基于駕駛狀態(tài)識(shí)別的自動(dòng)緊急制動(dòng)控制策略＊

姜順明 楊晗 吳陶然 解建

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

主題詞：自動(dòng)緊急制動(dòng)策略 沖擊度 駕駛狀態(tài)識(shí)別 最小安全距離

1 前言

自動(dòng)緊急制動(dòng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）采用信息與傳感技術(shù)使駕駛員的感知能力得以提升，輔助駕駛員避免事故發(fā)生或者減輕事故傷害，已逐步成為汽車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)配置。

安全距離模型是AEB 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，合適的安全距離模型搭建對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的效果起著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)安全距離模型進(jìn)行了深入的研究，提出了幾種典型的模型，如：固定的安全距離模型[1]、基于車(chē)間時(shí)距的安全距離模型[2-3]、駕駛員預(yù)瞄安全距離模型[4-5]、基于制動(dòng)過(guò)程的安全距離模型[6]等。上述傳統(tǒng)模型存在準(zhǔn)確性較低、參數(shù)不易獲取、對(duì)駕駛員狀態(tài)考慮不足等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，唐陽(yáng)山等通過(guò)試驗(yàn)獲得不同駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，分析確認(rèn)反應(yīng)時(shí)間會(huì)對(duì)安全距離產(chǎn)生較大影響[7]，張勇剛等綜合考慮駕駛員個(gè)體差異、車(chē)輛制動(dòng)性能差異和交通路況差異，建立了不同行駛工況下的最小安全距離模型[8]，但該模型忽視了駕駛員狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，缺少一般適應(yīng)性。

本文在基于制動(dòng)過(guò)程的安全距離模型基礎(chǔ)上，針對(duì)該模型忽視駕駛員個(gè)性化差異的問(wèn)題，引入基于沖擊度與行駛路況識(shí)別的駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)識(shí)別駕駛員的駕駛狀態(tài)，將駕駛狀態(tài)分為激進(jìn)型、標(biāo)準(zhǔn)型和保守型3類(lèi)，提出了一種依據(jù)駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)修正最小安全距離的方法。

2 基于駕駛狀態(tài)識(shí)別的AEB控制流程

本文使用駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)對(duì)最小安全距離進(jìn)行修正，該制動(dòng)系統(tǒng)控制流程如圖1所示，可以分為3個(gè)步驟：根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)行駛工況進(jìn)行識(shí)別，得到對(duì)應(yīng)工況下沖擊度標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù)路況識(shí)別結(jié)果確定駕駛員駕駛狀態(tài)系數(shù)；應(yīng)用該系數(shù)確定AEB系統(tǒng)參數(shù)，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性。

圖1 基于駕駛狀態(tài)識(shí)別的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)控制流程

3 駕駛狀態(tài)識(shí)別方法

駕駛員駕駛狀態(tài)可以分為激進(jìn)型、標(biāo)準(zhǔn)型、保守型3 類(lèi)。激進(jìn)型駕駛的特點(diǎn)是反應(yīng)迅速，動(dòng)作敏捷，經(jīng)常超車(chē)、加塞和急加速；標(biāo)準(zhǔn)型駕駛的特點(diǎn)是正常加速和減速，更加合理地踩制動(dòng)踏板和油門(mén)踏板；保守型駕駛的特點(diǎn)是低速行車(chē)且較少超車(chē)，不易產(chǎn)生冒險(xiǎn)行為，反應(yīng)較遲鈍，行動(dòng)緩慢。行駛工況通常對(duì)駕駛狀態(tài)有一定影響，例如在高速公路上行駛，因車(chē)流量相對(duì)較小，車(chē)速均較高，駕駛員踩踏板的劇烈程度相對(duì)其他工況略小，因此駕駛狀態(tài)的識(shí)別需考慮行駛的工況類(lèi)型。

3.1 行駛工況的識(shí)別方法

將行駛工況分為城市路況、郊區(qū)路況和高速工況3種典型類(lèi)型。工況識(shí)別的方法是提取過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)車(chē)速的變化，用于預(yù)測(cè)未來(lái)一小段時(shí)間的行駛工況，提取時(shí)長(zhǎng)和預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有較大影響，文獻(xiàn)[9]研究表明，采用120 s 識(shí)別時(shí)長(zhǎng)與6 s 預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)有較高精度，故本文也采用這種時(shí)間長(zhǎng)度。

本文采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)行駛工況進(jìn)行識(shí)別,采用3種典型工況數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，根據(jù)皮爾遜系數(shù)法選取最大車(chē)速、平均車(chē)速、怠速時(shí)間、平均加速度、最大加速度和最小加速度6個(gè)特征參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出為行駛工況等級(jí)，設(shè)城市路況、郊區(qū)路況、高速路況的編號(hào)分別為1、2、3。

