基于5R1V的交通擁堵輔助系統(tǒng)切入工況 減速時機策略研究

鄭望曉，周祥祥，劉建平，鄭 磊

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 試驗認(rèn)證部，廣東 廣州 510000）

引言

近年隨著智駕技術(shù)的發(fā)展，目前市場上搭載智能駕駛輔助系統(tǒng)車型的占比逐年攀升，其中日常使用的代表駕駛輔助系統(tǒng)為自適應(yīng)巡航系統(tǒng)ACC。在簡單的高速工況下，車輛較少，ACC系統(tǒng)能夠很大程度上緩解駕駛員腳部疲勞，駕駛員只需要控制轉(zhuǎn)向即可，但傳統(tǒng)ACC系統(tǒng)在城市工況下存在較大的不便利性，原因在于城市工況下，交通情況復(fù)雜，車輛密集，車輛頻繁起步與停止。特別是若存在前方并道、道路維修或者交通事故的情況，變道切入的工況非常多，發(fā)生碰撞地風(fēng)險也隨之加大。TJA 系統(tǒng)最早由奔馳和寶馬公司在2013年提出，并在其2014款車型上裝備，面對城市工況的駕駛輔助需求，交通擁堵輔助系統(tǒng)TJA是未來幾年大力發(fā)展的方向。

TJA系統(tǒng)可以將車輛保持在本車道中心線一定范圍內(nèi)，并跟隨前車行駛與停車。目前市場上的交通擁堵輔助系統(tǒng)，多數(shù)采用一個前向毫米波雷達(dá)（前保中心）與一個前視攝像頭（前擋風(fēng)玻璃中心）融合的方式。但由于雷達(dá)方位角與攝像頭視角范圍為定值，TJA系統(tǒng)對于在近距離切入或緊急切入的目標(biāo)車輛無法及時識別，導(dǎo)致與前車跟車距離較近或減速度過大，給用戶強烈的不安全感，或者對于換道切入的車輛識別較晚，有碰撞風(fēng)險。

搭載更多傳感器的駕駛輔助系統(tǒng)，毫米波雷達(dá)覆蓋周邊更大的范圍，在一定程度減少變道切入地風(fēng)險。本文試驗車輛模型搭載5個雷達(dá)（正前向1個，車輛四角各1個）與1個前視攝像頭（簡稱5R1V），雷達(dá)波覆蓋范圍更廣，可以更早探測到相鄰車道內(nèi)的車輛，為TJA系統(tǒng)的策略優(yōu)化與風(fēng)險規(guī)避提供硬件基礎(chǔ)。

針對TJA系統(tǒng)的驗證，目前還沒有全面客觀的測試評價體系[1]。目前國內(nèi)i-VISTA試驗規(guī)程，在單車道縱向控制能力項目中定義了3種前車切入工況[2]，為切入工況提供參考。本文基于5R1V車輛模型，建立變道切入模型，并參考ISO標(biāo)準(zhǔn)[3]相關(guān)研究，針對18 km/h～60 km/h速度區(qū)間的TJA控制策略進行研究分析，相較原TJA控制策略可提升縱向控制的舒適性與用戶安全感。

1 傳感器安裝位置

本文車輛模型中角雷達(dá)傳感器安裝位置如圖1所示。前角雷達(dá)方向為與車輛前進方向成45°～50°的方向。后角雷達(dá)方向為與車輛前進方向成45°～50°的方向。角雷達(dá)在水平方向上的錐桶角度為±80°。前向中距毫米波雷達(dá)的水平錐桶角度為±30°。

圖1 雷達(dá)安裝位置與覆蓋范圍

角雷達(dá)的安裝彌補了單雷達(dá)與單攝像頭由于角度限制而無法覆蓋的范圍，對于本車道內(nèi)的前方區(qū)域可以實現(xiàn)基本全覆蓋。

2 減速度曲線與主觀評價

2.1 減速度曲線

根據(jù)ISO[3]標(biāo)準(zhǔn)的推薦，在0 km/h～18 km/h時，主車加速度不應(yīng)大于0.5 g；在72 km/h～100 km/h速度區(qū)間，主車加速度不應(yīng)大于0.35 g，在18 km/h～72 km/h速度區(qū)間，加速度的限值成線性變化。在18 km/h～60 km/h速度區(qū)間，加速度的推薦限值為3.83 m/s2～5 m/s2。（加速度為絕對值），具體曲線如圖2。

