面向特定交通事故場(chǎng)景的ACC/ABS 協(xié)同控制策略

杜 峰，李俊凱，關(guān)志偉，趙洪林

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.中山市技師學(xué)院，中山 548200；3.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)汽車與軌道交通學(xué)院，天津 300350）

近年來，汽車向著智能化、網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展，雖然發(fā)展迅速，但相關(guān)研究表明具備智能化、網(wǎng)聯(lián)化的汽車并不能在短時(shí)間內(nèi)推向市場(chǎng)，需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的過渡期[1]，而智能駕駛輔助系統(tǒng)，將在這一過渡時(shí)期發(fā)揮巨大的功用。自動(dòng)巡航控制系統(tǒng)（adaptive cruise control，ACC）作為智能駕駛輔助系統(tǒng)的重要組成部分，在中高端配置車輛上得到了廣泛應(yīng)用。

研究表明，ACC 系統(tǒng)在減少駕駛員負(fù)擔(dān)，提高駕駛安全性、舒適性方面發(fā)揮了巨大的功用[2]，因此得到了學(xué)術(shù)界及車企的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3]考慮到駕駛員的多樣性復(fù)雜性，建立期望車距與自身車速相關(guān)的二次非線性期望車距模型，該模型相較于線性車距模型更加貼合駕駛員真實(shí)的跟車期望。文獻(xiàn)[4]給出了一種估計(jì)器方法，其思路是根據(jù)前車的歷史加速度信息，預(yù)測(cè)其未來車速的變化，并將其添加到基于MPC 理論的ACC 控制器中，利用多目標(biāo)優(yōu)化求解最優(yōu)的期望加速度，改進(jìn)車輛在峰值加速度及燃油消耗量上的性能。文獻(xiàn)[5]將車輛的縱向工況進(jìn)行劃分，依據(jù)不同的縱向工況，采取不同的間距控制策略來適應(yīng)駕駛員的風(fēng)格。文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了新的人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，將本車前后方車輛看作2 個(gè)勢(shì)場(chǎng)中心，同時(shí)考慮前后方車輛的位置及速度，使車輛可以在擁堵的交通場(chǎng)景中自動(dòng)尋找最佳跟車距離，提高了車輛的通行效率及道路利用率。

目前大部分針對(duì)ACC 系統(tǒng)的研究多集中于提升車輛跟隨性能、降低ACC 系統(tǒng)工作過程中的燃油消耗以及提高乘客的舒適性[2]等方面，這些研究大多將道路交通環(huán)境設(shè)置為單一理想化環(huán)境，對(duì)設(shè)計(jì)的控制器在非理想化的環(huán)境下的適應(yīng)能力考慮較少。然而車輛在實(shí)際的道路中行駛時(shí)，道路交通環(huán)境并不是理想的設(shè)定環(huán)境，而是處于不斷變化中。這些變化不僅包括交通參與者，也包括道路交通環(huán)境，如路面的狀態(tài)突然發(fā)生變化，由均一路面轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)開路面等。

因此考慮道路交通場(chǎng)景突變情況下車輛ACC 系統(tǒng)的適應(yīng)能力，將ACC 系統(tǒng)與車輛的其他安全功能進(jìn)行集成或協(xié)同控制，對(duì)于提高車輛的行車安全是非常有必要的。如文獻(xiàn)[7]基于ABS/ASR/ACC 三者可共用傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的考慮，開發(fā)了三者集成系統(tǒng)的車載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了其內(nèi)部通信協(xié)議，但并未就三者的協(xié)同控制開發(fā)具體的控制算法。

本文則以與ACC 系統(tǒng)相關(guān)的典型交通事故為基礎(chǔ)，提出一種ACC/ABS 協(xié)同控制策略并建模仿真，在道路交通環(huán)境突變的情境中驗(yàn)證ACC/ABS 協(xié)同控制策略的有效性。

1 交通事故場(chǎng)景構(gòu)建

交通事故是由人、車、路和環(huán)境4 個(gè)要素組成的系統(tǒng)失去平衡引起的[8]。分析這4 種因素可以發(fā)現(xiàn)，在車輛行駛過程中路、環(huán)境這2 種因素屬于外部因素，因此并不能對(duì)其進(jìn)行控制[9]；而當(dāng)ACC 系統(tǒng)工作時(shí)，由ACC 控制器來控制車輛，駕駛員對(duì)車輛的影響較小；當(dāng)交通狀況突變時(shí)，單一ACC 系統(tǒng)并不能完全應(yīng)對(duì)這種突變的交通狀況，而駕駛員可能來不及反應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生[10]。而通過協(xié)同控制ACC/ABS 可有效提升車輛在此種情況下的安全性能。