3.2 駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)

本文采用沖擊度對(duì)駕駛狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，沖擊度可以反映駕駛員踩制動(dòng)踏板和油門(mén)踏板的劇烈程度，其定義為：

式中，v(t)為t時(shí)刻自車(chē)行駛速度。

駕駛員駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)為：

式中，SDJ為識(shí)別周期內(nèi)沖擊度的標(biāo)準(zhǔn)差；Jˉ為標(biāo)準(zhǔn)駕駛員在某一工況下行駛沖擊度的平均值；Ji為i時(shí)刻的沖擊度；T為識(shí)別周期。

綜合考慮計(jì)算量與識(shí)別精確度，采用的駕駛狀態(tài)識(shí)別周期為12 s，預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為6 s。

3.3 駕駛狀態(tài)識(shí)別算法

計(jì)算出循環(huán)工況后，將該工況的平均沖擊度運(yùn)用到每個(gè)識(shí)別周期內(nèi)駕駛員駕駛狀態(tài)的識(shí)別中，識(shí)別算法流程為：

a.計(jì)算某時(shí)刻前12 s內(nèi)沖擊度的標(biāo)準(zhǔn)差SDJ；

b.利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求得該時(shí)刻工況類(lèi)別及對(duì)應(yīng)的平均沖擊度Jˉ；

c.實(shí)時(shí)計(jì)算駕駛員駕駛狀態(tài)系數(shù)Rd；

d.Rd＞at時(shí)，駕駛狀態(tài)識(shí)別為激進(jìn)型，nt＜Rd＜at時(shí)，駕駛狀態(tài)識(shí)別為標(biāo)準(zhǔn)型，Rd＜nt時(shí)，駕駛狀態(tài)識(shí)別為保守型。

其中，nt為標(biāo)準(zhǔn)駕駛狀態(tài)的臨界值，at為激進(jìn)駕駛狀態(tài)的臨界值，分別取為0.5和1。

4 縱向安全距離控制策略

4.1 安全距離模型

假設(shè)前車(chē)與自車(chē)同向行駛，如圖2所示，車(chē)速分別為v1和v2，相對(duì)車(chē)速為自車(chē)與前車(chē)車(chē)速的差值。當(dāng)AEB系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到自車(chē)與前車(chē)有碰撞危險(xiǎn)時(shí)立即采取主動(dòng)制動(dòng)，此時(shí)兩車(chē)間距為臨界制動(dòng)安全距離dbr，前車(chē)和自車(chē)行駛過(guò)的距離分別為d1和d2，當(dāng)自車(chē)停止或者與前車(chē)相對(duì)車(chē)速為0時(shí)，兩車(chē)的距離稱(chēng)為最小安全距離，用d0表示。

圖2 安全距離模型示意

臨界安全距離為：

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與式（3）得到臨界安全距離公式為：

式中，amax為最大減速度，根據(jù)中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）設(shè)定amax=6 m/s2；分別為消除制動(dòng)間隙時(shí)間和制動(dòng)力持續(xù)增加時(shí)間，本文車(chē)輛使用液壓制動(dòng)系統(tǒng)，分別取0.06 s和0.04 s。

4.2 最小安全距離修正模型

安全距離選取較小時(shí)雖能避免碰撞，但保守型駕駛員會(huì)主觀認(rèn)為AEB系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)機(jī)晚，可能引起其恐慌，而此制動(dòng)時(shí)機(jī)符合激進(jìn)型駕駛員的心理預(yù)期；安全距離選取較大，AEB 系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)機(jī)早，符合保守型駕駛員的心理預(yù)期，但激進(jìn)型駕員會(huì)認(rèn)為系統(tǒng)誤觸發(fā)。所以安全距離的選取應(yīng)滿(mǎn)足駕駛員的心理預(yù)期，以提高其對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)可與信任。

考慮到駕駛員對(duì)起始制動(dòng)和制動(dòng)停車(chē)后自車(chē)與前車(chē)的距離有心理預(yù)期，在設(shè)計(jì)臨界安全距離模型時(shí)應(yīng)考慮駕駛員的個(gè)性化需求。在國(guó)內(nèi)外對(duì)安全距離模型的研究中，一般將最小安全距離在2～5 m 中取一固定值，本文提出采用駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)對(duì)最小安全距離d0進(jìn)行修正（二者的關(guān)系見(jiàn)圖3）：

