汽車兩級自動緊急制動系統(tǒng)控制研究

李 剛，楊 志，吳 迪

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

1 引言

近年來，隨著社會和國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求逐漸提高，汽車作為重要交通工具對人們的需求越來越大。隨之帶來的就是汽車的保有量逐年升高，對道路交通的壓力加大，交通事故的頻發(fā)給人們和社會帶來了巨大的經(jīng)濟和財產(chǎn)損失[1]。美國對高速公路的交通事故分析中，道路交通事故有91%的情況是由于駕駛員駕駛失誤造成[2]。調(diào)查結(jié)果表明：如果駕駛員可以提前1s 了解到駕駛的危險并且實施了正確的操作，很大程度上會避免道路交通事故的發(fā)生[3]。自動緊急制動系統(tǒng)就是檢測本車與前方車輛發(fā)生追尾碰撞的可能，通過聲音、視覺或者觸覺的方式提前向駕駛員發(fā)出警示。如果駕駛員收到預(yù)警信息后沒有采取任何措施，則該系統(tǒng)便會自動啟動自動緊急制動系統(tǒng)，將車輛進行制動，避免車輛發(fā)生碰撞[4]。文獻[5]中考慮了環(huán)境和駕駛員性格多種因素，建立了汽車前方防碰撞安全距離模型。文獻[6]對本車跟前方車輛的運動狀態(tài)進行分析，建立了兩車的運動學(xué)方程，對行駛狀態(tài)碰撞可能的危險程度進行了劃分，并建立了防碰撞預(yù)警控制策略。文獻[7]在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上建立了安全距離模型，通過對前車的運動狀態(tài)進行分析，考慮前車減速度和本車駕駛員反應(yīng)時間來規(guī)劃碰撞的安全行駛距離，該模型下的防碰撞系統(tǒng)有較高的精確性。文獻[8]通過調(diào)查駕駛員對常規(guī)自動緊急制動系統(tǒng)對高減速輪胎-路面摩擦的評估，得出傳統(tǒng)的AEB 系統(tǒng)只適用干燥條件的正常路面，對于冰雪天的工況則不適用；同時，設(shè)計了適用于道路摩擦的AEB 系統(tǒng)，通過模擬器試驗，駕駛自適應(yīng)主動緊急制動系統(tǒng)的駕駛員的主動安全性和可信度得到顯著改善。文獻[9]使用單眼相機開發(fā)了目標(biāo)車輛的測量估算算法，精確測量目標(biāo)車輛的輸出，提高了基于視覺的主動緊急制動系統(tǒng)檢測性能和低誤報率上述方法都較好的實現(xiàn)了自動緊急制動，但自動緊急制動系統(tǒng)中對減速度的控制應(yīng)與駕駛員制動時的減速度大小較為符合，即在某種工況下自動緊急制動系統(tǒng)采取的減速度與駕駛員想實施的制動減速度相近[10]。由于各種工況不同、實際決策的復(fù)雜性以及行為的不確定性，駕駛員對每種工況下的理想的制動減速度大小是不同的[11]。論文[12]對四輪獨立驅(qū)動輪轂電機電動車再生制動的控制原理進行了分析，針對高速緊急制動工況，通過合理分配前后軸制動力、合理協(xié)調(diào)液壓制動力與再生制動力，提出了一種新的協(xié)調(diào)制動控制策略。因此論文研究在保證制動效能前提下同時兼顧汽車制動時駕駛員的舒適性要求的兩級自動緊急制動策略，即從低速和高速兩種工況下對自動緊急制動系統(tǒng)進行建立，包括完全制動和部分制動，在部分制動中，做大量實驗選取最舒適制動減速度值。

2 自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型的建立

研究的自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型要考慮前車運動狀態(tài)，分別對前車勻速行駛、前車加速行駛、前車減速行駛?cè)N工況進行分析，得到在各種不同工況下相對應(yīng)的安全距離模型。

2.1 安全距離模型的建立

（1）前車減速行駛

（2）前車靜止

（3）前車加速行駛

式中：v0—本車制動前的速度；v1—前車制動前的速度；t1—駕駛員反應(yīng)時間；t2—制動器夾緊過程所需要的時間；t3—制動減速度線性增加過程時間，論文將制動器制動力減速度增長的過程中近似視為線性增長，并且本車與前車的制動減速度線性增長的過程時間相同；a0—本車制動時的制動減速度；a1—前車制動時的制動減速度；ΔS—車輛觸發(fā)自動緊急制動后脫離碰撞危險后與前車的距離。

上述為自動緊急制動系統(tǒng)完全制動的安全距離公式，式中：af—車輛的最大制動力產(chǎn)生的縱向減速度，自動緊急制動系統(tǒng)部分制動的安全距離公式中將上述公式中af替換成舒適制動減速度ap。