圖2 加速度限值與速度關(guān)系圖

2.2 主觀評價

對于cut in工況的評價，從舒適性與安全感兩方面出發(fā)。舒適性主要受減速度的大小影響，安全感主要考慮剎車時機、與目標(biāo)車輛的縱向距離因素的影響。通過SAE J1441 2007[4]主觀評價法進行評價，分值為1~10，當(dāng)分值≥6是期望區(qū)間。通過實車切入工況評價，在18 km/h～60 km/h速度區(qū)間，減速度a＞?3 m/s2，兩車縱向最小距離大于4.5 m為期望區(qū)間。以此為基礎(chǔ)建立減速模型，在上述速度區(qū)間減速度下限為?3 m/s2，小于ISO標(biāo)準(zhǔn)推薦加速度的限值。

3 減速模型

3.1 變道切入模型

在本文中定義車道寬度W0=3.5 m，車道線寬度為l0=0.2 m。相鄰車道內(nèi)車輛切入本車道，與試驗車輛的橫向距離不斷減小，定義切入車輛的輪胎外緣與本車道的車道線內(nèi)側(cè)首次重疊為初始越線時刻。當(dāng)變道車輛切入本車道且縱向中軸線與本車道中軸線重疊，則定義變道切入完成。因此可以計算得到整個變道過程變道車輛的橫向移動距離為：

根據(jù)王雪松的變道切入行為分析[5]，變道切入持續(xù)時間均值為T=3.82 s。

為簡化變道切入模型，定義變道開始時刻變道車輛中軸線與車道中線重疊，且變道過程中縱向速度不變。則橫向偏移距離為W=3.7 m，通過計算可得到變道平均橫向速度為：

通過計算得到vc=0.969 m/s。在本文中定義變道橫向速度為勻速0.969 m/s。

3.2 車輛減速模型

為保證盡可能短的剎車距離，在模型中定義從試驗車輛識別到前方目標(biāo)車輛（速度低于試驗車輛）開始減速至完成減速，整個過程中的縱向減速度a保持?3 m/s2。這樣在保證舒適性的前提下盡可能減小剎車距離，以增大縱向間距從而提升用戶安全感。

試驗車輛在TJA減速之前保持均速向前行駛，速度為vh（km/h），前方變道車輛在切入過程中縱向保持勻速vt（km/ h），且vt＜vh。實際變道過程中變道車輛縱向減速度較小，在本模型中忽略變道車輛縱向減速度。定義兩車速度差為vd（km/h），則：

當(dāng)試驗車輛速度從vh降低到vt，即速度降為vd時，則兩車無碰撞風(fēng)險。

變道車輛越線時刻為初始0時刻，從變道車輛越線時刻到試驗車輛開始減速時刻，持續(xù)時間為t1；從試驗車輛開始減速到速度降低vd時刻，持續(xù)時間為t2，則可得到速度降vd與時間的關(guān)系公式：

變道車輛從開始越線初始0時刻到試驗車輛完成速度降vd，持續(xù)時間為t1+t2（s）。

從初始越線0時刻，到試驗車輛開始減速，持續(xù)時間為t1，在此時間段試驗車輛縱向行駛距離為：

試驗車輛開始減速到完成速度降vd，持續(xù)時間為t2，在此時間段內(nèi)試驗車輛縱向行駛距離為：

通過積分計算得到：

則從變道車輛初始越線0時刻，到試驗車輛完成速度降vd，在此時間段內(nèi)試驗車輛縱向行駛距離為：

從初始越線0時刻，到試驗車輛到完成速度降vd時刻，在此時間段變道車輛縱向行駛距離為：

定義初始越線0時刻兩車縱向距離為d0，根據(jù)兩車縱向最小距離應(yīng)大于4.5 m，則為了讓用戶體驗足夠的安全感，則應(yīng)滿足以下公式：

通過代入簡化可得到以下公式（11）：

式中t1為從初始越線時刻到試驗車輛開始減速的持續(xù)時間，若t1越小，則表示試驗車輛識別到切入車輛越早。vd為兩車速度差，若vd越大，則表示（11）式中左側(cè)越大。

