重型商用車碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

陳建偉,白書(shū)戰(zhàn)*,詹君,李國(guó)祥

1.山東大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東 濰坊 261061

0 引言

作為智能輔助駕駛系統(tǒng)的重要組成部分,汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)能有效提高車輛的主動(dòng)安全性,減少碰撞事故的發(fā)生[1]。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到自車與前方目標(biāo)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn),立刻以聲、光等方式警告駕駛員,若駕駛員未做出正確反應(yīng),碰撞風(fēng)險(xiǎn)超出閾值,系統(tǒng)主動(dòng)制動(dòng),避免碰撞或減輕碰撞[2-3]。國(guó)內(nèi)外眾多研究人員對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行了研究:裴曉飛等[4]以避撞時(shí)間余量判斷當(dāng)前行駛工況存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn),基于駕駛員避撞動(dòng)作特性設(shè)計(jì)了一種分級(jí)避撞控制算法;郭祥靖等[5]基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)碰撞時(shí)間(time to collision, TTC),評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn),采用分層控制以提高車輛的主動(dòng)安全性;Yang等[6]提出一種行人避撞預(yù)警模型,模型上層采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制,下層為比例積分微分(proportional integral differential, PID)控制器,實(shí)現(xiàn)了避免行人碰撞和確保行人生命安全的功能要求。

在用的汽車主動(dòng)避撞系統(tǒng)控制策略一般以安全距離或TTC為依據(jù)對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估[7-9],該類模型易出現(xiàn)減速過(guò)多、制動(dòng)結(jié)束時(shí)與前車距離過(guò)大等問(wèn)題[10]。為提高車輛控制的安全性,本文中以充分考慮車間信息的預(yù)碰撞時(shí)間作為碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)計(jì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,并通過(guò)TruckSim和Simulink聯(lián)合仿真對(duì)搭建的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行驗(yàn)證,為重型商用車主動(dòng)避撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型總體框架

以充分考慮車間信息的預(yù)碰撞時(shí)間作為碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)計(jì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。模型采用分級(jí)避撞控制策略,上層控制器基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)當(dāng)前車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)自車車速選擇合適的TTC閾值,根據(jù)TTC閾值確定預(yù)期制動(dòng)加速度aexp;下層控制器通過(guò)PID調(diào)節(jié)上層控制器輸出的期望制動(dòng)加速度,計(jì)算制動(dòng)壓力,對(duì)車輛實(shí)施分級(jí)避撞策略。搭建的重型商用車碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型總體框架如圖1所示。

圖1 重型商用車碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型總體框架

2 分級(jí)避撞控制策略設(shè)計(jì)

2.1 碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

相比于傳統(tǒng)的碰撞時(shí)間模型,以充分考慮相對(duì)距離、相對(duì)速度和相對(duì)加速度等車間信息的預(yù)碰撞時(shí)間作為碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù),更能有效地預(yù)估自車的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tTTC關(guān)于相對(duì)速度vrel、相對(duì)加速度arel和相對(duì)距離drel的狀態(tài)函數(shù)可表示為:

式中:vrel=v0-v1,其中v0、v1分別為自車速度、前車速度;arel=a0-a1,其中a0、a1分別為自車加速度、前車加速度。

前車開(kāi)始制動(dòng)到停止需要的時(shí)間tf=-v1/a1[11]。tf>tTTC,表示在發(fā)生碰撞時(shí)前車仍在運(yùn)動(dòng);tf≤tTTC,表示在發(fā)生碰撞時(shí)前車已停止。

2.1.1 碰撞時(shí)前車未停止

碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

當(dāng)前車速度及加速度均大于自車(vrel≤0且arel≤0)時(shí),無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn),所以只考慮tTTC大于0的情況。

2.1.2 碰撞時(shí)前車已停止

碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

(1)

如果前方為靜止目標(biāo),即v1=a1=0時(shí),式(1)可簡(jiǎn)化為:

2.2 分級(jí)避撞控制策略

碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)tTTC能實(shí)時(shí)定量反映出車輛距離碰撞事故發(fā)生的時(shí)間余量。車輛行駛時(shí),當(dāng)tTTC小于相應(yīng)的一級(jí)制動(dòng)時(shí)間閾值t1或二級(jí)制動(dòng)時(shí)間閾值t2時(shí),為保持車輛在避撞系統(tǒng)介入制動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性,采用分級(jí)避撞的控制策略,控制策略流程如圖2所示。

