基于緊急變道策略的汽車主動避障安全車距模型

邊明遠

(清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

隨著世界范圍內汽車交通事故發生起數的連年遞增，交通安全問題成為了現代社會的一大公害。據統計，在所有的交通事故中，汽車碰撞事故(包括車車碰撞和車與固定物碰撞)是主要形式，占交通事故的60%～70%。而汽車碰撞事故大多是由行車速度過快、行車間距過小、剎車不及時等因素造成［1］。汽車主動避撞系統能在事故發生前提醒駕駛員注意，并在緊急狀況下自動采取安全措施，可以有效減少汽車碰撞事故的發生。

汽車行駛安全狀態判斷是汽車主動避撞系統功能實現的基礎，而這項技術的核心內容之一是提出有效的安全車車距模型，利用安全距離的實時計算結果與實際車間距離的比較來進行行車安全狀態的判斷。

基于車輛制動過程運動學分析的安全距離模型［2－6］是主動避撞系統采用較多的行駛安全狀態判定標準。它適用的典型交通情況是:在跟隨行駛過程中前方車輛突然原地停止這種極端工況。模型建立時僅考慮了保證車輛行車安全的要求，沒有考慮道路交通效率方面的因素，導致的結果是利用該模型確定的安全距離較大，如以該模型為基礎進行車輛的主動避撞控制，將使道路交通效率大大降低。

而在實際行駛過程中，駕駛員針對道路上故障物采取的避險策略往往是緊急變換車道操作。該操作方式在操控適當的情況下可以在較短的距離內使車輛避開前方障礙物，并保持車輛行駛的穩定性。

本文基于車輛緊急變換車道的最佳路徑規劃策略，提出了一種結合車輛縱向速度調節控制和車道變換操作的車輛緊急避障方法，并建立了緊急車道變換工況下的安全車距模型，與基于車輛制動動力學分析過程的安全車距模型一起，形成了基于2級安全行駛車間距的主動避撞系統控制策略。

1 基于車輛制動過程分析的安全距離模型

式(1)為基于車輛制動過程運動學分析的避撞報警安全距離模型

式中:v1、v2、a1、a2分別為自車和前車的速度及制動減速度;d0為兩車靜止時應保持的最小安全距離;tx為自車制動系統協調時間，對于采用液壓制動系統的車輛一般為0.2 s;thum為駕駛員的制動反應時間，包括駕駛員看到危險報警信號的心理及生理反應、判斷決策以及采取相應動作的時間，一般為0.3 ～2.0 s。

當前車靜止或車道前方為靜態障礙物時，式(1)演變為

式中v0為進行靜態障礙物避撞時本車的初始速度。

2 汽車緊急車道變換路徑規劃及安全距離模型

在車輛行駛過程中，為了避開障礙物而進行的換道運動如圖1所示。車輛從初始狀態到障礙規避過程中，不但會產生車道行駛方向的位移dx，也會產生橫向運動的位移dy。自車與障礙物不發生角碰撞的必要條件是當車輛外側前角部位的橫向位移等于障礙物寬度方向的尺寸時，自車與前方障礙物尚有一定的富余空間。當車輛行駛過程中與前方障礙物的初始距離一定時，不發生碰撞事故所需的x方向的距離大小最終取決于自車的行駛軌跡。最佳的車道變換軌跡不但可以保證足夠小的x方向行駛距離，也可以保證車輛的行駛穩定性。

圖1 基于車道變換的車輛避障運動

基于避障目的的車道緊急變換一般采用單移線的行駛軌跡。目前用于表征車輛最佳車道變換的數學模型有很多種［7］，本文采用基于正弦函數加速度模型的車道變換軌跡模型［7－8］。假設車輛在車道變換操作之前沿直線行駛，初始的側向加速度、速度及側向位移都為零，并且在進行變換車道之前對縱向行駛速度進行了調整，則車輛的橫向加速度模型為

式(3)中:tadj為車輛在變道行駛之前進行縱向車速調整的時間;te為車輛完成變道過程所需要的時間，參考眾多文獻，本文設定為3.6 s;ye為車輛變換車道完成后的橫向位移，考慮到單移線變道的特征，ye為一個車道的寬度，即3.75 m。

本文對高速行駛車輛基于避障目的的緊急變換車道運動做如下假設:

1)本車前方為突然出現的靜止障礙物;

