基于駕駛員特性的主動避撞分級制動策略與驗證?

胡遠志，楊喜存，劉 西，黃 玲

(1.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400054；

2.重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054； 3.上汽依維柯紅巖商用車有限公司，重慶 401122)

前言

汽車主動避撞CW/CA(collision warning/avoidance)作為一項先進的主動安全技術(shù)，在提高交通安全性方面具有重要意義。當(dāng)避撞系統(tǒng)檢測到本車與前方的障礙物之間存在潛在的碰撞危險時，系統(tǒng)通過聲音和圖像等方式向駕駛員發(fā)出警告，提醒駕駛員采取措施避撞；如果駕駛員沒有做出及時有效的避撞操作，碰撞危險變得十分緊急時，避撞系統(tǒng)會自動介入，接管對車輛的控制，通過主動制動來避免碰撞事故。

隨著智能交通系統(tǒng)在全球的興起，針對汽車主動避撞系統(tǒng)的研究獲得了廣泛關(guān)注。尤其是在美國高速公路交通安全署NHTSA(national highway traffic safety administration)的推動下，汽車主動避撞系統(tǒng)開始取得了迅速發(fā)展，許多避撞模型被提出。目前國外對汽車主動避撞系統(tǒng)的研究較多。較有代表性的有 NHTSA模型、Berkeley模型和 MAZDA模型[1－2]。韓國漢陽大學(xué)的Lee D.H.等人在研究了期望減速度和液壓制動系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測停車距離模型，其在城市避撞系統(tǒng)的研究中有很大的應(yīng)用價值[3]；文獻[4]中把斜坡路況考慮在內(nèi)，提出了在斜坡路況下確定制動施加時間的方法，優(yōu)化了主動避撞系統(tǒng)在斜坡路況下的制動性能；文獻[5]中為解決近距離穩(wěn)定跟車工況中前車突然制動，本車將會有發(fā)生追尾碰撞危險的問題，引入了THW(time-headway)的概念即兩車相對距離除以本車速度，可準(zhǔn)確識別此種危險工況；文獻[6]中采用單目攝像頭識別車輛和車道線的方案，用于開發(fā)主動避撞系統(tǒng)，且識別到的車輛寬度、位置和速度等信息通過卡爾曼濾波的方式進行處理，同時，為增加系統(tǒng)的魯棒性，對檢測到的車道線信息和單目攝像頭模型進行數(shù)據(jù)融合，得到的TTC(碰撞時間)估計結(jié)果較好，提高了避撞系統(tǒng)的性能；文獻[7]中結(jié)合滑動輪胎模型估算出路面摩擦力峰值，然后根據(jù)摩擦力峰值再估算出TTC對應(yīng)的制動力閾值，使避撞系統(tǒng)對不同路面的適應(yīng)性更好；文獻[8]中基于阻抗控制設(shè)計了本車與前車和本車與后車的3車駕駛場景的主動避撞系統(tǒng)，且本車采用PI控制器跟蹤阻抗控制產(chǎn)生的參考輸入，能有效減輕3車場景中的碰撞；文獻[9]中在普通基于車與車之間避撞系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了行人避撞的功能，當(dāng)本車車速低于35 km/h時，可實現(xiàn)本車與前方車輛或行人的完全避撞；文獻[10]中通過駕駛模擬器采集行人在道路中的行走數(shù)據(jù)，開發(fā)了用于行人避撞系統(tǒng)的駕駛員意圖檢測算法；文獻[11]中介紹了由日本豐田汽車公司提出的行人主動避撞系統(tǒng)的測試方法，進一步推動了行人主動避撞系統(tǒng)的發(fā)展；文獻[12]中對主動避撞系統(tǒng)的技術(shù)要求、成本和安全收益做了詳細分析；文獻[13]中對國際上已經(jīng)推出的主動避撞系統(tǒng)的機構(gòu)和具體的測試方法做了詳細介紹。

