汽車前向主動(dòng)報(bào)警／避撞策略

裴曉飛，齊志權(quán)，王保鋒，劉昭度

從20世紀(jì)90年代初，在美國高速公路交通安全署（National highway traffic safety ad ministration，NHTSA）的推動(dòng)下，汽車主動(dòng)報(bào)警避撞系統(tǒng)（Collision warning／Collision avoidance，CW／CA）開始得到迅速發(fā)展，許多避撞模型被提出，如CA MP模 型、MAZDA 模 型、HONDA 模 型、Ber keley模 型 和 NHTSA 模 型 等［1－3］。其 中，絕大多數(shù)屬于安全距離模型，即通過測量車間相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，當(dāng)實(shí)際車距小于所計(jì)算的報(bào)警安全距離或制動(dòng)安全距離時(shí)，避撞系統(tǒng)的聲光報(bào)警和制動(dòng)干預(yù)則相繼介入。但就駕駛員對于CW／CA系統(tǒng)的接受程度而言，現(xiàn)有的避撞算法仍有較大的改進(jìn)空間［4］：一方面應(yīng)該更為準(zhǔn)確地表征危險(xiǎn)工況；另一方面，針對不同特點(diǎn)的駕駛員，避撞方式應(yīng)該更加靈活。

本文首先對駕駛員避撞行為中的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)減速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。然后提出了一種新的基于時(shí)間的工況表征指標(biāo)，充分利用已知的車間相對運(yùn)動(dòng)信息來有效地評估當(dāng)前的碰撞危險(xiǎn)程度?；诒茏矔r(shí)間余量分別設(shè)計(jì)了分級報(bào)警和主動(dòng)制動(dòng)的避撞策略，并對聲光報(bào)警以及主動(dòng)制動(dòng)的時(shí)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，通過仿真試驗(yàn)對比驗(yàn)證了該報(bào)警算法的有效性。

1 駕駛員避撞行為特性分析

在駕駛員避撞特性中，駕駛員反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)減速度是最為重要的兩個(gè)參數(shù)。其中，駕駛員反應(yīng)時(shí)間包括大腦的信息加工時(shí)間、釋放油門踏板時(shí)間和踩下制動(dòng)踏板時(shí)間3個(gè)部分；而制動(dòng)減速度表征了駕駛員對于當(dāng)前工況的危險(xiǎn)程度所采取的制動(dòng)強(qiáng)度。避撞反應(yīng)時(shí)間是同制動(dòng)減速度的大小相對應(yīng)的。如果施加的制動(dòng)強(qiáng)度越大，則留給駕駛員反應(yīng)的安全時(shí)間余量越大。

文獻(xiàn)［5］在駕駛模擬器上，研究了不采取聲光報(bào)警情況下，100名不同年齡的駕駛員的避撞反應(yīng)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：駕駛員反應(yīng)時(shí)間為0.81～2.44 s，平均駕駛員的自然反應(yīng)時(shí)間為1.33 s，方差為0.27，并且年長者的相對反應(yīng)時(shí)間更長。

表1 不同年齡段駕駛員的反應(yīng)時(shí)間Table 1 Driver reaction ti me for different ages

文獻(xiàn)［6］歸納了駕駛員對于不同類型報(bào)警信號的反應(yīng)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。在聲光報(bào)警作用下，駕駛員反應(yīng)時(shí)間的均值僅為0.9 s，相比于僅用視覺報(bào)警，反應(yīng)時(shí)間縮短了0.23 s。由此可見，在一定的外界條件刺激下，避撞反應(yīng)時(shí)間會明顯縮短，并且聽覺報(bào)警信號的效果更為明顯。

表2 不同報(bào)警信號下的駕駛員反應(yīng)時(shí)間Table 2 Driver reaction ti me under different warning signals

