車輛碰撞算法的研究

車輛碰撞時(shí)最主要的安全問(wèn)題，本文先介紹車輛的主動(dòng)安全系統(tǒng)，再介紹幾種應(yīng)用在車輛中的避撞算法。

1 車輛乘員碰撞避免系統(tǒng)：主動(dòng)安全系統(tǒng)[1]

為駕駛員提供永久性支持的主動(dòng)安全系統(tǒng)也被稱為駕駛員輔助系統(tǒng)，被稱為ADAS。主動(dòng)安全系統(tǒng)支持駕駛員適應(yīng)當(dāng)前的道路情況，并在必要時(shí)主動(dòng)采取行動(dòng)。

主動(dòng)安全系統(tǒng)包括，這些系統(tǒng)最著名的代表是動(dòng)力轉(zhuǎn)向，電子穩(wěn)定程序-ESP，反ABS，電子制動(dòng)力分配-EBD，防滑調(diào)節(jié)-ASR，電子差速鎖-EDS，斷點(diǎn)輔助系統(tǒng)-BAS，先進(jìn)的緊急制動(dòng)系統(tǒng)-AEBS，多碰撞制動(dòng)器-MKB，調(diào)節(jié)器發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩-MSR，下坡輔助控制-DAC，主動(dòng)車身控制-ABC，速度警報(bào)，自適應(yīng)巡航控制-ACC，智能速度適應(yīng)-ISA，安全帶提醒-SBR，不正常關(guān)閉車門(mén)信號(hào)，車道偏離警告系統(tǒng)-LW，盲點(diǎn)監(jiān)控-BLIS，城市安全，防撞系統(tǒng)-CAS，預(yù)碰撞檢測(cè)，停車輔助系統(tǒng)-PDC，駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)-DMS，Lig（AHL），視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)，酒精相互作用，路線導(dǎo)航和導(dǎo)航系統(tǒng)，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（智能輪胎系統(tǒng)-ITS，胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)-TPMS，通氣檢測(cè)系統(tǒng)-DDS），輪胎充氣輪胎-RFT，平視顯示器-HUD和自動(dòng)調(diào)光鏡-ADM

主動(dòng)安全系統(tǒng)通信技術(shù)：車輛之間能夠通信的協(xié)作系統(tǒng)稱為V2V系統(tǒng)，V2V系統(tǒng)包括彼此在一定范圍內(nèi)的車輛，并且可以建立一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中車輛知道他們之間的位置，速度和方向。V2V系統(tǒng)允許在車輛之間提供和交換警告和信息。與基礎(chǔ)設(shè)施合作的主動(dòng)安全系統(tǒng)被稱為V2I系統(tǒng)。它們包含車輛和任何固定通信設(shè)備之間的所有通信技術(shù)（在這種情況下靜止是指在給定的時(shí)間靜止）。該組還包括與便攜式交通標(biāo)志或警報(bào)裝置的車輛通信。這樣，主動(dòng)安全系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)。

●道路安全改善；

●降低油耗；

●改善與車輛之間通信相關(guān)的交通流量；

●減少城市地區(qū)的擁堵

2 多車輛合作避撞算法[2]

研究多車協(xié)調(diào)任務(wù)的避碰問(wèn)題。在現(xiàn)有的合作控制框架的基礎(chǔ)上，提出了依靠實(shí)際可用障礙信息的避撞方法，并允許在不影響任務(wù)目標(biāo)的情況下安全運(yùn)行。探索了兩種不同的避免障礙的策略。

首先考慮一種基于速度調(diào)整的方法，可以用來(lái)避免碰到移動(dòng)的障礙物。利用的障礙物信息，在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用，不需要任何車輛偏離行駛路徑。通過(guò)Lyapunov分析，證明了該算法能夠保證車輛動(dòng)力學(xué)約束的滿足以及安全分離約束。