相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)資料表明：車輛因制動(dòng)因素導(dǎo)致的交通事故約占車輛原因?qū)е碌慕煌ㄊ鹿实?5%，并且其中50%以上是由于制動(dòng)側(cè)滑導(dǎo)致的[11]。分析典型的與ACC 系統(tǒng)相關(guān)的交通事故，可以將其分為2 類：一是因追尾導(dǎo)致的交通事故，二是因側(cè)滑導(dǎo)致的交通事故。前者是由于控制器的性能導(dǎo)致的，可通過控制器的優(yōu)化來解決；后者與車、路、環(huán)境多個(gè)因素相關(guān)，而路、環(huán)境這2 個(gè)因素難以以較低成本來解決[12]，因此通過協(xié)同控制車輛的功能系統(tǒng)來解決是更為合適的辦法。對(duì)后者的交通事故場(chǎng)景進(jìn)行分析，其主要特點(diǎn)為：本車需要較大的制動(dòng)減速度來保證安全車距；路面由均一路面變?yōu)閷?duì)開路面。

結(jié)合上述特點(diǎn)，為驗(yàn)證控制器的性能，構(gòu)建典型交通場(chǎng)景如下：前方車輛緊急制動(dòng)或突遇非機(jī)動(dòng)車或行人橫穿馬路，同時(shí)路面由均一路面突變?yōu)閷?duì)開路面。

2 ACC/ABS 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

2.1 ACC系統(tǒng)模型

2.1.1 上層控制器模型

ACC 系統(tǒng)根據(jù)本車與前車之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，控制本車以2 種模式運(yùn)行，分別為速度控制模式和間距控制模式，ACC 工作模式如圖1 所示。當(dāng)兩車的實(shí)時(shí)距離大于計(jì)算的安全距離時(shí)，本車將進(jìn)入速度控制模式，利用駕駛員模型使車輛以設(shè)定的速度巡航行駛；當(dāng)兩車的實(shí)時(shí)距離小于安全距離時(shí)，本車將進(jìn)行制動(dòng)以維持安全距離，保證行車安全。

圖1 ACC 工作模式

設(shè)定期望安全距離為

式中：Ds為期望安全距離；Dd為設(shè)定的最小車輛安全距離；Tg為車輛時(shí)間距；Ve為本車實(shí)時(shí)車速。

間距控制模式下本車與前方目標(biāo)車輛的縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系如圖2 所示。

考慮到制動(dòng)延遲，定義本車實(shí)際加速度ar與ap期望加速度之間的關(guān)系如下

式中：Ks為系統(tǒng)增益系數(shù)；Tl為系統(tǒng)時(shí)間延時(shí)系數(shù)；s 為L(zhǎng)aplace 算子。

設(shè)[DrVrap]T為狀態(tài)量，其中Dr為車載毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)出來的兩車之間的距離，Vr為車載毫米波雷達(dá)采集到的本車與前方車輛的相對(duì)車速。設(shè)Dr為系統(tǒng)的輸出量，設(shè)置本車的期望加速度ap為控制量，則可建立系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程為

T 為采樣周期，對(duì)其進(jìn)一步處理可得系統(tǒng)的預(yù)測(cè)方程為

對(duì)于ACC 系統(tǒng)來說，車輛的安全性是首先需要考慮的，一般認(rèn)為當(dāng)兩車的實(shí)際距離大于實(shí)時(shí)的安全距離時(shí)，可以視為安全的工況，但由于車輛的制動(dòng)系統(tǒng)在動(dòng)作時(shí)存在一定的延遲，在該時(shí)間內(nèi)車輛仍舊處于行駛狀態(tài)，因此為了保證行車的安全，對(duì)車間距進(jìn)行如下的約束

考慮到車輛與路面的最大制動(dòng)力，設(shè)定期望加速度，即系統(tǒng)的控制量的范圍為

間距控制模式下的控制目標(biāo)是使本車與前車的安全距離接近于期望安全距離，即希望二者之間的差值越小越好，因此定義控制器的目標(biāo)函數(shù)為

2.1.2 下層控制器模型

PID（proportion integration differentiation）控制器具有響應(yīng)速度快，模型簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[13]，因此選用PID 理論設(shè)計(jì)下層的執(zhí)行器。PID 控制器的原理是通過調(diào)整Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)來控制模型，使輸出值快速且穩(wěn)定響應(yīng)期望值。Kp與偏差的大小有關(guān)，是偏差的倍數(shù)，比例參數(shù)越大，比例的作用越明顯，積分參數(shù)Ki與偏差的變化率有關(guān)，主要作用是為了防止超調(diào)。微分參數(shù)Kd是為了防止超調(diào)。

