 不同減速時機

從表格1中可以看出，固定初始相對速度差，當縱向距離越大，減速時機可以越晚。減速時機可以晚于t1最大值2.76 s，相當于切入車輛完全變至本車道中間，試驗車輛再減速。

4 結束語

基于5R1V試驗車輛模型，說明傳感器的覆蓋范圍，為切入車輛的及時識別提供硬件基礎。參考ISO的減速度推薦上限值，并主觀評價切入工況，得到期望減速度值3 m/s2與最小縱向距離4.5 m。參考已有變道橫向速度研究成果，得到橫向變道速度。綜合以上相關信息建立變道與切入減速模型，得到減速時機、速度差、初始縱向距離的關系。隨后分析了采用固定車身橫向重疊比例識別切入車輛，具有較大的局限性，并分析了根據不同的縱向距離、速度差使用不同的減速時機，以提升用戶的舒適性與安全感，為交通擁堵輔助系統的減速時機提供策略參考。