基于模糊理論的智能車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

付 裕

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300 )

0 引言

伴隨著汽車數(shù)量的逐年增大，各類交通事故的發(fā)生頻率也隨之增高，智能駕駛逐漸進入人們視野，各類智能化信息系統(tǒng)利用雷達、傳感器等監(jiān)測周邊車輛狀態(tài)，存在碰撞風(fēng)險及時預(yù)警，以便駕駛?cè)藛T提前采取措施規(guī)避風(fēng)險，當(dāng)出現(xiàn)危險而駕駛員未采取措施時，系統(tǒng)實施自動剎車，確保行車安全。因此，此類防碰撞預(yù)警與自動剎車系統(tǒng)對智能交通的推動與發(fā)展有著極大的現(xiàn)實意義。

1 車輛制動分析

1.1 安全狀態(tài)判斷

通常識別車輛行車是否安全的方法主要包括兩種：根據(jù)時間或距離進行判斷。根據(jù)時間判斷是通過前車狀態(tài)計算發(fā)生碰撞所需的時間，與預(yù)設(shè)的安全閾值比較，確認當(dāng)前狀態(tài)是否安全，但這種方法對不同的駕駛者來說，由于風(fēng)格與習(xí)慣不同不能通用；根據(jù)距離判斷是計算與前車發(fā)生碰撞的距離與預(yù)設(shè)閾值比較確認當(dāng)前狀態(tài)是否安全。相對來說，距離判斷法更易兼容考慮主觀因素，更適合碰撞預(yù)警[1-2]。

1.2 剎車時間

車輛的制動時間大致可以分為3個部分：首先，預(yù)警接收后，駕駛員要有反應(yīng)時間，在產(chǎn)生制動想法后，踩剎車到制動器產(chǎn)生效果也有一個制動器的反應(yīng)時間t1；再次，減速度增加到線性穩(wěn)定值需要一個過程，存在一個減速度增加時間t2；最后，車輛均速減速直至靜止需要一個持續(xù)的制動時間t3。

1.3 剎車距離

車輛制動行駛的長度即為制動距離，與制動時間對應(yīng)也分為3個部分：首先，駕駛員反應(yīng)時間及制動器反應(yīng)時間產(chǎn)生的距離為s1；其次，減速度增加過程產(chǎn)生的距離s2；最后，持續(xù)制動過程產(chǎn)生的距離s3。

2 構(gòu)建安全距離模型

2.1 制動距離計算

車輛行駛過程中，必須確保兩車之間的距離為安全間距離，以避免發(fā)生碰撞事故[3-4]。設(shè)車輛行駛速度v0為初速度，減速度最大為amax，根據(jù)上文分析拆解為如下計算步驟。

(1)反應(yīng)距離s1：駕駛員及制動器反應(yīng)時間t1，距離s1=v0t1。

(4)綜上，駕駛員接收預(yù)警到車輛完全停止行駛的整個制動距離。

2.2 避免追尾安全跟進距離模型

在已知前車狀態(tài)時，為保證不會發(fā)生碰撞事故，可采用制動、借道等不同方式。本文針對制動方式進行深入剖析，當(dāng)A車發(fā)現(xiàn)前車B減速時開始減速，過程中不發(fā)生碰撞且停穩(wěn)后保持安全距離，設(shè)D為安全距離，SA為A車制動距離，SB為B車制動距離，ΔS為停穩(wěn)后間距，則D=SA+ΔS-SB，其中根據(jù)前車不同狀態(tài)公式可轉(zhuǎn)化為：

3 模糊理論模型參數(shù)求解

3.1 人機反應(yīng)時長

駕駛員反應(yīng)時間：由于駕駛員反應(yīng)時長與當(dāng)前自身車速有關(guān)，定義車速模糊子集為{d，z，pg，g，hg}，涵蓋車速vA論域[0,200]，隸屬函數(shù)為：

制動器反應(yīng)時間：根據(jù)經(jīng)驗，一般時長在0.2～0.45 s，本文取值0.3 s。

3.2 最大減速度

實際生活中車輛的減速度其實受很多因素影響，包括自身類型、負重情況以及路面狀態(tài)等[3-4]。本文設(shè)計過程中，假設(shè)不同車輛路況一致，最大減速度值也一致，構(gòu)建最大減速度、自身車速與路況間的模糊關(guān)系以此評估最大減速度aA。設(shè)自身車速為vA，路況為lm，定義最大減速度模糊子集為{hx，x，jx，z，jd，d，hd}，涵蓋減速度aA論域[0,10]，隸屬函數(shù)為：

超車加速度：結(jié)合實際經(jīng)驗，車輛在超車過程中最大加速度選擇0.69 m·s-2。

4 軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能，利用Matlab的simulink和fuzzy工具進行軟件系統(tǒng)設(shè)計，在整體結(jié)構(gòu)上設(shè)計為3大功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警展示模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集：通過測速雷達采集自身車速、前車車速、兩車間距等初始信息，并支持人工設(shè)定天氣情況、路面狀況，以輔助系統(tǒng)判斷。

(2)邏輯處理：根據(jù)采集到的初始數(shù)據(jù)代入已構(gòu)建的安全距離模型，判斷是否會發(fā)生碰撞，存在風(fēng)險即觸發(fā)預(yù)警，提醒駕駛員注意規(guī)避。

(3)預(yù)警展示：正常情況下展示當(dāng)前自身車輛狀態(tài)、前車速度、距離等相關(guān)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)處理模塊預(yù)判存在碰撞風(fēng)險則指示燈及聲音告警，發(fā)出提醒[5-6]。

5 結(jié)語

本文通過分析車輛制動過程，采用安全距離判斷車輛行駛狀態(tài)是否安全，構(gòu)建了行駛中避免追尾安全距離與借道超車安全距離計算模型，基于模糊理論確認相關(guān)影響參數(shù)取值。經(jīng)仿真實驗證明，系統(tǒng)具有良好的實用性。但在實際場景中還有眾多影響因素，包括駕駛習(xí)慣、加減速度不均、天氣及路面狀況影響、相關(guān)設(shè)備誤差等，因此系統(tǒng)模型預(yù)警存在一定的誤判性，且超車安全距離計算時對向來車速度并未納入計算，還需在后續(xù)的研究過程中進一步優(yōu)化。