3.3 減速時機

在初始縱向距離d0一定的情況下，若公式（11）成立，vd越大，則t1越小，即兩車速度差越大，試驗車輛需要更早開始減速。

極端情況是t1=0，也就是變道車輛剛越線時刻，則試驗車輛就開始減速。但若t1取0，則易造成較大概率的本車誤減速，影響駕駛體驗。因此一般情況下定義t1>0而不等于0。目前其中一種策略為：當(dāng)前方切入車輛與試驗車輛在橫向達(dá)到一定重合度（如1/3車寬重合或1/2車寬重合），方判定切入車輛為本車道內(nèi)車輛并執(zhí)行縱向跟隨動作。

本文中為了更加直觀體驗減速時機，定義切入車輛與試驗車輛的車寬w相同，均為w=1.84 m。車道寬為3.5 m，試驗車輛保持在車道中間，變道車輛從左向右切入到本車道，當(dāng)1/3車身寬度重合時，變道車輛越過車道線橫向距離定義為W1=1.443 m。則可計算得到相應(yīng)的t1為：

通公式過（11）計算得到，當(dāng)初始縱向距離d0=10 m，則為了速度差應(yīng)滿足vd＜3.58 m/s，否則會導(dǎo)致最小縱向距離過小甚至發(fā)生碰撞，要避免縱向距離過小或碰撞，則需要增大縱向減速度a，但此策略會犧牲一定舒適性，且易造成恐慌。顯然在此模型中采用定值t1的形式，并不符合實際的使用需求。

因此本文建議避免使用定值t1的形式，而采用相應(yīng)的方程曲線（13）進行代替單一定值。同時為了避免t1=0的極端情況，本文設(shè)定t1為正值。而按照車道寬、車寬、偏離速度的定義值，從變道車輛越線到偏移到本車道中間，時間為2.76 s，即t1最大值為2.76 s。

式中d0為初始縱向距離，vd為車輛速度差。本文定義試驗車輛最早減速時機為變道車輛越過車道線內(nèi)側(cè)20 cm，對應(yīng)的t1=0.2s。

若t1=0.2s，初始縱向距離為d0=10 m，則計算而得到速度差vd最大為14.32 m/s，該值遠(yuǎn)大于當(dāng)車身重疊1/3開始減速的速度差，也就是說方程曲線（13）適用的速度差范圍更大。

下表1為相對速度差vd=20 km/h的工況下，不同初始距離d0對應(yīng)的減速時機（切入車輛越線為初始時刻）。

表1 不同減速時機

從表格1中可以看出，固定初始相對速度差，當(dāng)縱向距離越大，減速時機可以越晚。減速時機可以晚于t1最大值2.76 s，相當(dāng)于切入車輛完全變至本車道中間，試驗車輛再減速。

4 結(jié)束語

基于5R1V試驗車輛模型，說明傳感器的覆蓋范圍，為切入車輛的及時識別提供硬件基礎(chǔ)。參考ISO的減速度推薦上限值，并主觀評價切入工況，得到期望減速度值3 m/s2與最小縱向距離4.5 m。參考已有變道橫向速度研究成果，得到橫向變道速度。綜合以上相關(guān)信息建立變道與切入減速模型，得到減速時機、速度差、初始縱向距離的關(guān)系。隨后分析了采用固定車身橫向重疊比例識別切入車輛，具有較大的局限性，并分析了根據(jù)不同的縱向距離、速度差使用不同的減速時機，以提升用戶的舒適性與安全感，為交通擁堵輔助系統(tǒng)的減速時機提供策略參考。