圖3 駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)與最小安全距離的關(guān)系

5 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文建立的駕駛狀態(tài)識(shí)別模型的準(zhǔn)確性，使用Simulink 對(duì)一段組合工況數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖4 所示，該工況包含了城市工況、郊區(qū)工況與高速工況，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。

由圖5可以看出，在第600 s和第2 300 s附近，因車(chē)速偏高將郊區(qū)工況類(lèi)型識(shí)別成了高速類(lèi)型，其余時(shí)間識(shí)別結(jié)果基本符合仿真路況。圖6 中，a、b、c 分別為保守型、標(biāo)準(zhǔn)型、激進(jìn)型駕駛狀態(tài)，由圖6 可以看出，駕駛員駕駛狀態(tài)在實(shí)時(shí)變化，故本文采用的方法可以有效反映駕駛狀態(tài)。由圖7可知，修正后的臨界安全距離在未修正值附近有所變化，且因AEB 系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)距離較為敏感，故修正后的AEB 系統(tǒng)臨界安全距離模型更符合各種駕駛員的心理預(yù)期，增加了系統(tǒng)的自適應(yīng)性。

圖4 仿真組合工況

圖5 工況識(shí)別結(jié)果

圖6 駕駛狀態(tài)識(shí)別結(jié)果

圖7 臨界安全距離

2018 版C-NCAP 評(píng)價(jià)體系中增加了對(duì)車(chē)輛追尾工況的測(cè)試評(píng)價(jià)，以對(duì)AEB 系統(tǒng)的有效性進(jìn)行全面評(píng)估。選擇駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)分別為0.3、0.8和1.3，通過(guò)CarSim/Simulink對(duì)3種測(cè)試工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

前車(chē)靜止（Car to Car Rear Stationary，CCRs）工況：在CarSim 中設(shè)定自車(chē)車(chē)速為40 km/h，前車(chē)靜止，兩車(chē)起始距離為50 m。前車(chē)勻速（Car to Car Rear Moving，CCRm）工況：在CarSim 中設(shè)定自車(chē)車(chē)速為45 km/h，前車(chē)車(chē)速為20 km/h，兩車(chē)起始距離為50 m。前車(chē)制動(dòng)（Car to Car Rear Braking，CCRb）工況：根據(jù)歐洲新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（European New Car Assessment Program，ENCAP）[10]，通過(guò)對(duì)因前車(chē)制動(dòng)而引發(fā)的交通事故統(tǒng)計(jì)可得，前車(chē)制動(dòng)減速度平均值為4.08 m/s2，故仿真中設(shè)定前車(chē)以-4 m/s2減速至停車(chē)，設(shè)定自車(chē)和前車(chē)車(chē)速均為50 km/h，兩車(chē)起始距離為40 m。3 種駕駛狀態(tài)駕駛員在3 種測(cè)試工況下的仿真結(jié)果如圖8～圖10 和表1所示。

圖8 CCRs工況仿真結(jié)果

圖9 CCRm工況仿真結(jié)果

圖10 CCRb工況仿真結(jié)果

表1 3種測(cè)試工況下仿真結(jié)果 m

由圖9～圖11可以看出，3種工況下保守型、標(biāo)準(zhǔn)型和激進(jìn)型起始制動(dòng)距離、制動(dòng)到與前車(chē)相對(duì)速度為0時(shí)與前車(chē)的距離均逐漸遞減，制動(dòng)減速度響應(yīng)較快，并且最終都穩(wěn)定在8 m/s2附近，穩(wěn)態(tài)精度較高。CCRm 工況下，自車(chē)在制動(dòng)到與前車(chē)同等速度時(shí)，AEB 系統(tǒng)停止工作，因制動(dòng)系存在消除制動(dòng)減速度的時(shí)間，導(dǎo)致相對(duì)速度小于0。同CCRs工況相比，CCRm工況下自車(chē)加速穩(wěn)態(tài)精度更高。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前AEB系統(tǒng)未考慮駕駛員駕駛狀態(tài)實(shí)時(shí)變化的問(wèn)題，引入沖擊度對(duì)駕駛狀態(tài)進(jìn)行分析，并與縱向安全距離策略相結(jié)合，對(duì)最小安全距離進(jìn)行修正，建立了一種適應(yīng)駕駛狀態(tài)的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)。

采用CarSim/Simulink 在3 種工況下對(duì)AEB 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，基于駕駛狀態(tài)識(shí)別的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)可以更好地協(xié)調(diào)臨界安全距離，在保證安全的前提下，更符合駕駛員的預(yù)期，提高了駕駛員對(duì)系統(tǒng)的信任度與認(rèn)可度。