基于駕駛行為的追尾避撞控制策略研究?

劉志強，張春雷，張愛紅，倪 捷，朱偉達

基于駕駛行為的追尾避撞控制策略研究?

劉志強1，張春雷1，張愛紅2，倪 捷1，朱偉達1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013； 2.公安部交通管理科學研究所，無錫 214151)

本文中提出了一種通過制動或換道來實現的追尾避撞控制策略。首先通過模擬駕駛儀采集駕駛員避免追尾碰撞的換道時機、制動強度、最大加速度變化率和反應時間，構建了駕駛員制動避撞行為和換道避撞行為模型；然后建立基于制動安全距離、碰撞時間和換道安全距離的危險估計模型，實時計算行車發生追尾碰撞的危險等級并據此選取相應的主動避撞介入時機和方式；最后依據碰撞時間和結合前饋控制的線性狀態反饋控制方法，分別建立制動避撞策略和換道避撞策略。Matlab仿真和實車試驗驗證結果表明，該避撞控制策略能通過自主換道或制動避免中低速跟車行駛時的追尾碰撞。

追尾避撞；模擬駕駛儀；駕駛員避撞行為；避撞控制策略；自主換道或制動

Keywords:rear-end collisions； driving simulator； drivers'collision avoidance behavior； collision avoidance control strategy；autonomous lane change or braking

前言

車-車碰撞可分為正面碰撞、側向碰撞和追尾碰撞，其中追尾碰撞所占比例最大，2012年全國高速公路事故中追尾碰撞占32%__[1]。為減少追尾碰撞事故的發生，國內外學者提出了基于制動過程運動學分析的安全距離模型[2]、基于車頭時距安全距離模型[3-4]，這些模型均未考慮駕駛員因素，不能反映駕駛員避撞特性，因此接受度不高。

近年來對駕駛員避撞特性的研究越來越多___[5-7]，但這些研究僅對駕駛員制動特性進行分析，未考慮駕駛員正常避撞策略的選擇。問卷調查結果(圖1)表明，在駕駛員感知到有追尾危險時超過60%的駕駛員第一選擇是采取換道避撞策略，所以目前基于駕駛員制動避撞特性的研究不能充分反映駕駛員的避撞行為，未來主動避撞技術將通過模擬駕駛員避撞行為選擇自主制動或換道來幫助駕駛員實現主動避撞[8-9]。

圖1 駕駛員避免追尾碰撞采取的措施

主動避撞系統介入時機和方式應根據具體交通場景的危險評估和駕駛員避撞行為特性來決定。主動避撞系統首先通過車載傳感器動態檢測行車環境，當檢測到危險目標時判斷當前行車安全狀態，若有潛在追尾危險則對駕駛員報警，若駕駛員未采取任何避撞措施，系統將根據危險等級和行車環境采取類似駕駛員避撞行為的換道或緊急制動策略。

根據傳感器檢測到的環境信息和自車的行駛狀態信息對自車當前行駛安全狀態做出評估是主動避撞系統的基礎，環境狀態感知已有學者做出詳細描述[10]，本文中通過模擬駕駛儀分析駕駛員在緊急狀態下采取避撞的行為特性，運用基于駕駛員避撞行為特性的新型危險評估算法實時評估行車安全狀態，在保證車內乘客的最大舒適度的同時根據不同的危險等級采取報警、制動和換道避撞策略。

1 駕駛員避撞行為分析

駕駛員感知到有追尾碰撞危險時采取的避撞策略有換道、制動、換道加制動，對駕駛員在危險狀態下采取換道和制動兩種最常見的避撞方式進行分析，在換道過程中假設車輛縱向車速保持不變。為分析系統介入時間，通過模擬駕駛儀(圖2)對100名經驗豐富的駕駛員避撞行為特性進行實驗分析，實驗場景設置為自車在單向三車道的中間車道上正常行駛，前方有同向行駛車輛且在某一任意時刻做出制動操作。

