半掛汽車列車AEBS 控制策略研究

郭祥靖，劉 勇，劉 壯，劉雙平

（東風商用車技術中心，湖北 武漢 430000）

自動緊急制動系統（Advanced Emergency Braking System，AEBS）是一種高級輔助駕駛系統（Advanced Driver Assistance System，ADAS）。該系統通過雷達、攝像頭等傳感器探測前方目標，當判定自車與前車或行人有碰撞危險時，通過儀表等圖像、聲音方式對駕駛員進行預警，若駕駛員不采取主動避撞措施，且達到AEBS系統所判斷的碰撞危險狀態時，系統將對車輛進行緊急制動，以避免或減輕碰撞的發生。

文獻［1］建立了以駕駛意圖、天氣、路面、自車車速、反應時間、車輛制動最大減速度及車輛期望加速度為模糊集的模糊推理算法，并通過引入碰撞時間，提出了帶有輔助制動的主動避撞控制算法，結果表明，該算法提高了預警的可靠性、實時性和準確性。文獻［2］引入適應系數對安全距離進行調節，通過建立本車車速、前車車速、前車縱向加速度及適應系數的模糊規則控制算法，并采用粒子群算法在線優化模糊系統，結果表明，該算法能提高駕駛員對碰撞系統的接受程度，可以減少不必要的報警。文獻［3］提出了一種基于路面附著系數和駕駛員駕駛傾向的縱向安全距離模型，并從行車安全距離、制動控制器、制動力分配器分析，設計縱向主動避撞系統，最后利用dSPACE進行了整車實驗，驗證了控制策略的合理性。文獻［4］提出一種基于峰值附著系數曲面的路面辨識算法，并建立了制動系統執行機構控制模型以及防抱死控制模型，最后通過CarSim、Simulink和AMESim配置的軟件仿真環境進行了控制策略的驗證。張雪峰等［5］利用車輛速度為依據，對車輛行駛狀態進行低速和高速兩種分類，分別使用車頭時距和傳統基本制動的方法建立安全距離模型，使用危險系數對車輛安全狀態進行劃定，基于模糊數學理論實現了對路面摩擦系數識別的方法，對駕駛員反應時間系數進行模糊化推理，更適合多種風格的駕駛員。在中低速工況下實現了車輛的自適應巡航，并且在危險工況下可以實現主動避撞功能，使用CarSim與Simlink搭建模型在不同路面進行仿真，驗證了系統優秀的控制效果。文獻［6］利用BP神經網絡算法預測車輛的相對減速度和跟隨距離，通過仿真得出該方法能提高預警距離的預警精度。文獻［7］建立了基于附著系數和駕駛意圖的縱向安全距離模型以及車輛側向動力學穩定的單輸入單輸出系統模型，并提出了基于約束的再生制動強度的制動力分配策略，最后驗證了縱向和側向安全距離的安全性和車輛的操縱穩定性。

本文基于安全距離提出了一種基于危險系數的分級制動控制策略，并以前饋期望的制動壓力和反饋PID算法相結合的控制策略得到各軸車輪制動壓力，最后利用TruckSim搭建AEB典型的3種試驗場景，通過與Simulink進行聯合仿真對控制策略進行了驗證。

1 碰撞預警模型

1.1 安全距離模型

建立準確的安全距離模型對于AEBS系統的危險等級判斷是至關重要的，其直接影響最終的避撞成功率。由于安全距離與本車和前車的制動距離有關，本文將安全距離的計算分為前車減速、前車勻速、前車靜止、前車加速4種場景進行分析。

1.1.1 前車減速行駛

當前車減速行駛時，本車與前車的駕駛場景以速度分析有3種狀態：本車速度小于前車速度、本車速度與前車相等、本車速度大于前車速度；以減速度分析同樣是3種狀態：本車減速度小于前車減速度、本車減速度等于前車減速度、本車減速度大于前車減速度。設本車制動前的速度為vh0，本車完全制動減速度為aht，前車制動前的速度為ve0，前車制動減速度為aet。