我國針對汽車主動避撞系統(tǒng)的研究也有一些成果。清華大學(xué)侯德藻等人對主動避撞系統(tǒng)的研究取得了很大的突破，建立了反映駕駛員駕駛特點的新型安全距離模型[14]；北京理工大學(xué)的裴曉飛、劉存星等人采用避撞時間余量來判斷當(dāng)前工況的危險程度，利用較優(yōu)變道軌跡模型進行變道操作判斷，設(shè)計了符合駕駛員避撞特性的主動避撞系統(tǒng)，建立了車輛緊急變道避撞安全距離模型[15－17]；同濟大學(xué)的李霖、馮弟瑤等人根據(jù)真實交通危險工況中駕駛員的制動反應(yīng)時間和真實追尾事故，分別構(gòu)建了危險估計模型并進行事故重建，設(shè)計了融合制動控制和轉(zhuǎn)向控制的避撞系統(tǒng)，并提出了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化方法[18－22]。

目前研究的汽車主動避撞系統(tǒng)，大多數(shù)采用安全距離模型，即通過各種傳感器獲得車間相對運動信息，當(dāng)實際車距小于模型計算的預(yù)警安全距離或制動安全距離時，主動避撞系統(tǒng)的聲光預(yù)警和制動干預(yù)則會相繼介入；另外，也有一部分模型是利用車間相對距離、相對速度和相對加速度建立的安全時距模型。但就駕駛員對主動避撞系統(tǒng)的接受程度而言，現(xiàn)有避撞系統(tǒng)的預(yù)警/制動策略仍有較大的改進空間：一是要更為準(zhǔn)確地表征當(dāng)前工況的危險程度；二是要制定符合駕駛員特性的避撞預(yù)警/制動策略。

本文中首先提出了一種新的危險判定指標(biāo)TTC的建模方法，它充分利用已知車間相對運動信息，來準(zhǔn)確有效地評估當(dāng)前工況的碰撞危險程度。然后基于TTC和本車車速設(shè)計了主動避撞系統(tǒng)的分級制動策略，并對制動時機和期望減速度進行了實車標(biāo)定；引入了預(yù)警門限值Tw，以TTC為判斷條件設(shè)計了主動避撞系統(tǒng)的防撞預(yù)警策略，并采用聲光預(yù)警的方式幫助駕駛員實現(xiàn)有效避撞。最后通過實車試驗，驗證了系統(tǒng)功能的有效性和實用性。

1 危險判定指標(biāo)

對于主動避撞系統(tǒng)的研究，有些采用安全距離模型中的安全距離來評估當(dāng)前工況的危險程度[14]；有些采用Berkeley模型中的危險系數(shù)來評估當(dāng)前工況的危險程度[1]。安全距離和危險系數(shù)本質(zhì)上只是一種基于距離的線性指標(biāo)，未必能準(zhǔn)確地對碰撞威脅做出實時評估。如果采用一種基于時間的危險判定指標(biāo)，能直觀反映出當(dāng)前工況下的安全時間余量，就更加接近與駕駛員自然的感知和判斷習(xí)慣。同時，該指標(biāo)還應(yīng)能充分利用獲得的本車及前車的行車狀態(tài)信息。判定當(dāng)前工況危險程度的一種常用方法是使用TTC，即碰撞時間，一部分TTC建模方法只引入了前車與本車的相對距離和相對速度兩個行車狀態(tài)信息，建立的安全時距模型不夠準(zhǔn)確[4]，另一部分TTC的建模方法雖引入了前車與本車的相對加速度，但也同時引入了本車的速度和減速度，且對工況的分類過于繁瑣，影響安全時距模型的實時性[16]。

汽車主動避撞系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)的組成部分，開發(fā)應(yīng)體現(xiàn)人—車—路一體化的思想，為體現(xiàn)這一要求和提高系統(tǒng)的使用性能，汽車主動避撞系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求。

(1)安全時距模型建模要準(zhǔn)確。由于主動制動會比聲光報警帶給駕駛員更強烈的主觀感受，甚至不適，因此，應(yīng)避免主動制動的頻繁介入，而一旦介入，則希望車輛以合適的減速度進行制動，直至速度與前車速度相同。