當(dāng)ACC 控制器根據(jù)傳感器及車輛狀態(tài)信息，計(jì)算得到的期望加速度大于0 時(shí)，使用駕駛員模型來控制車輛運(yùn)動(dòng)；當(dāng)期望加速度小于0 時(shí)，選擇期望加速度與本車實(shí)際加速度的差值作為PID 控制器的輸入。車輪輪缸的制動(dòng)壓力作為PID 控制器的輸出，進(jìn)而控制車輛響應(yīng)期望加速度。

2.2 ABS系統(tǒng)模型

ABS 系統(tǒng)是目前主流的車載安全系統(tǒng)，系統(tǒng)通過輪速傳感器監(jiān)測(cè)車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過相應(yīng)算法判斷車輪是否處于抱死狀態(tài)，隨后調(diào)節(jié)制動(dòng)輪缸的制動(dòng)壓力，使車輪處于邊滾邊滑的狀態(tài)，進(jìn)而防止出現(xiàn)車輪抱死失去轉(zhuǎn)向能力、車輛側(cè)滑等危險(xiǎn)狀況[14]。

3 ACC/ABS 協(xié)同控制策略

ACC 系統(tǒng)與ABS 系統(tǒng)協(xié)同控制的流程圖如圖3所示。

圖3 協(xié)同控制系統(tǒng)流程

傳感器信息進(jìn)入?yún)f(xié)同控制策略判斷模塊，首先將根據(jù)兩車的實(shí)時(shí)距離與實(shí)時(shí)計(jì)算的安全距離的關(guān)系，判斷進(jìn)入速度控制模式還是間距控制模式。若進(jìn)入速度控制模式，將由駕駛員模型控制車輛巡航行駛；若進(jìn)入間距控制模式，將根據(jù)輪速傳感器信息依據(jù)算法判斷車輪狀態(tài)，若出現(xiàn)車輪抱死拖滑的狀態(tài)，將由ABS 系統(tǒng)計(jì)算期望輪缸壓力，若車輪未抱死拖滑，ACC系統(tǒng)的上層控制器將根據(jù)當(dāng)前車輛信息及傳感器信息實(shí)時(shí)計(jì)算期望的車輛減速度，隨后利用下層控制器計(jì)算相應(yīng)期望減速度的期望輪缸壓力。最后將期望輪缸壓力傳遞至車輛的ESP 控制單元，由ESP 控制單元來控制各輪缸壓力使車輛達(dá)到期望減速度，同時(shí)保持車輛的安全行駛。

4 協(xié)同控制策略仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制效果，進(jìn)行Carsim 與Simulink 聯(lián)合仿真，在Carsim 中搭建第1 節(jié)所構(gòu)建的典型交通場(chǎng)景，在Simulink 中搭建協(xié)同控制模型。

4.1 仿真軟件環(huán)境設(shè)置

4.1.1 道路交通環(huán)境設(shè)置

為建立道路交通場(chǎng)景，在Carsim 中進(jìn)行如下交通場(chǎng)景設(shè)定：

（1）主車道為本車與前車所行駛的路面，如圖4所示。為滿足交通場(chǎng)景特點(diǎn)2，設(shè)定距本車起始位置100 m 處，路面由均一路面變化為對(duì)開路面，主車道路面附著系數(shù)如圖5 所示。設(shè)定前車速度變化如圖6所示。

圖4 主車道

圖5 主車道路面附著系數(shù)

圖6 前車速度變化設(shè)定

（2）與主車道構(gòu)成交叉道路的為非機(jī)動(dòng)車行駛道路，為模擬非機(jī)動(dòng)車橫穿馬路的場(chǎng)景，以滿足交通場(chǎng)景特點(diǎn)1，設(shè)定其駛速度為6 m/s。

4.1.2 傳感器設(shè)置

本車采用毫米波雷達(dá)采集前方移動(dòng)物體信息，以某品牌傳感器的性能參數(shù)為參考，設(shè)定傳感器的主要參數(shù)為：探測(cè)距離100 m，探測(cè)角度-16°～16°。