圖2 分級(jí)避撞控制策略流程圖

2.2.1 期望制動(dòng)加速度

駕駛員在制動(dòng)過(guò)程中的反應(yīng)大致分為2個(gè)階段:碰撞風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)采取較低加速度的一級(jí)制動(dòng),碰撞風(fēng)險(xiǎn)極高時(shí)使用全力進(jìn)行減速的二級(jí)制動(dòng)。文獻(xiàn)[7]分析了100起輕微碰撞事故中駕駛員的制動(dòng)過(guò)程,統(tǒng)計(jì)一、二級(jí)制動(dòng)加速度aa1、aa2,按區(qū)間分布如表1所示。表1中g(shù)為自由落體加速度。

由表1可得:輕微碰撞事故中駕駛員分級(jí)制動(dòng)時(shí),平均一級(jí)加速度為-0.41g,平均二級(jí)加速度為-0.71g。因此,將分級(jí)避撞控制策略中一級(jí)制動(dòng)期望加速度設(shè)為-4.0 m/s2,二級(jí)制動(dòng)設(shè)為-8.0 m/s2,則分級(jí)避撞策略中的制動(dòng)期望加速度

表1 輕微碰撞事故中駕駛員分級(jí)制動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)

2.2.2 TTC閾值

以固定的TTC閾值判定碰撞風(fēng)險(xiǎn)將導(dǎo)致主動(dòng)避撞系統(tǒng)無(wú)法適應(yīng)不同的車速工況,因此,應(yīng)區(qū)分不同的行駛工況,分段設(shè)置TTC閾值。自車車速低于30 km/h時(shí)為低速行駛工況,處于30～60 km/h時(shí)為中速行駛工況,高于60 km/h時(shí)為高速行駛工況。在評(píng)估自車碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí),根據(jù)自車車速選擇對(duì)應(yīng)行駛工況的TTC閾值作為分級(jí)避撞控制策略的判定條件。

典型的TTC閾值設(shè)置為:當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到碰撞風(fēng)險(xiǎn),在碰撞前2.6 s向駕駛員發(fā)出預(yù)警,在碰撞前1.6 s進(jìn)行0.2倍部分制動(dòng),在碰撞前0.6 s全力制動(dòng)。不考慮駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和預(yù)警時(shí)間,文獻(xiàn)[12]在自車車速為50 km/h的行駛工況下,基于典型的t1和t2,仿真計(jì)算制動(dòng)停車,自車距前車的距離L,結(jié)果如表2所示。

表2 典型TTC閾值下停車后兩車距離仿真結(jié)果

由表2可知:兩級(jí)制動(dòng)時(shí)間閾值過(guò)大時(shí),自車制動(dòng)停車時(shí)距前車距離過(guò)大,易干擾駕駛員的正常操作;兩級(jí)制動(dòng)時(shí)間閾值過(guò)小時(shí),自車制動(dòng)停車時(shí)與前車距離過(guò)小,主動(dòng)避撞系統(tǒng)不能發(fā)揮作用。綜合考慮車速、路面摩擦和表2數(shù)據(jù),為達(dá)到既不干擾駕駛員正常駕駛又能在危險(xiǎn)時(shí)刻實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避撞,不同行駛工況的TTC閾值設(shè)置為:低速行駛工況時(shí)t1=1.3 s,t2=0.4 s;中速行駛工況時(shí)t1=1.6 s,t2=0.6 s;高速行駛工況時(shí)t1=1.9 s,t2=0.9 s。

2.2.3 PID誤差控制

為減小期望制動(dòng)加速度的誤差,提高控制精度,采用PID控制器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)。控制誤差期望e(t)為期望制動(dòng)加速度aexp和實(shí)際制動(dòng)加速度a0之差,即e(t)=aexp-a0。搭建的期望制動(dòng)加速度PID誤差控制器如圖3所示。