(2)安全時距模型使用的行車信息在主動避撞系統(tǒng)條件下應(yīng)能容易獲得，且要充分利用所獲得的行車信息，同時建模邏輯要盡量簡潔，以保證系統(tǒng)的實時性。本車速度和加速度等行車信息可通過本車的傳感器獲得，前車的位置、速度和加速度等行車信息可通過本車的雷達傳感器獲得，所有行車信息的數(shù)據(jù)均通過CAN總線傳輸至主動避撞系統(tǒng)的控制器。

(3)安全時距模型應(yīng)在保證安全性的情況下兼顧道路利用率。主動避撞系統(tǒng)的目的是避免追尾事故，理論上將TTC的閾值設(shè)置得越大，制動越提前，碰撞發(fā)生前速度的降幅越大，就越能消除碰撞的威脅。但是道路的容量與車輛的行駛速度成正比，而與車輛的相對距離成反比。同時，TTC的閾值如果設(shè)置過小，會出現(xiàn)預(yù)警和制動太晚的情況，造成駕駛員緊張，甚至發(fā)生碰撞。

(4)依據(jù)安全時距模型進行行車安全狀態(tài)的判斷結(jié)果和控制結(jié)果應(yīng)反映相同條件下駕駛員的實際駕駛特點。

(5)安全時距模型適用的工況能涵蓋一般道路交通的大多數(shù)工況。

現(xiàn)有的模型不能滿足以上要求，下面以上述要求為基礎(chǔ)，建立了汽車主動避撞的安全時距模型，提出了一種新的TTC建模方法。

新的TTC計算公式為

式中：Drel為前車與本車之間的相對距離，m；vrel為前車與本車之間的相對速度，m/s；arel為前車與本車之間的相對減速度，m/s2，可通過相對車速vrel的歷史信息差分獲得，并對其進行必要的卡爾曼濾波處理。

根據(jù)運動關(guān)系方程[16]：

(1) 當(dāng) vrel＜0，arel≠0，則由式(2)求得 TTC 為

(2) 當(dāng) vrel＜0，arel＝ 0，即前車速度小于本車速度，且兩車均保持勻速行駛，則式(2)可簡化為

(3) 當(dāng) vrel＝0，arel＜0，則式(2)可簡化為

(4) 當(dāng) vrel＝0，arel＞0，得到的 TTC 公式同式(7)。

但因arel＞0，故式(7)無實數(shù)解，表明兩車不會發(fā)生碰撞。

(5) 當(dāng) vrel＝0，arel＝0，即兩車速度相同，且均保持勻速行駛，則式(2)變?yōu)?/p>

但因?qū)嶋H的行駛工況中，兩車的初始車距不可能為0，故表明此種工況下兩車不會發(fā)生碰撞。

(6)特別地，當(dāng)vrel＞0，即兩車的相對速度大于0，前車的速度大于本車的速度，不存在追尾的威脅，因此主動避撞系統(tǒng)只考慮vrel≤0的情況[16]。

綜上所述，TTC可表示為

2 主動避撞制動策略設(shè)計

危險判定指標(biāo)TTC能定量反映出當(dāng)前工況下駕駛員或主動避撞控制系統(tǒng)進行避撞操作的時間余量，因此可以直接作為主動避撞系統(tǒng)的有效判據(jù)，如圖1所示。面對同車道前方突然出現(xiàn)的障礙目標(biāo)，一旦駕駛員未能及時采取正確的避撞操作，主動避撞系統(tǒng)能立即代替駕駛員接管車輛控制權(quán)。當(dāng)TTC小于制動觸發(fā)時刻 TTC1時，制動壓力將被自動施加。