而在制動(dòng)減速度方面，NHTSA通過83名駕駛員的避撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出駕駛員制動(dòng)過程中的平均減速度和最大減速度［7］，如表3所示。由表3可以看出：絕大多數(shù)駕駛員的平均制動(dòng)減速度不會超過0.55 g（g＝9.8 m／s－2），而避撞過程中的最大減速度幾乎是平均減速度的兩倍。

表3 駕駛員的制動(dòng)減速度統(tǒng)計(jì)分布Table 3 Driver braking deceleration

文獻(xiàn)［7］進(jìn)一步估計(jì)了在一定制動(dòng)強(qiáng)度下所需的避撞時(shí)間，如表4所示。由此可見，施加的制動(dòng)強(qiáng)度越大，期望的制動(dòng)初始時(shí)刻越遲。如果駕駛員在碰撞發(fā)生前1.8 s持續(xù)施加0.5g的制動(dòng)減速度，即能避免絕大多數(shù)的碰撞事故；而在0.85g的制動(dòng)減速度下，該時(shí)間僅需要1.2 s。

表4 不同制動(dòng)強(qiáng)度下所需的避撞時(shí)間Table 4 Desired ti me for different br aking deceler ation

2 危險(xiǎn)判定指標(biāo)

對于現(xiàn)有的CW／CA 系統(tǒng)，大多采用Ber keley模型中的危險(xiǎn)系數(shù)ε來評估當(dāng)前工況的危險(xiǎn)程度［2］：

式中：Rw、Rbr分別為報(bào)警安全距離及制動(dòng)安全距離。

當(dāng)ε＞1時(shí)，表明車輛處于安全狀態(tài)；當(dāng)0＜ε＜1時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)分級報(bào)警，并且隨著ε值變小，報(bào)警級別升高；當(dāng)ε＜0時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)制動(dòng)會立即接管車輛控制。

綜上可知，危險(xiǎn)系數(shù)ε本質(zhì)上只是一種基于距離的線性指標(biāo)，并不一定能夠準(zhǔn)確地對碰撞威脅作出實(shí)時(shí)評估。如果采用一種基于時(shí)間的危險(xiǎn)判定指標(biāo)，能直觀地反映出當(dāng)前工況的安全時(shí)間余量，更加接近于駕駛員自然的感知和判斷習(xí)慣。同時(shí)，該指標(biāo)還應(yīng)充分利用所獲得的前車及自車狀態(tài)信息，例如主車車速vh、主車加速度ah、車距R、相對車速vr、相對加速度ar等，對實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)工況進(jìn)行定量表征。因此，新的危險(xiǎn)判定指標(biāo)Tbuffer為：

式中：相對加速度ar可由相對車速vr的歷史信息差分獲得，并對其進(jìn)行必要的卡爾曼濾波處理。

對Tbuffer的估算分為兩種情況，取決于前車是否能在碰撞發(fā)生前停止。Tbuffer滿足以下運(yùn)動(dòng)關(guān)系方程：

式中：tps為前車由當(dāng)前工況至完全靜止所需的時(shí)間：

為了簡化Tbuffer的計(jì)算過程，首先假設(shè)碰撞發(fā)生時(shí)前車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即tps＞Tbuffer）時(shí)有：

然后將得到的Tbuffer結(jié)果代入條件中進(jìn)行檢驗(yàn)，如果符合tps＞Tbuffer，則計(jì)算結(jié)束；否則此時(shí)Tbuffer按照第1種情況計(jì)算得：

如果前方為靜止目標(biāo)，即vp＝ap＝0時(shí)，那么式（6）可以簡化為：

于是Tbuffer可以由式（7）變形得到：

如果前車與主車均保持勻速行駛，即ah＝ap＝0時(shí)，那么式（8）最終變形為：式中：TTC為避撞時(shí)間。

由此可見，Tbuffer實(shí)際上是在TTC判定指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮兩車加速度情況的一種延伸。特別地當(dāng)vr＞0，即前車車速大于主車車速時(shí)，不存在追尾的威脅，因此避撞系統(tǒng)只考慮Tbuffer為正值的情況。