當本車制動前速度大于前車制動前速度，且本車完全制動減速度小于前車制動減速度時，最終只需兩車車速相等即避免碰撞，故安全距離可表示為：

式中：t1——駕駛員反應時間，s；t2——制動器夾緊過程所需要的時間，s；t3——制動減速度線性增加過程時間，s；ΔS——本車與前車都停止時保持的最小間距，m。

當本車制動前速度大于前車制動前速度，且本車完全制動減速度等于前車制動減速度時，最終需要兩車車速均減速至0時，才能避免碰撞，故安全距離可表示為：

當本車制動前速度等于前車制動前速度，且本車完全制動減速度大于前車制動減速度時，最終只需兩車車速均減速至0時，才能避免碰撞，故安全距離可表示為：

當本車車速與前車車速相等，且本車制動減速度大于前車制動減速度，或本車制動減速度等于前車制動減速度時，無碰撞危險，故本文不作討論。

1.1.2 前車勻速行駛

當前車勻速行駛時，只有本車制動前速度大于前車制動前速度時，才會有碰撞危險。其最終只需兩車車速相等即避免碰撞，故安全距離可表示為：

1.1.3 前車靜止

當前車為靜止車輛時，最終只需兩車車速均減速至0時，才能避免碰撞，故安全距離可表示為：

1.1.4 前車加速行駛

前車加速行駛，當本車車速小于前車車速時，無碰撞危險；當本車車速大于前車車速時，兩車的距離達到最小安全距離時就會存在碰撞危險，故本文只考慮本車車速大于前車車速的情況。

當本車制動前速度大于前車制動前速度，其最終只需兩車車速相等即避免碰撞，故安全距離可表示為：

1.2 分級制動模型

由于自動緊急制動的駕駛場景極其復雜，故需要對危險預警的判斷進行細致區分，即能夠及時提醒駕駛員進行避撞，以及通過系統判斷進行自動緊急避撞，還需盡可能地考慮緊急制動時駕駛員的舒適性和接受程度。本文通過危險系數作為緊急制動時不同危險等級狀態的判斷依據。

當車輛在道路跟車行駛時，跟車距離在不同駕駛員心里有不同的接受度，其除了必要的緊急制動安全距離以外，還需加上駕駛員所接受的額外心理安全距離，故定義報警安全距離Sw為：

式中：S——緊急制動安全距離，m；vr——前車與本車相抵車速，m/s；tw——駕駛員所允許的最小安全時距，一般取1.2～2.0s［8］，考慮到半掛汽車列車的制動距離較長，駕駛員心里所允許的時距更大，故取2～2.5s。

危險系數表征了車輛在道路行駛時，本車與前方車輛或行人發生碰撞的可能性。通常情況下，wh大于0時表示本車行駛安全，或者有潛在碰撞風險，wh小于0時表示即將發生碰撞，需要自動緊急制動系統主動干預制動。危險系數的計算公式如下所示［9］：

式中：Sr——前車與本車實時相對距離，m。

2 控制策略設計

2.1 基于危險系數的分級制動控制策略

通常情況下，自動緊急制動系統劃分為3種危險狀態：行駛安全狀態、碰撞預警狀態、碰撞危險狀態。危險系數針對以上3種狀態也大致以wh>1.0，0.4≤wh≤1.0，0≤wh≤0.4，wh<0四個區間來描述，并以制動器的狀態分別稱為待機狀態、預制動狀態、間歇制動狀態、緊急制動狀態［10］。其中待機狀態和預制動狀態可理解為行駛安全狀態，間歇制動狀態可理解為碰撞預警狀態，緊急制動狀態可理解為碰撞危險狀態。考慮到半掛汽車列車緊急制動距離長的特點，本文將待機狀態和預制動狀態合并為同一種狀態，即行駛安全狀態。故本文按照通常方法，最終劃分為3種安全等級：行駛安全級I級、碰撞預警級II級、碰撞危險級III級。I級表示本車行駛安全，無碰撞危險；II級表示本車有潛在的碰撞風險，需要駕駛員進行主動干預車輛進行制動或換道措施以避免碰撞，本文只通過儀表警示燈光、聲音對駕駛員進行提醒，系統不進行主動干預；III級表示本車即將發生碰撞，需要緊急制動系統進行主動制動以避免碰撞的發生。

本文結合中國汽車技術研究中心發布的C-NCAP（China-New Car Assessment Programme）中國新車評價規程和GB/T 38186-2019商用車輛自動緊急制動系統（AEBS）性能要求及試驗方法，設定了3種AEBS測試工況，主要為：本車接近前方靜止目標車CCRs（Carto Car Rear stationary，CCRs），本車接近前方移動的目標車CCRm（Carto Car Rear moving，CCRm），本車接近前方制動的目標車CCRb（Carto Car Rear braking，CCRb）。

