緊急情況下駕駛人最優(yōu)避險策略模型研究

張雅麗，施雯

（1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.陜西青年職業(yè)學院財經系，陜西 西安 710064）

緊急情況下駕駛人最優(yōu)避險策略模型研究

張雅麗1，施雯2

（1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.陜西青年職業(yè)學院財經系，陜西 西安 710064）

文章基于最優(yōu)化理論，提出了一種制動與轉向相結合的最優(yōu)避險策略模型。仿真驗證結果表明，該避險策略可以實現(xiàn)車輛的主動避險，且避險軌跡與駕駛人實際的避險軌跡相近。

避險策略；最優(yōu)化理論；安全距離

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-91-03

引言

本文基于車輛緊急避讓危險時的最佳控制策略，提出一種結合車輛縱向速度調節(jié)控制和轉向操作的車輛最優(yōu)緊急避險模型，并設計實驗對模型進行仿真驗證。

1、基于車輛制動過程的安全距離模型

目前大部分主動避險系統(tǒng)通常采用兩級報警安全距離模型。本文的安全距離模型接近于臨界報警距離模型。駕駛人遇到危險時通常會采取制動減速或制動轉向方式予以避讓。本文基于車輛制動減速過程的運動學分別建立了針對兩種不同避讓措施的安全距離模型。

1.1 制動減速安全距離模型

自車以 v1勻速直線行駛，危險物以 v2勻速運動，車道寬度 W，危險物在橫向位移結束時對駕駛人的影響時間 t2y為：

則制動減速安全距離模型為：

式中：abmax—自車最大制動減速度；astop—靜止時兩者的最小安全間隙。

以往研究學者，通常將abmax取值為0.6g～0.8g[1]，astop取值為2～5m。

1.2 制動轉向安全距離模型[2-4]

駕駛人選擇制動轉向方式避讓危險時車輛產生縱向位移dx，橫向位移 dy。基于避險目的的制動轉向操作車輛橫向速度變化符合正弦波特性，則其橫向加速度符合余弦波特性[5]。即：駕駛人在單移線轉向操作過程中的橫向位移為H，則：

障礙物寬度為So，則車輛前外側通過障礙物最外側輪廓應滿足：

由式6，車輛前外側通過障礙物最外側輪廓的時間為Tp，則駕駛人制動轉向過程的安全距離模型為：

2、最優(yōu)避險策略模型建立

最優(yōu)避險策略，即從所有可能避險策略中找出能最大限度滿足約束條件的策略。最優(yōu)化模型包括設計變量、約束條件和目標函數(shù)三個基本要素。本文選用行駛位置、行駛速度和航向角作為最優(yōu)避險策略的設計變量，即：

2.1 約束條件

（1）安全距離判斷模型

由安全距離模型，駕駛人在避讓前方危險時縱向安全距離滿足條件：

車輛在避讓危險過程中，應與障礙物保持一定的側向安全距離。自車與道路邊界線間應保持安全距離Dleft和Dright。自車與前方危險間應保持側向安全距離Dinterval：

（2）外部因素限制模型

本文根據(jù)正常行駛狀況，設定以下限制條件：

式中，ab—制動減速度；as—橫向加速度；φ—路面附著系數(shù)。

約束條件指求最優(yōu)解時對設計變量的限制條件，本文選用上述判斷模型作為最優(yōu)避險策略的約束條件，即：

2.2 目標函數(shù)

目標函數(shù)是最優(yōu)化問題的評價標準。車輛避險運動中最接近的運動狀態(tài)為：整個運動過程中的加速度均值最小，均方差也最小。本文對加速度均值和均方差各賦值0.5進行加權平均。

根據(jù)當前加速踏板、制動踏板及方向盤轉角數(shù)據(jù)，得到每個t時刻車輛的加速度值。從而避險控制輕便性comf可采用如下加權積分公式予以評價：

為使避讓過程操作方便簡單，在避讓時間段內，comf值在滿足安全距離前提下應盡可能小。

3、最優(yōu)避險策略算法實現(xiàn)仿真驗證

3.1 算法實現(xiàn)

根據(jù)最優(yōu)化理論，本文建立的最優(yōu)避險策略算法屬于單目標多階段動態(tài)非線性規(guī)劃問題，處理的是一個多階段決策問題。每一階段經歷的時間為定值，且足夠小，可近似認為該時間段內車輛是勻速直線運動。