3 主動(dòng)制動(dòng)避撞策略設(shè)計(jì)

新的危險(xiǎn)判定指標(biāo)Tbuffer能定量地反映出當(dāng)前工況留給駕駛員或控制系統(tǒng)進(jìn)行避撞操作的時(shí)間，因此可以直接作為主動(dòng)避撞系統(tǒng)的有效判據(jù)，如圖1所示。面對前方車道內(nèi)突然出現(xiàn)的障礙目標(biāo)，一旦駕駛員未能及時(shí)采取正確的避撞操作，避撞系統(tǒng)能立即代替駕駛員接管車輛控制權(quán)。當(dāng)Tbuffer小于制動(dòng)觸發(fā)時(shí)刻tb1時(shí)，制動(dòng)壓力將被自動(dòng)施加。

圖1 分級報(bào)警邏輯Fig.1 Graded warning logic

由于主動(dòng)制動(dòng)相比聲光報(bào)警會給駕駛員帶來更強(qiáng)烈的主觀感受，甚至不適。因此，應(yīng)該避免主動(dòng)制動(dòng)的頻繁介入，而一旦介入，則希望車輛以一個(gè)很大的勻減速度進(jìn)行制動(dòng)，直至完全停止［8］。另一方面，由于不依靠駕駛員的制動(dòng)操作，制動(dòng)時(shí)機(jī)的確定主要取決于車輛制動(dòng)系統(tǒng)自身的時(shí)滯和增益特性［9］，不同駕駛員在反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)減速度上的差異對其影響較小。

根據(jù)表3將系統(tǒng)期望的避撞減速度設(shè)定為－6 m／s2，保證主動(dòng)制動(dòng)前駕駛員有充分的時(shí)間完成避撞選擇（制動(dòng)／轉(zhuǎn)向）并采取相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，對不同制動(dòng)壓力下產(chǎn)生的車輛減速度進(jìn)行了道路試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)果表明，如果施加7 MPa的恒定壓力，即可滿足平均制動(dòng)減速度的要求。在此基礎(chǔ)上，由表4的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)選取合適的制動(dòng)觸發(fā)時(shí)間tb1。經(jīng)過權(quán)衡，將tb1值設(shè)為1.8 s。表4中的結(jié)果表明，通過所設(shè)計(jì)的主動(dòng)制動(dòng)避撞策略可以避免超過95%的碰撞事故發(fā)生。

4 分級報(bào)警避撞策略設(shè)計(jì)

避撞報(bào)警策略的關(guān)鍵是報(bào)警時(shí)機(jī)的選擇。如果沒有及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，或者報(bào)警過于頻繁，不僅無法有效地幫助駕駛員避免潛在的碰撞事故，反而會分散駕駛員注意力，成為其精神負(fù)擔(dān)。為了應(yīng)對不同程度的碰撞威脅，同時(shí)盡可能地適應(yīng)大多數(shù)駕駛員的避撞特性，分級報(bào)警策略主要體現(xiàn)在危險(xiǎn)程度分級和駕駛風(fēng)格分級兩個(gè)方面。其中，駕駛風(fēng)格可分為激進(jìn)、適中和保守3個(gè)等級供駕駛員選擇。

由于Tbuffer是一種基于時(shí)間的表征量，因此比距離模型更適合駕駛員直接的感知判斷習(xí)慣，同時(shí)有利于結(jié)合駕駛員反應(yīng)時(shí)間對報(bào)警門限進(jìn)行調(diào)整。聲光報(bào)警觸發(fā)時(shí)刻tb2、視覺報(bào)警觸發(fā)時(shí)刻tb3的具體標(biāo)定過程如下：