本文利用整車動力學仿真軟件TruckSim搭建以上3種測試場景，得到了碰撞數據，制定了以下針對半掛汽車列車不同車速下的危險系數與對應安全等級，詳見表1。并針對3種安全等級，制定了相應的期望減速度：當安全等級為I級時，期望減速度為0；當安全等級為II級時，本文不對車輛進行主動制動控制，故期望減速度為0；當安全等級為III級時，期望減速度為4m/s2。

表1 不同車速下的危險系數與對應安全等級

2.2 下層控制器

2.2.1 期望制動壓力模型

當半掛汽車列車在水平道路行駛時，坡道阻力可視為0。針對上述整車緊急制動時所需的期望減速度，假設施加在整車上期望的制動力為Fdes，其縱向動力學方程可表示為［11］：

式中：ηT——傳動系的機械效率，%；ig——變速器傳動比；i0——主減速器傳動比；r——車輪半徑，m；g——重力加速度，m/s2；f——輪胎滾動阻力系數；CD——空氣阻力系數；A——車輛迎風面積，m2；v——整車車速，km/h；δ——汽車旋轉質量換算系數；ades——期望減速度，m/s2；m——整車質量，kg。

由于緊急制動系統觸發時，驅動力矩為0Nm，則期望的制動力（N）可表示為：

進一步地，施加在整車的制動壓力（MPa）可表示為：

式中：Kb——制動系統壓力與制動力之比。

2.2.2 反饋PID算法的控制

上述得到整車所需的期望制動壓力，但由于實際制動過程中系統存在擾動和不穩定因素，故本文采用PID控制算法跟蹤期望的減速度，以整車期望的減速度與實際減速度的偏差為輸入，通過PID反饋調節，得到整車所需的制動壓力，最后以牽引車和半掛車的軸荷分配比得到各個車輪所需的制動壓力。整車所需的制動壓力如下公式所示：

式中：Kp、KI、KD——PID控制參數。

3 控制策略驗證

為了驗證上述控制策略的有效性，本文在TruckSim中搭建了半掛汽車列車AEB 測試場景，包括CCRs、CCRm、CCRb；主要驗證內容有：基于危險系數的分級制動控制策略、上層分級制動控制策略驗證、下層前饋制動力和PID反饋控制策略驗證。

3.1 CCRs場景工況測試

在TruckSim仿真環境中，設置本車初始車速60km/h，前車初始車速0km/h，前車減速度0m/s2，初始距離80m。

由圖1可知，在初始相對距離為80m時，本車及時檢測到前方車輛車速較低的情況，仿真開始階段即進入預警狀態，并在2.4s左右進入緊急制動狀態。由圖2可知，本車較好地跟蹤了期望減速度，且響應較快。在圖3中可知本車進行了及時有效地制動，最后與前車相距6m。

3.2 CCRm場景工況測試

在TruckSim仿真環境中，設置本車初始車速70km/h，前車初始車速30km/h，前車減速度0m/s2，初始距離80m。

由圖4可知，在初始相對距離為80m時，并在0.7s左右時進入預警狀態，在之后大概4s的期間，本車并未做出避撞措施，故在4.6s左右進入緊急制動狀態。由圖5可知，本車較好地跟蹤了期望減速度，且響應較快。在圖6中也體現出本車在進入緊急制動狀態后，及時有效地進行了制動，并避免了碰撞。

圖2 本車期望與實際減速度對比

圖3 本車車速與前車車速

圖4 相對距離與安全預警等級

圖5 本車期望與實際減速度對比

圖6 本車車速與前車車速

3.3 CCRb場景工況測試

在TruckSim仿真環境中，設置本車初始車速60km/h，前車初始車速60km/h，前車減速度3m/s2，初始距離50m。

由圖7可知，仿真開始時，前車勻速行駛，故本車一直保持安全形勢狀態，當4s左右時，前車進入制動減速狀態，本車在4.3s左右進入預警狀態；由圖8、圖9可知，本車較好地跟蹤了期望減速度，且響應較快。

圖1 相對距離與安全預警等級

圖7 相對距離與安全預警等級

圖8 本車期望與實際減速度對比

圖9 本車車速與前車車速

4 結論

本文提出了一種基于安全距離模型的不同車速下危險系數的分級制動控制策略，并以期望減速度得到期望的前饋制動壓力，再利用PID算法得到整車所需的制動壓力。最后本文在TruckSim中建立CCrb、CCrm、CCrs三種測試場景，對控制策略進行了驗證。結果表明，本文所提出的控制策略能夠有效避免碰撞的發生，提高了緊急制動時的穩定性和安全性。