2.2 模型參數(shù)選取

2.2.1t2，t3時間參數(shù)選取

自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型中有制動器夾緊時間t2和制動器制動壓力線性增加到最大值所用的時間t3。制動器夾緊時間與車輛本身機械結(jié)構(gòu)有關(guān)系，一般時間為（0.2～0.4）s，選取制動器夾緊時間t2為0.2s。車輛在制動過程中，制動器的制動壓力不斷升高，將它看作線性增加，這樣更容易分析汽車的制動過程，更好的建立安全距離模型，選取制動器制動壓力線性增加到最大值所用時間t3為0.2s。

2.2.2 ΔS的選取

在自動緊急制動安全距離模型中ΔS為車輛觸發(fā)自動緊急制動后脫離碰撞危險后與前車的距離。在式中ΔS一般距離為（1～5）m，主要是考慮到路面附著情況、天氣等影響制動距離的因素，故取ΔS為3m，將誤差產(chǎn)生的影響盡可能避免。

3 駕駛員舒適制動減速度測定

自動緊急制動系統(tǒng)有兩個等級的制動，一種為完全制動，另一種為部分制動。在某種緊急工況下為了避免碰撞必須全力制動，這種情況下進行完全制動。雖然完全制動能夠避免碰撞或者降低碰撞損傷，但是有些工況是不需要進行完全制動，如果進行完全制動還會降低道路交通效率，還會影響乘坐舒適性。論文通過大量駕駛模擬器實驗，采集駕駛員在制動時習(xí)慣采用的制動減速度值，分析并選取最舒適的制動減速度值。

試驗選取了16 名有豐富駕駛經(jīng)驗的駕駛員，在開始測試之前，會對每位駕駛員簡單講解試驗的目的，試驗要采集的數(shù)據(jù)，駕駛員需要如何駕駛等。為了讓駕駛員熟悉駕駛模擬器硬件在環(huán)設(shè)備，先做幾組適應(yīng)駕駛模擬器的駕駛，排除由于對駕駛模擬器的不熟悉影響試驗測試結(jié)果。首先在駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗臺車輛動力學(xué)仿真軟件上設(shè)計試驗工況：一條長直路面附著系數(shù)為0.75的路面，在本車起點前方300m 處有一輛時速為20km/h 的障礙車輛，駕駛員在起點正常開始駕駛，由于前面路程沒有發(fā)現(xiàn)障礙車輛可以隨意駕駛，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有車輛速度明顯低于本車車速后開始制動減速，試驗采集車輛縱向加速度，對每名駕駛員采集三組以上數(shù)據(jù)。駕駛員1 進行試驗的三組試驗數(shù)據(jù)，如圖1 所示，由圖可知駕駛員1 經(jīng)仿真測定舒適制動減速度分別為：0.46g、0.63g、0.62g。

圖1 駕駛員1 舒適制動減速度曲線Fig.1 Driver 1 Comfort Brake Deceleration Curve

駕駛員2 到駕駛員16 的舒適制動減速度曲線與圖1 類似，16 名駕駛員舒適制動減速度試驗的數(shù)據(jù)采集匯總，如表1 所示。

表1 駕駛員舒適制動減速度試驗數(shù)據(jù)表Tab.1 Driver Comfort Brake Deceleration Test Data Sheet

對16 名駕駛員感覺最舒適的制動減速度的平均值進行對比，最后選擇0.53g 為舒適制動減速度。

4 自動緊急制動控制策略及控制器設(shè)計

對自動緊急制動控制策略在高、低速兩種工況下進行研究，車速以80km/h 為界。在高速工況下，立刻采取完全緊急制動，車輛可能造成側(cè)滑等危險狀況，因此論文自動緊急制動系統(tǒng)在車輛時速大于80km/h 時，如果觸發(fā)則以部分制動的制動減速度進行制動；在低速的城市工況中，使用部分制動減速度，對應(yīng)的安全距離就越大，道路交通效率就會降低，另外，經(jīng)驗豐富的激進型駕駛員與前車的距離在制動時比較小，如果自動緊急制動介入的比較頻繁，會影響到駕駛員正常駕駛。故在車輛低速工況下進行完全制動控制時，不考慮駕駛員的乘坐舒適性，只考慮道路通過性與避免發(fā)生碰撞，即在較為危險的時刻才會觸發(fā)自動緊急制動系統(tǒng)。當(dāng)雷達探測到前方車輛在橫向距離2m 之內(nèi)，自動緊急制動系統(tǒng)則對前車進行距離判斷，當(dāng)相對距離大于一級安全距離Sp時，自動緊急制動系統(tǒng)不觸發(fā)；當(dāng)相對距離小于一級安全距離Sp，大于二級安全距離Sf時，自動緊急制動系統(tǒng)采取部分制動；當(dāng)相對距離小于二級安全距離Sf時，自動緊急制動系統(tǒng)采取完全制動，兩級自動緊急制動控制策略，如圖2 所示。自動緊急制動系統(tǒng)是在汽車要發(fā)生碰撞危險時，自動采取制動措施，使車輛以一定的減速度進行制動來避免碰撞的一種輔助制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)需要實時調(diào)整輪缸壓力，使實際減速度接近理想減速度，設(shè)計PID 控制對輪缸壓力進行控制。原理，如圖3 所示。