（1）基于表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定沒有報(bào)警信號輔助下的3種避撞風(fēng)格的駕駛員反應(yīng)時(shí)間。由于聲光報(bào)警能明顯縮短反應(yīng)時(shí)間，因此設(shè)定的報(bào)警時(shí)間應(yīng)該小于該值。同時(shí)，考慮到表1中的結(jié)果是由駕駛模擬器得到，而在真實(shí)道路上，駕駛員的自然反應(yīng)時(shí)間應(yīng)略大于該值。

（2）根據(jù)表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，考慮到不同駕駛員對于報(bào)警信號的敏感程度，確定三種避撞風(fēng)格的駕駛員在視覺報(bào)警和聲光報(bào)警下的反應(yīng)時(shí)間。對于駕駛風(fēng)格保守的駕駛員，希望能更早地接收到報(bào)警信號，從而獲得足夠的調(diào)整時(shí)間；而駕駛風(fēng)格激進(jìn)的駕駛員，則希望報(bào)警功能不要提前介入，以免干擾到正常的人為操作。因此，激進(jìn)等級的警告只適用于少部分駕駛員（＜50%），而保守的報(bào)警信號應(yīng)該滿足超過90%駕駛員的避撞需求。

（3）報(bào)警時(shí)間除了與駕駛員的反應(yīng)時(shí)間有關(guān)外，還要參考車輛制動(dòng)過程中所需的時(shí)間。根據(jù)上節(jié)中主動(dòng)制動(dòng)觸發(fā)時(shí)間tb1的標(biāo)定值，最終的報(bào)警觸發(fā)時(shí)刻＝反應(yīng)時(shí)間＋1.8 s，具體的標(biāo)定結(jié)果如表5所示。

表5 報(bào)警時(shí)間的標(biāo)定Table 5 War ning ti ming calibration

5 仿真結(jié)果及比較

由于實(shí)車避撞試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，同時(shí)大樣本統(tǒng)計(jì)算法的誤報(bào)率需要耗費(fèi)大量的人力物力，因此本文采用距離－相對速度關(guān)系圖，通過仿真初步驗(yàn)證避撞模型的可行性?？紤]在3種典型工況下，將所提出的分級報(bào)警及制動(dòng)避撞算法與4種常用避撞安全距離模型（包括 MAZDA模型、HONDA模型、Ber keley模型和NHTSA模型）進(jìn)行對比研究，以便表現(xiàn)各個(gè)模型的性能優(yōu)劣。表6給出了各模型的具體表達(dá)式。在仿真試驗(yàn)中，假設(shè)主車初始加速度ah＝0，兩車的最大加速度均為－6 m／s2。初始工況如表7所示。避撞模型的參數(shù)意義及取值如表8所示。

表6 避撞模型表達(dá)式Table 6 Collision war ning／avoidance model for mulas

表7 仿真試驗(yàn)的初始工況Table 7 Initial situation of si mulation test

表8 避撞模型參數(shù)Table 8 CW／CA model parameters

5.1 靜止障礙物（工況1）

圖2中比較了4種制動(dòng)避撞算法。其中，Mazda模型顯得過于保守，特別當(dāng)相對車速較大時(shí)，容易很早進(jìn)入主動(dòng)制動(dòng)，影響駕駛員正常操作；相反，Honda模型的主動(dòng)制動(dòng)時(shí)機(jī)過遲，當(dāng)相對車速較小時(shí)，可能無法實(shí)現(xiàn)有效避撞。而本文提出的制動(dòng)避撞模型與Ber keley模型較為相似，由圖可見，實(shí)際上兩者都轉(zhuǎn)換為TTC指標(biāo)，只是在不同車速下的TTC門限有所不同。

圖2 制動(dòng)算法比較（工況1）Fig.2 Comparison of CA algorith ms（situation 1）

圖3 比較了幾種報(bào)警避撞算法，其中的分級報(bào)警算法基本涵蓋了其余3種算法的有效作用區(qū)域?？梢愿鶕?jù)不同駕駛風(fēng)格調(diào)整相應(yīng)的報(bào)警門限。例如對于保守的駕駛員，聲光報(bào)警時(shí)機(jī)自動(dòng)提前，有助于提高對避撞系統(tǒng)的適應(yīng)度。