圖1 最優(yōu)避險策略求解算法流程

實驗采集某一應激場景駕駛人操作數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，以最優(yōu)避險策略模型為基礎，根據(jù)危險出現(xiàn)時車輛行駛位置、行駛速度及航向角，求解車輛在整個避險過程中各時刻的最優(yōu)行駛位置、行駛速度和航向信息，從而得到車輛最優(yōu)避險運行軌跡。

由以上分析，基于最優(yōu)化理論的最優(yōu)避險策略求解算法如圖1流程圖。

在方案選擇中，需反復嘗試行駛速度和航向角，有一定隨機性，會出現(xiàn)運算時間不固定或結果不收斂的情況，則需制定調整策略保證每次調整盡量最優(yōu)，速度較快，本文按如下調整策略進行調整。

1）若 Dleft，Dright或 Dinterval不滿足安全距離進行回退，則優(yōu)先調整航向角。航向角調整原則：若Dleft不滿足，則向右調整；若 Dright不滿足，則向左調整；若 Dinterval不滿足，則依據(jù)危險所在具體左右位置予以調整。

2）若Dfront不滿足安全距離進行回退，則優(yōu)先調整行駛速度，調整策略為減速。

3）若不滿足以上條件，則優(yōu)先調整行駛速度。

3.2 最優(yōu)避險策略仿真驗證

根據(jù)最優(yōu)避險策略算法，結合駕駛人實際避險軌跡，對最優(yōu)避險策略算法進行仿真驗證。本文設計的試驗前方突發(fā)危險為靜止障礙物，仿真中障礙物速度v2=0，寬度0.5m。實驗設置如表1。對比避險軌跡如圖2。

圖2 避險軌跡

表1 仿真實驗設置

從圖2中看出，最優(yōu)避險策略算法可在保證車輛行駛穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)車輛主動避險，且最優(yōu)避險軌跡與駕駛人實際避險軌跡非常相近。

4、結論

本文基于最優(yōu)化理論，以縱向安全距離、側向安全距離模型以及橫向加速度、制動減速度、行駛速度為約束條件，以控制輕便性為目標函數(shù)建立了制動與轉向相結合的最優(yōu)避險策略模型，并編制了相應的仿真算法予以仿真驗證。仿真結果表明，結合車輛縱向速度調節(jié)控制和橫向轉向操作的車輛最優(yōu)緊急避險算法可在保證車輛行駛穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)車輛主動避險，且避險軌跡與駕駛人實際避險軌跡相近度達90%以上。

[1] 陳光武.高速公路實用安全車距計算模型[J ]. 人類工效學, 2001, 1 (7) : 41—49.

[2] 高振海,管欣, 郭孔輝. 駕駛員軌跡決策行為影響因素的仿真研究[J]. 公路交通科技, 2000(12), 17(6):73-75.

[3] 鄧金城,黃席樾, 鄧小麗. 汽車防撞系統(tǒng)中的危險估計與超車決策[J]. 計算機仿真, 2004(11), 21(11):207-210, 222.

[4] 邊明遠. 基于緊急變道策略的汽車主動壁障安全車距模型[J]. 重慶理工大學學報（自然科學）, 2012(4), 26(4): 1-4.

[5] Hossein Jula, Elias B.Kosmatopoulos，Petros A.Ioannou．Collision Avoidance Analysis for Lane Change and Merging[J].IEEE TRA -NSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY,2000,49( 6) : 2295－2308．

Research on Optimal Hedging Strategy Model for Drivers in Emergency

Zhang Yali1, Shi Wen2
( 1.College of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064; 2.School of Finance and Economics, Shaanxi Youth Vocational College, Shaanxi Xi'an 710064 )

Based on the optimization theory, this paper presents an optimal hedging strategy model combining braking and steering. Simulation results show that the hedging strategy can achieve the active avoidance of the vehicle, and the safe trajectory is close to the actual trajectory of the driver.

Hedging Strategy; Optimization Theory; Safety Distance

U467.3

A

1671-7988 (2017)06-91-03

張雅麗，女，在讀碩士研究生，就讀于長安大學。研究方向：駕駛人應激。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.031