圖2 兩級自動緊急制動控制策略圖Fig.2 Two Automatic Emergency Brake Control Strategy Chart

圖3 PID 控制器原理圖Fig.3 PID Controller Schematic

5 駕駛模擬器硬件在環(huán)試驗驗證

通過理論研究，建立了汽車前方防碰撞兩級預(yù)警系統(tǒng)和自動緊急制動系統(tǒng)模型。自動緊急制動系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能是當(dāng)將出現(xiàn)碰撞危險的緊急工況時，如果駕駛員沒有進行制動，系統(tǒng)會自動采取制動控制，避免碰撞的發(fā)生。自動緊急制動系統(tǒng)有兩種制動強度，一種是完全制動，一種是部分制動。為了充分驗證模型的正確性和合理性，論文應(yīng)用駕駛模擬硬件在環(huán)試驗臺對系統(tǒng)進行不同試驗驗證。工況分為三種：本車速度設(shè)為中等城市車速60上下，前方車輛設(shè)為靜止、勻速、減速三種不同狀態(tài)。

5.1 接近前方靜止車輛

工況：本車初始速度65km/h 工況，接近前方靜止車輛。仿真曲線，如圖4 所示。本車以65km/h 勻速接近前方靜止車輛，駕駛員不操作制動踏板，當(dāng)本車與前方靜止車輛的距離小于安全距離后，在第4s 車輛防碰撞系統(tǒng)自動進行緊急制動，在第6.5s 時車輛停止，與前方車輛還有接近2m 的距離避免了碰撞的發(fā)生。由試驗結(jié)果可知，本車以一定速度接近前方靜止車輛的工況時，汽車前方防碰撞系統(tǒng)根據(jù)汽車不同的行駛狀態(tài)均實施了準(zhǔn)確的自動緊急制動功能對車輛進行制動，避免了碰撞發(fā)生。

圖4 本車中速接近前方靜止車輛Fig.4 Vehicle Speed Close to Front Stationary Vehicle

5.2 接近前方低速車輛

工況：本車初始速度65km/h，前方車輛勻速10km/h。仿真曲線，如圖5 所示。

圖5 本車中速接近前方低速車輛Fig.5 Vehicle Speed Close to Front Low-Speed Vehicle

本車以65km/h 勻速接近前方以10km/h 低速行駛車輛，駕駛員不操作制動踏板，當(dāng)本車與前方目標(biāo)車輛的距離小于安全距離后，在第2s 車輛防碰撞系統(tǒng)自動進行緊急制動，制動維持了2s左右，當(dāng)車輛車速降為與前車速度相等，不發(fā)生碰撞時自動解除制動，與前方車輛保持一定距離繼續(xù)行駛。由試驗結(jié)果可知，本車以一定速度接近前方低速車輛的工況時，汽車前方防碰撞系統(tǒng)根據(jù)汽車不同的行駛狀態(tài)均實施了準(zhǔn)確的自動緊急制動功能對車輛進行制動，避免了碰撞發(fā)生。

5.3 接近前方減速車輛

工況：本車初始速度50km/h，前方車輛初始速度50km/h，減速度2m/s2。仿真曲線，如圖6 所示。本車以50km/h 勻速接近前方以50km/h 行駛并以2m/s2的制動減速度減速的前方車輛，駕駛員不操作制動踏板，當(dāng)本車與前方目標(biāo)車輛的距離小于安全距離后，在第5s 時車輛防碰撞系統(tǒng)自動進行緊急制動，車輛在第7s時停止，與前方車輛保持一定距離，避免了碰撞的發(fā)生。由試驗結(jié)果可知，本車分別以低速、中速接近前方減速車輛的兩種工況時，汽車前方防碰撞系統(tǒng)根據(jù)汽車不同的行駛狀態(tài)均實施了準(zhǔn)確的自動緊急制動功能對車輛進行制動，避免了碰撞發(fā)生。

圖6 本車中速接近前方減速車輛Fig.6 Vehicle Speed Close to Front Decelerating Vehicle

6 結(jié)論

（1）根據(jù)前車運動狀態(tài)分別建立自動緊急制動系統(tǒng)安全距離模型，由試驗數(shù)據(jù)選取駕駛員舒適制動減速度作為自動緊急制動的減速度，設(shè)計了兩級自動緊急制動系統(tǒng)。

（2）通過試驗驗證，表明設(shè)計的兩級自動緊急制動系統(tǒng)的控制策略可以很好地輔助駕駛員在碰撞發(fā)生前采取緊急制動措施，從而有效防止發(fā)生碰撞危險。