圖3 期望制動(dòng)加速度PID誤差控制器

3 仿真驗(yàn)證

3.1 碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仿真模型

在TruckSim中搭建車輛模型和仿真場(chǎng)景,某重型商用車的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。在Simulink中搭建分級(jí)避撞控制策略,與TruckSim模塊組成碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,如圖4所示。TruckSim車輛模型輸出相對(duì)距離、相對(duì)車速、自車車速、自車加速度等,輸入至分級(jí)避撞控制策略中,Simulink計(jì)算期望制動(dòng)主缸壓力pexp。根據(jù)文獻(xiàn)[13]的測(cè)試方法,選擇前車靜止、前車慢行和前車制動(dòng)3種仿真工況對(duì)搭建的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

表3 某重型商用車的主要技術(shù)參數(shù)

圖4 碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 前車靜止工況

前車靜止,自車勻速行駛,速度為40 km/h,距前車100 m。前車靜止工況的期望制動(dòng)加速度、相對(duì)速度和相對(duì)距離仿真結(jié)果如圖5所示。

a)期望制動(dòng)加速度 b)相對(duì)速度 c)相對(duì)距離

由圖5a)可知:自車勻速行駛7.301 s檢測(cè)到一級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn),期望制動(dòng)加速度為-4.0 m/s2,實(shí)施一級(jí)制動(dòng);行駛9.269 s檢測(cè)到二級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn),期望制動(dòng)加速度為-8.0 m/s2,實(shí)施二級(jí)制動(dòng)。由圖5b)、c)可知:經(jīng)過(guò)9.614 s自車完成制動(dòng)并停車,此時(shí)距離前車2.668 m。

3.2.2 前車慢行工況

前車以20 km/h的速度慢行,自車以50 km/h的速度勻速行駛,距前車100 m。前車慢行工況的期望制動(dòng)加速度、相對(duì)速度和相對(duì)距離仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知:自車以勻速行駛10.279 s檢測(cè)到一級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn),期望制動(dòng)加速度為-4.0 m/s2,實(shí)施一級(jí)制動(dòng);行駛11.9 s檢測(cè)到二級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn),期望制動(dòng)加速度為-8.0 m/s2,實(shí)施二級(jí)制動(dòng);經(jīng)過(guò)12.3 s完成制動(dòng)并停車,此時(shí)距離前車3.276 m。

a)期望制動(dòng)加速度 b)相對(duì)速度 c)相對(duì)距離

3.2.3 前車制動(dòng)工況

前車初始車速為50 km/h,以-4.0 m/s2的加速度制動(dòng),自車以50 km/h的速度勻速行駛,距離前車40 m。前車制動(dòng)工況的期望制動(dòng)加速度、相對(duì)速度和相對(duì)距離仿真結(jié)果如圖7所示。由圖7可知:自車勻速行駛1.727 s檢測(cè)到一級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn),期望制動(dòng)加速度變?yōu)?4.0 m/s2,實(shí)施一級(jí)制動(dòng);3.705 s檢測(cè)到二級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn),期望制動(dòng)加速度為-8.0 m/s2,實(shí)施二級(jí)制動(dòng);經(jīng)過(guò)3.85 s完成制動(dòng)并停車,此時(shí)距離前車2.077 m。

a)期望制動(dòng)減加速度 b)相對(duì)速度 c)相對(duì)距離

前車靜止、前車慢行和前車制動(dòng)3種工況的仿真驗(yàn)證結(jié)果表明,該分級(jí)避撞控制策略能快速識(shí)別碰撞風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)制動(dòng),制動(dòng)完成后與前車的距離為2.077～3.267 m,可有效避免碰撞。

4 結(jié)束語(yǔ)

以充分考慮車間信息的預(yù)碰撞時(shí)間作為碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)計(jì)重型商用車的避撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,根據(jù)碰撞事故數(shù)據(jù)和典型行駛工況的TTC閾值仿真結(jié)果確定期望制動(dòng)加速度和分段TTC閾值;搭建TruckSim和Simulink聯(lián)合仿真模型,對(duì)前車靜止、前車慢行和前車制動(dòng)3種工況的重型商用車碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)設(shè)計(jì)的分級(jí)避撞控制策略在3種工況下均能快速識(shí)別碰撞風(fēng)險(xiǎn),并及時(shí)制動(dòng),制動(dòng)完成后與前車的距離為2.077～3.267 m,有效避免了碰撞。