2)相鄰車道沒有車輛行駛，本車可根據避撞需要進行換道行駛;

3)本車在變換車道之前通過最大強度制動作用來進行縱向車速調整，在變換車道過程中不對車輛施加制動作用。

根據以上假設，本車在整個緊急換道避障動作前后的運動符合以下規律:

假設路面的峰值附著系數為μmax，則車輛進行制動作用調整車速時的最大制動減速度為am=μmaxg，則本車在進行車速調節的過程中車輛的縱向運動特征為:

在進行速度調節完成之后的tadj時刻，本車的行駛速度為隨后車道變換過程中的縱向行駛速度

在車輛開始變道行駛之后，有

根據車輛變道時的橫向加速度特征，本車的橫向速度和位移分別為

假設障礙物的寬度為w，那么在本車的前外側通過變道達到障礙物的最外側輪廓時(有可能產生的碰撞點，時間tc)，有

由式(10)可以求解出本車在達到可能的碰撞點時變道的時間tc－tadj。

在本車開始調整車速到抵達可能碰撞點時車輛縱向的行駛距離

要保證車輛在抵達碰撞點之前行駛的距離最短，應滿足

由式(10)及(12)可求解出能夠滿足本車在最短距離內通過車道變換避免碰撞的車速調節時間tadj。

當車輛到達碰撞點時，車輛的航向角度

要保證本車在整個行駛過程中都不與前方的障礙物發生碰撞，設定應保持的安全距離

式(14)即構成了基于車道變換操作的針對靜態障礙物的汽車緊急避障的安全行駛距離模型。其中:Lv為汽車的車身長度，一般設為5 m;d0為靜態安全距離，設為2 m。

假設本車與障礙物的初始距離為D0，那么當D0≥Ds時，可以通過車道變換操作避免與障礙物發生碰撞;否則，將會發生碰撞事故。

3 汽車緊急避障安全車距模型的仿真驗證

假設本車的行駛初速度為100 km/h，與本車道前方靜止障礙物的初始距離為70 m，障礙物的輪廓寬度為2 m，路面的峰值附著系數為0.8。

圖2為在采用不同的縱向速度調節時間時車輛緊急避障換道行駛路徑。根據式(10)及(12)求解出的最佳制動調整車速時間為1.58 s，此時在進行避障操作的過程中車輛能夠在較短的距離內避開障礙物，并且行駛軌跡較為平滑，車身航向角變化合適;當采用較短的制動調整車速時間(0.8 s)時，車身航向角也較小，但由于車輛縱向行駛的速度仍然較大，所以完成車道變換過程需要行駛的縱向距離較長;當車輛采取較長的制動減速時間(2.5 s)來調整車速時，車輛初速度可以得到充分的衰減，并在較短距離內完成車道變換，但車身的航向角變化較大，不利于保持行駛的穩定性。

圖2 采用不同的縱向速度調節時間時車輛緊急避障換道行駛路徑

在車輛初速度為100 km/h的情況下，采取不同的車速調整時間避開不同寬度障礙物時需要的緊急換道安全車距如圖3所示。從圖3中可以看出，當障礙物寬度為2.0 m時，采用0.80 s、1.58 s、2.30 s三種制動調節車速時間策略時需要的安全換道車距分別為71.5 m、74.3 m和72.6 m，隨著障礙物寬度的增加，需要的安全車距也逐漸增加，但由于采用較短的制動減速時間(0.80 s)時車速衰減較小，所以在障礙物寬度增大時需要的安全換道車距增加較快。較長的制動減速換道策略可以保證實現換道的安全距離較短，但車身側偏角過大，不利于保持車輛行駛時的穩定性。在這幾種情況下，基于車道變換策略的緊急避障安全車距都大大小于基于車輛完全緊急制動方式的安全車距85.9 m，可以保證車輛在更短的距離內實現避撞操作。

圖3 不同障礙物寬度時基于換道操作的緊急避障安全車距

4 結論

1)基于車道變換操作的汽車主動避障控制策略可以使車輛在較短的距離內實現避障控制，從而需要較小的安全車距。

2)車道緊急變換時車輛的行駛軌跡主要取決于換道運動開始前采取的通過制動方式調整車速的策略。

3)本文提出的換道路徑優化策略和安全車距算法可以保證車輛避撞的實現，同時保證車輛行駛時的橫向穩定性。

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