圖1 分級預(yù)警/制動邏輯

制定主動避撞系統(tǒng)的制動策略時，希望高速時制動策略能以較小的減速度較早介入(高速時，以較大減速度制動，容易使車輛失穩(wěn)，且使駕駛員緊張、不適)，低速時制動策略以較大的減速度較晚介入，同時這也比較符合一般駕駛員發(fā)現(xiàn)車道前方出現(xiàn)障礙目標(biāo)時，先以較小減速度制動，再根據(jù)主觀判斷逐漸增大減速度制動來避免碰撞的駕駛習(xí)慣。因此，不能設(shè)定單一的TTC閾值，僅以TTC作為制動策略的判定條件，會造成高速制動過晚、低速制動過早的問題[15]。據(jù)此，本文中以TTC和車速兩個參數(shù)共同作為制動策略的判定條件，制定避撞系統(tǒng)的制動策略。

首先按照本車車速vhost把行駛工況分為3種：9 km/h＜vhost≤20 km/h，為低速行駛工況；20 km/h＜vhost＜50 km/h，為中速行駛工況；vhost≥50 km/h，為高速行駛工況。然后，針對3種不同的行駛工況設(shè)置了3個對應(yīng)的TTC閾值。當(dāng)車速與TTC同時滿足一組條件時，系統(tǒng)則會給出對應(yīng)的特定期望減速度aexp。

文獻[11]中研究了6種典型危險工況下駕駛員制動反應(yīng)時間，平均值分布在1.02～1.36 s之間，因此設(shè)定9 km/h＜vhost≤20 km/h對應(yīng)的TTC閾值為1 s，20 km/h＜vhost＜50 km/h 對應(yīng)的 TTC 閾值為1.4 s，vhost≥50 km/h 對應(yīng)的 TTC 閾值為 1.8 s。

而在制動減速度方面，NHTSA通過對83名駕駛員的避撞試驗數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計出駕駛員制動過程中的平均減速度和最大減速度[23]，如表1所示。由表1可以看出，絕大多數(shù)駕駛員的平均減速度不會超過0.55 g，而避撞過程中的最大減速度幾乎是平均減速度的2倍。因此，設(shè)定制動策略的3組本車車速、TTC閾值(按照本車車速和TTC由小到大的順序)對應(yīng)的期望減速度分別為8，6和4 m/s2，保證駕駛員有充足的時間完成避撞選擇(制動/轉(zhuǎn)向)，并采取相應(yīng)的避撞操作。

表1 駕駛員的制動減速度統(tǒng)計分布表[23] g

通過實車試驗和標(biāo)定，最終確定車速、TTC和期望減速度的數(shù)據(jù)和對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 本車車速、TTC和期望減速度對比

主動避撞系統(tǒng)的制動策略如圖2所示。

在主動避撞系統(tǒng)啟動主動制動功能的任何時刻，當(dāng)駕駛員踩制動踏板或加速踏板行程大于20%時，系統(tǒng)功能會立即退出，駕駛員都能主導(dǎo)對車輛的操作，以保證駕駛員的控制優(yōu)先權(quán)。

3 主動避撞預(yù)警策略設(shè)計

主動避撞預(yù)警策略的關(guān)鍵是預(yù)警時機的選擇。如果不能及時發(fā)出預(yù)警信號，駕駛員可能因為注意力不集中、疲憊等原因沒有及時發(fā)現(xiàn)危險而發(fā)生碰撞事故；如果系統(tǒng)預(yù)警過于頻繁，不僅無法有效幫助駕駛員避免潛在的碰撞事故，反而會分散駕駛員的注意力，使其過度緊張，成為其精神負擔(dān)[23]。

圖2 主動避撞系統(tǒng)的制動策略流程圖

因TTC是一種基于時間的表征量，故比安全距離模型更適合駕駛員直接感知判斷的習(xí)慣，也有利于結(jié)合駕駛員反應(yīng)時間對預(yù)警門限進行調(diào)節(jié)。為應(yīng)對不同程度的碰撞威脅，同時盡可能適應(yīng)大多數(shù)駕駛員的避撞特性，引入了一個基于相對車速、駕駛員制動過程中減速度和駕駛員避撞反應(yīng)時間的預(yù)警門限值Tw：