其次，考慮避障的軌跡重新規(guī)劃方法。適用于靜態(tài)和移動(dòng)障礙物，這種方法可能要求車輛偏離其原來(lái)預(yù)期的路徑。避讓機(jī)動(dòng)引起的位置、速度和加速度的偏差較小，可以離線計(jì)算，這些邊界可以在任務(wù)規(guī)劃階段使用，以保證滿足車輛動(dòng)態(tài)約束和車輛間的安全。這些算法通過(guò)使用B'ezier曲線和曲面來(lái)表示不確定的軌跡，利用障礙物軌跡的局部信息，并且計(jì)算效率高。該算法能夠檢測(cè)任何可能的碰撞并重新規(guī)劃路徑。由碰撞避免操縱引起的位置、速度和加速度的偏差是可以事先計(jì)算的。通過(guò)在初始任務(wù)規(guī)劃期間使用這些界限，可以保證對(duì)于重新規(guī)劃的軌道的車輛動(dòng)態(tài)約束和足夠的車輛間安全距離。

3 重型車輛硬件在環(huán)避撞安全系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3]

高保真硬件在環(huán)（HiL）仿真系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)安全，準(zhǔn)確和可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的潛力，可以提供重型車輛碰撞避免系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)。介紹了這樣一個(gè)重型車輛HiL仿真系統(tǒng)配備電子穩(wěn)定控制和自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)置和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEB）由兩個(gè)系統(tǒng)組成,包括車輛碰撞迫近制動(dòng)系統(tǒng)(CIB)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)支持系統(tǒng)(DBS)。本節(jié)模擬驗(yàn)證僅限于AEB系統(tǒng)的CIB，使用EC-60電子控制單元（ECU），包括Bendix Wingman先進(jìn)的基于雷達(dá)的碰撞緩解系統(tǒng)。一起使用一個(gè)直行車道與一輛前進(jìn)車輛（或目標(biāo)），以復(fù)制NHTSA測(cè)試軌道碰撞情景，旨在評(píng)估AEB系統(tǒng)的安全性能。設(shè)置了2個(gè)場(chǎng)景，首先是前方車輛移動(dòng)情景（LVM），評(píng)估AEB系統(tǒng)檢測(cè)并響應(yīng)在卡車的前方行駛路線中前方移動(dòng)車輛的能力。第二個(gè)場(chǎng)景是前方車輛減速場(chǎng)景（LVD）。在該測(cè)試中，前方車輛最初在主車輛（SV）的直接前進(jìn)路徑中以恒定速度移動(dòng)，然后在一段短時(shí)間之后前方車輛以恒定速率減速到在8公里/小時(shí)（5英里/小時(shí)）。

NHTSA的HiL氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)采用配有AEB的Bendix ECU，已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有限的碰撞場(chǎng)景。使用的卡車速度不超過(guò)40公里/小時(shí)。

結(jié)果表明，HiL技術(shù)可以保真度地預(yù)測(cè)這種復(fù)雜系統(tǒng)的行為，完成TTC值、范圍、相對(duì)速度和最終結(jié)果（崩潰或不崩潰）的測(cè)試指標(biāo)。使用HiL系統(tǒng)，可以以更高的速度和更接近前方車輛來(lái)測(cè)試AEB性能。此外，可以改變表面條件以模擬低摩擦條件，如濕表面、裂隙等。通常，HiL系統(tǒng)可以擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的范圍，并且包括不可能系統(tǒng)測(cè)試的條件或不安全在測(cè)試軌道上進(jìn)行。盡管如此，仿真結(jié)果還是需要對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的基本驗(yàn)證。

4 一種多車輛避撞的算法[4]

根據(jù)任何N個(gè)車輛碰撞避免算法，更高級(jí)別的控制邏輯，提出了一種針對(duì)N+1車輛的混合框架的碰撞避免算法。在N+1車輛的聯(lián)合狀態(tài)空間中，保守地估計(jì)安全區(qū)域，并且產(chǎn)生安全保護(hù)控制器。另外，不會(huì)產(chǎn)生顯著的的額外計(jì)算成本。仿真中演示我們提出的方法。將其中一個(gè)車輛視為“局外”車輛，然后根據(jù)其他N個(gè)車輛的狀態(tài)，計(jì)算局外車輛的安全狀態(tài)。

合作安全控制策略，執(zhí)行以下操作：

1）根據(jù)N+1車輛的聯(lián)合配置，檢測(cè)潛在沖突，特別是確定沖突規(guī)模。

2）在保證所有N+1車輛都安全的情況下，為所有N+1車輛提供安全控制器。

3）確定何時(shí)不能保證安全，在這種情況下需要將車輛從系統(tǒng)中移除。移除車輛需要時(shí)間，所以提出電子緩沖器，電子緩沖器允許車輛一定時(shí)間內(nèi)從系統(tǒng)安全地移除。共分為四個(gè)階段：