圖3 報(bào)警算法比較（工況1）Fig.3 Comparison of CW algorith ms（situation 1）

5.2 前車慢速行駛（工況2）

如圖4所示，由Mazda模型計(jì)算出的制動(dòng)距離明顯偏大；其余3種算法得到的制動(dòng)距離則較為接近，這也體現(xiàn)了制動(dòng)避撞門限的權(quán)衡結(jié)果。一方面，主動(dòng)制動(dòng)應(yīng)該能避免95%的碰撞發(fā)生；另一方面，不應(yīng)過早干預(yù)駕駛員的自主避撞行為。

在圖5的報(bào)警算法比較中，當(dāng)相對車速較低時(shí)，Ber keley模型明顯失效；而NHTSA模型和Honda模型則被包含在分級報(bào)警算法組成的有效區(qū)域內(nèi)。注意到NHTSA報(bào)警模型是建立在危險(xiǎn)時(shí)刻汽車采取主動(dòng)制動(dòng)的前提下的，因此圖中曲線呈凹狀，相對車速越大時(shí)，算得的報(bào)警安全距離越大。但實(shí)際工況中，當(dāng)相對車速較大時(shí)，駕駛員一般采取轉(zhuǎn)向避撞更為有效，并不需要報(bào)警信號過早地介入。而分級報(bào)警算法并沒有基于以上假設(shè)，因此所確定的報(bào)警時(shí)機(jī)更加符合駕駛員避撞特性。

圖4 制動(dòng)算法比較（工況2）Fig.4 Comparison of CA algorithms（situation 2）

圖5 報(bào)警算法比較（工況2）Fig.5 Comparison of CW algorithms（situation 2）

5.3 前車緊急減速（工況3）

如圖6所示，除了本文提出的制動(dòng)避撞算法外，其他算法在圖中均表現(xiàn)為直線。究其原因是，其他算法均以前車加速度ap＝0作為前提條件，即使前車開始緊急減速，安全車距仍然沒有變化。而本文算法則考慮到前車加速度變化的情況，應(yīng)用到更多的已知運(yùn)動(dòng)信息，因此對前車緊急制動(dòng)工況更為敏感，對危險(xiǎn)的判定也更為準(zhǔn)確。

圖7所示的報(bào)警算法中，Ber keley模型顯得過于保守，而Honda模型則過于激進(jìn)。由于NHTSA算法也會考慮當(dāng)前ap的大小，因此安全距離隨前車加速度的變化趨勢同分級報(bào)警算法較為一致，同時(shí)兩者的報(bào)警區(qū)間也部分重合。

圖6 制動(dòng)算法比較（工況3）Fig.6 Comparison of CA algorithms（situation 3）

圖7 報(bào)警算法比較（工況3）Fig.7 Comparison of CW algorithms（situation 3）

6 結(jié)束語

提出了一種基于時(shí)間的危險(xiǎn)判定指標(biāo)——避撞時(shí)間余量Tbuffer，通過充分利用車間運(yùn)動(dòng)信息，能夠直觀、準(zhǔn)確地評估當(dāng)前工況的危險(xiǎn)程度。設(shè)計(jì)了一種基于Tbuffer的分級報(bào)警和主動(dòng)制動(dòng)避撞策略，并且標(biāo)定了聲光報(bào)警及主動(dòng)制動(dòng)的介入時(shí)機(jī)。仿真對比試驗(yàn)結(jié)果表明：由于主動(dòng)制動(dòng)僅與車輛自身特性相關(guān)，因此能最大程度地保證安全避撞；而分級報(bào)警的靈活性提高了不同駕駛員對于系統(tǒng)的接受度。

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