式中：ad為駕駛員制動過程中的平均減速度，m/s2；tres為駕駛員避撞的平均反應(yīng)時間，s。

根據(jù)C-NCAP中FCW(forward collision warning)預(yù)警系統(tǒng)的測試評價方法：在FCW發(fā)出預(yù)警信號1.2 s后，施加一個4 m/s2的制動減速度，直到本車停止或與前車發(fā)生碰撞[24]。避撞系統(tǒng)的預(yù)警時間，在駕駛員有一定反應(yīng)時間的情況下，能保證駕駛員接收到信號后有足夠的時間采取有效的制動操作而不與前車發(fā)生碰撞。因此，預(yù)警時間除與駕駛員的反應(yīng)時間有關(guān)外，還要參考車輛制動所需的時間。

預(yù)警門限值Tw應(yīng)滿足下式：

式中：駕駛員制動過程中的減速度ad取4 m/s2；駕駛員避撞的反應(yīng)時間tres取1.2 s。因此，式(10)可簡化為

當(dāng)TTC≤Tw時，主動避撞系統(tǒng)預(yù)警，當(dāng)TTC＞Tw時，主動避撞系統(tǒng)不預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)時，會給駕駛員同時發(fā)送聲光提醒信號，視覺預(yù)警信息顯示在駕駛主儀表上，聲音預(yù)警使用蜂鳴器發(fā)出。

主動避撞系統(tǒng)的預(yù)警策略如圖3所示。

4 試驗驗證

圖3 主動避撞系統(tǒng)的預(yù)警策略流程圖

參照C-NCAP中關(guān)于自動緊急制動系統(tǒng)AEB(autonomous emergency braking system)的測試方法，通過實車試驗來驗證主動避撞系統(tǒng)避撞策略的有效性。主動避撞系統(tǒng)的有效性測試方法主要分為前車靜止、前車慢行和前車制動3種工況，如表3所示。表3中vfro為前車速度，afro為前車減速度。

雖然主動避撞系統(tǒng)設(shè)計時考慮了一般道路交通的大多數(shù)工況，但是考慮到試驗的安全性，本階段的研究工作只對前車靜止的CCRs_1與CCRs_3和前車慢行的CCRm_3 3種工況進行試驗驗證。

4.1 前車靜止工況(CCRs_1)

試驗結(jié)果如圖4和圖5所示，測試開始時本車以20 km/h勻速行駛，兩車相距100 m。15.4 s時，TTC小于防撞預(yù)警門限值，主動避撞系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出提示性預(yù)警，但由于本車并未制動，兩車仍然以恒定的相對速度靠近，相對距離和TTC值逐漸減小。16.06 s時，TTC為 0.99 s，本車車速為19.24 km/h，滿足 9 km/h＜vhost≤20 km/h，TTC≤1.0 s的判定條件，處于危險狀態(tài)Ⅲ，由于駕駛員沒有任何避撞動作，系統(tǒng)開始主動制動，施加了約9.07 MPa的制動壓力，產(chǎn)生了8 m/s2的減速度，相對速度減小，相對距離和TTC的值仍繼續(xù)減小，在16.63 s時 TTC達到最小值 0.43 s，相對速度在17.77 s時減小為0，此時相對距離達到最小值2.65 m，成功避撞，危險狀態(tài)解除。

表3 主動避撞系統(tǒng)功能測試項目

4.2 前車靜止工況(CCRs_3)

試驗結(jié)果如圖6所示。測試開始時本車以40 km/h勻速行駛，兩車相距 100 m。13.7 s時，TTC小于防撞預(yù)警門限值，主動避撞系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出提示性預(yù)警，但由于本車并未制動，兩車仍然以恒定的相對速度靠近，相對距離和TTC值逐漸減小。16.16 s時，TTC為 1.39 s，本車車速為40.23 km/h，滿足 20 km/h＜vhost＜50 km/h，TTC≤1.4 s的判定條件，處于危險狀態(tài)Ⅱ，由于駕駛員沒有任何避撞動作，系統(tǒng)開始主動制動，施加了7.72 MPa的制動壓力，產(chǎn)生了6 m/s2的減速度，相對速度減小，相對距離和TTC值仍繼續(xù)減小。17.08 s時，TTC為0.88 s，本車車速為19.99 km/h，滿足9 km/h＜vhost≤20 km/h，TTC≤1 s的判定條件，處于危險狀態(tài)Ⅲ，此時駕駛員仍然沒有任何避撞動作，系統(tǒng)繼續(xù)主動制動，施加了約9.07 MPa的制動壓力，產(chǎn)生了8 m/s2的減速度，TTC繼續(xù)減小，在17.38 s時達到最小值0.85 s，相對速度在19.15 s時減小為0，此時相對距離達到最小值2.54 m，成功避撞，危險狀態(tài)解除。