4.1.3 控制器參數(shù)設(shè)置

以某實(shí)際車型的ACC 系統(tǒng)的相關(guān)性能參數(shù)為參考，設(shè)定ACC 系統(tǒng)的控制器參數(shù)分別為：設(shè)定時(shí)距1.4 s，默認(rèn)間距10 m，巡航車速120 km/h。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖7 為毫米波雷達(dá)傳感器檢測(cè)到的距離本車最近的移動(dòng)物體與本車的實(shí)時(shí)距離以及實(shí)時(shí)計(jì)算的安全距離二者之間的對(duì)比圖。

圖7 實(shí)際距離與安全距離對(duì)比圖

當(dāng)實(shí)際距離大于安全距離時(shí)，進(jìn)入速度控制模式，反之，進(jìn)入間隔控制模式。

圖8 為ACC 模式狀態(tài)選擇圖。

圖8 ACC 系統(tǒng)狀態(tài)模式

狀態(tài)值為1 時(shí)代表進(jìn)入間隔控制模式，狀態(tài)值為0 時(shí)代表進(jìn)入速度控制模式。依據(jù)本車與前方移動(dòng)物體之間的安全時(shí)距，可以判斷：

（1）在1.5 s 之前，由于兩車之間的實(shí)際距離小于安全距離，車輛進(jìn)入間隔控制模式。

（2）在1.5～4.5 s，本車與前車之間的實(shí)際距離大于安全距離，車輛進(jìn)入速度控制模式。

（3）在4.5～7 s，由于非機(jī)動(dòng)車橫穿馬路成為離本車最近的移動(dòng)物體，本車再次進(jìn)入間隔控制模式。

（4）在7 s 之后，非機(jī)動(dòng)車通過馬路，前方車輛成為距離本車最近的物體，兩車之間的實(shí)際距離大于安全距離，車輛進(jìn)入速度控制模式。

圖9 為兩控制器下車輛的質(zhì)心側(cè)偏角-側(cè)偏角速度的相軌跡對(duì)比圖。

圖9 質(zhì)心側(cè)偏角-側(cè)偏角速度相軌跡

穩(wěn)定區(qū)域依據(jù)文獻(xiàn)[15]所提供的判定規(guī)則確定其內(nèi)部區(qū)域代表了車輛可穩(wěn)定行駛的軌跡范圍。可以發(fā)現(xiàn)，協(xié)同控制的車輛其相軌跡位于穩(wěn)定區(qū)域邊界內(nèi)，而無協(xié)同控制的車輛，即僅由單一ACC 系統(tǒng)控制的車輛其相軌跡則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了2 條邊界線。

在兩控制器分別作用下車輛的行駛軌跡對(duì)比圖如圖10 所示。

圖10 車輛質(zhì)心行駛軌跡

協(xié)同控制下的車輛其側(cè)向偏差最大值為0.19 m，無協(xié)同控制的車輛的側(cè)向偏差最大值為2.8 m，采用文獻(xiàn)[11]所提供的計(jì)算實(shí)際路徑與期望路徑之間的均方根誤差的方法，協(xié)同控制下的均方根誤差為0.067 8，無協(xié)同控制器下的均方根誤差為1.060 6。

圖11 為在該輪缸壓力下各車輪速度的變化情況。圖12 為在該壓力下各車輪速度的變化情況。

圖11 無協(xié)同控制車輪速度變化情況

圖12 協(xié)同控制車輪輪速變化情況

從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，在第5 s 左右，由于車輪抱死拖滑，車輪出現(xiàn)側(cè)滑的危險(xiǎn)狀況。

從圖12 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛需要緊急制動(dòng)時(shí)，協(xié)同控制策略將控制ABS 系統(tǒng)介入工作，在響應(yīng)期望減速度的同時(shí)防止車輪抱死以保證行車安全。

5 結(jié)語

本文基于典型的交通事故場(chǎng)景，搭建ACC 與ABS的協(xié)同控制策略模型來控制車輛在道路交通環(huán)境突變情況下的巡航行駛安全。通過Carsim 和Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證協(xié)同控制下的車輛在應(yīng)對(duì)道路交通環(huán)境突變時(shí)，具有更高的適應(yīng)能力，且能夠有效防止車輛側(cè)滑等危險(xiǎn)工況的出現(xiàn)，避免了單一ACC 系統(tǒng)應(yīng)對(duì)交通環(huán)境突變等緊急情況的不足，進(jìn)一步提高了車輛駕駛輔助系統(tǒng)的安全功能。