第一階段：當(dāng)沖突規(guī)模小于N時(shí)，潛在沖突的車輛可以通過(guò)N車輛避碰算法進(jìn)行管理，保證所有車輛的安全。

第二階段：當(dāng)沖突規(guī)模為N時(shí)，有一個(gè)其他車輛Qi。安全控制器預(yù)先試圖使Qi避免與其他N個(gè)車輛發(fā)生沖突。

第三階段：沖突的大小是N+1。為了確保安全，我們確定是否存在可以被指定為Qi的車輛，從而保證只需要避開(kāi)其他N輛車輛中的一輛。詳細(xì)描述了將車輛指定為局外車輛的過(guò)程。在指定局外車輛之后，給出Qi的安全控制。

第四階段：Q從系統(tǒng)中刪除，并且車輛的總數(shù)減少到N，允許N車輛避免碰撞算法來(lái)維護(hù)安全。

5 通過(guò)整車動(dòng)力學(xué)集成控制來(lái)減少車輛碰撞[5]

本章的目的是研究車輛動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng)（VDCS）對(duì)車身碰撞和車輛乘員的運(yùn)動(dòng)行為的影響，以防車輛碰撞時(shí)發(fā)生偏移。開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的6自由度車輛動(dòng)力學(xué)/碰撞數(shù)學(xué)模型和簡(jiǎn)化的集成總質(zhì)量乘員模型。第一個(gè)模型用于定義車身碰撞參數(shù)，并將車輛動(dòng)力學(xué)模型與車輛前端結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合。第二種模型旨在預(yù)測(cè)VDCS對(duì)乘員運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響。從數(shù)值模擬可以看出，車輛動(dòng)力學(xué)/碰撞響應(yīng)和乘員行為可以被快速準(zhǔn)確地捕獲和分析。此外，顯示VDCS可以積極地影響碰撞特性并且改善乘員的行為.

仿真結(jié)果表明，車輛橫擺角的最大值取決于每種情況下的最大橫擺加速度和車輛俯仰角。值得一提的是，減小車身最大橫擺角可以減少道路上任何障礙物對(duì)車輛的側(cè)面碰撞風(fēng)險(xiǎn)。獲得了車輛中乘員的乘員頭部圍繞y軸的旋轉(zhuǎn)角度。不同情況下的最大轉(zhuǎn)角有很小的差異。在0.135s時(shí)，頭部旋轉(zhuǎn)加速度明顯不同。當(dāng)應(yīng)用VDCS時(shí)，頭部旋轉(zhuǎn)的最大加速度變得比自由滾動(dòng)情況下的頭部旋轉(zhuǎn)的最大加速度高。記錄車輛中的乘員胸部圍繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度。與自由滾動(dòng)的情況相比，胸部的旋轉(zhuǎn)角度從約0.2度增加到約2度。在0.04～0.09s，0.13～0.15s時(shí)，乘客繞x軸的胸部加速度增加的非常小。當(dāng)應(yīng)用VDCS時(shí)，關(guān)于x軸的最大乘員頭部旋轉(zhuǎn)角度也增加。增加范圍在0.2到1.0度之間，這不是一個(gè)重要的值。

綜上所述，VDCS可以改善車輛的碰撞情況。

[1]M Mikusova.Crash avoidance systems and collision safety devices for vehicle occupants[C].MATEC Web of Conferences00024(2017)。

[2]Mehdi,Syed Bilal.COLLISION AVOIDANCE FOR MULTI-VEHICLE COOPERATIVE MISSIONS[D].I University of Illinois at Urbana-Champaign,2017

[3]M.Kamel Salaani.HEAVY VEHICLE HARDWARE-INTHE-LOOP CRASH AVOIDANCE SAFETY SYSTEM SIMULATION WITH EXPERIMENTAL VALIDATION[C].25th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles(ESV)

[4]Aparna Dhinakaran.A Hybrid Framework for Multi-Vehicle Collision Avoidance[C].IEEE Conference On Decision and Control December 2017

[5]Mustafa Elkady.Collision mitigation and vehicle transportation safety using integrated vehicle dynamics control systems[J].Journal of Traffic&Transportation Engineering,2017,4(1)