4.3 前車慢行工況(CCRm_3)

圖4 前車靜止工況(CCRs_1)試驗結(jié)果

圖5 前車靜止工況(CCRs_1)試驗現(xiàn)場

試驗結(jié)果如圖7所示。測試開始時本車以65 km/h勻速行駛，兩車相距200m。12.01s時，TTC小于防撞預(yù)警門限值，主動避撞系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出提示性預(yù)警，但由于本車并未制動，兩車仍然以恒定的相對速度靠近，相對距離和TTC的值逐漸減小。14.17 s時，TTC 為1.79 s，本車車速為65.18 km/h，滿足vhost≥50 km/h，TTC≤1.8 s的判定條件，處于危險狀態(tài)Ⅰ，由于駕駛員沒有任何避撞動作，系統(tǒng)開始主動制動，施加了5.86 MPa的制動壓力，產(chǎn)生了4 m/s2的減速度，相對速度減小，相對距離和TTC值仍繼續(xù)減小。15.24 s時，TTC為1.38 s，本車車速為 45.49 km/h，滿足 20 km/h＜vhost＜50 km/h，TTC≤1.4 s的判定條件，處于危險狀態(tài)Ⅱ，此時駕駛員仍然沒有任何避撞動作，系統(tǒng)繼續(xù)主動制動，施加了約7.72 MPa的制動壓力，產(chǎn)生了6 m/s2的減速度，TTC繼續(xù)減小，在16.44 s時達到最小值1.14 s，相對速度在16.74 s時減小為0，此時相對距離達到最小值2.61 m，成功避撞，危險狀態(tài)解除。

圖8和圖9為前車靜止工況(CCRs_3)和前車慢行工況(CCRm_3)試驗現(xiàn)場。

5 結(jié)論

提出了一種新的碰撞時間TTC的建模方法，通過充分利用車間運動信息，能夠直觀、準(zhǔn)確地評估當(dāng)前工況的危險程度。開發(fā)了一種基于危險判定指標(biāo)TTC的主動避撞系統(tǒng)，設(shè)計了基于TTC和本車車速的主動避撞分級制動策略，引入了預(yù)警門限值Tw，以TTC為判定條件，設(shè)計了通過聲光預(yù)警的主動避撞預(yù)警策略，且根據(jù)實車的試驗結(jié)果標(biāo)定了分級制動的介入時機。最后，通過實車試驗，按照C-NCAP提出的AEB有效性測試方法對所開發(fā)的主動避撞策略進行了前車靜止和前車慢行兩種工況的驗證。結(jié)果表明，所提出的主動避撞策略避撞效果較好，可有效避撞，設(shè)計的分級制動策略和預(yù)警策略符合駕駛員的避撞特性。

圖6 前車靜止工況(CCRs_3)試驗結(jié)果

圖7 前車慢行工況(CCRm_3)試驗結(jié)果

但是，本文中只是通過實車試驗驗證了主動避撞系統(tǒng)在前車靜止和前車慢行工況下的避撞和預(yù)警性能，后續(xù)將通過實車試驗對本文中所研究的主動避撞和預(yù)警策略在前車制動工況下的性能進行驗證，且根據(jù)實車試驗的結(jié)果繼續(xù)優(yōu)化分級制動和預(yù)警策略的介入時刻及其它關(guān)鍵參數(shù)。

圖8 前車靜止工況(CCRs_3)試驗現(xiàn)場

圖9 前車慢行工況(CCRm_3)試驗現(xiàn)場