圖2 模擬駕駛儀實現駕駛場景

首先考慮駕駛員換道避撞行為特性，實驗時假設自車的左右車道無障礙物即允許換道，實驗測得在自車與前車相對速度分別為 0，20，40，60和120km/h時，駕駛員采取換道避撞的時間和兩車相對距離，并得出駕駛員認為安全、存在危險和危險3個區域(圖3)，圖中直線表示車輛保持當前運行狀態發生碰撞的時間。

圖3 換道避撞操作時機

現有研究中多以制動加速度表示駕駛員制動避撞行為，本文中增加制動加速度變化率j這一參數建立考慮駕駛員能接受的最大加速度變化率的制動安全車距模型，加速度與時間的關系見圖4，tj(t)為從當前加速度到以最大制動減速度制動避撞的時間，其表達式為

式中:a0(t)為當前加速度；amin和jmin分別為最小加速度和最小加速度變化率，通過實驗分析保證駕駛員和車內乘客舒適度的極限值為amin＝-0.6g，jmin＝-10m/s3。則制動安全距離為

其中

式中:jr為相對加速度；vt為自車速度；vl為前車速度；al為前車加速度；atmin為自車最小加速度；ds為最小停車安全車距；tls為前車減速至停車所需時間；tts為自車減速至停車所需時間。

圖4 加速度與時間的關系

分析駕駛員換道和制動避撞行為需考慮的另一參數為駕駛員反應時間，即系統需為駕駛員得到報警信號后預留時間來判斷危險并作出避撞操作。在模擬駕駛儀中設置跟車實驗場景，在經過一定時間跟車后，前車會突然制動，且自車在碰撞前3s發出報警，駕駛員從聽到報警聲音到采取制動的時間分布如圖5所示。

圖5 駕駛員反應時間分布

由圖5可知，報警聲發出1.25s已有超過60%的駕駛員采取制動避撞措施。主動避撞系統的報警及制動時機的選擇必須符合駕駛員避撞習慣，這樣才能不干擾駕駛員正常駕駛而被其接受。觸發主動報警系統的典型參數是碰撞時間(TTC)[11-12]。本文中以碰撞時間和ACC系統使用的車間時距(TG)[13]兩個參數共同決定主動報警及制動干預時機。

為確定執行換道避撞策略所需參數的值，建立如圖6所示的S型換道軌跡模型，車輛換道軌跡由換道時間為TB，2TB和10TB時車輛位置確定，10TB時車輛位置即為期望換道完成位置，其中TB為常量，TB＝100ms，3個點被放在一起以矩陣形式傳輸到控制器:

圖6 追尾避撞模型

以自車縱向車速方向為x軸、x軸逆時針旋轉90°為y軸建立直角坐標系，則車輛在S型換道軌跡模型中的位置為偏航角ψ為(假定無側滑)

ψ＝arctan(d y/d x) (4)

其對時間的導數為

根據阿克曼原理可得車輛橫向加速度為

車輛S型軌跡為

式中:yM為車輛換道所需的橫向位移；a為軌跡曲線在x＝c處的斜率；(c，yM/2)為曲線的拐點；c為車輛完成換道縱向位移s的一半。

換道安全距離Ds為

2 避撞策略

原則上系統執行的避撞策略要盡可能在不干預駕駛員操作的情況下按照危險等級執行相應的主動干預以實現避免追尾碰撞。系統根據目標車輛和自車行駛狀態信息的處理判斷出自車當前是否有追尾碰撞的危險，當存在追尾危險時選擇主動避撞方式和介入時間。

2.1 危險估計模型

主動避撞方式有制動、換道、制動加換道組合，本文中不考慮第3種策略。

駕駛員正常行車過程中有以下4種模式:

(1)D＞Ds且 D＞Db，行車安全；

(2)D＞Ds且D≤Db，系統判斷道路條件允許換道則執行換道避撞策略，若不允許換道則執行制動避撞策略；

(3)D≤Ds且 D＞Db，行車安全；

(4)D≤Ds且D≤Db，系統選擇制動避撞策略。在執行制動避撞控制時根據駕駛員避撞特性劃分3個危險等級。

TTC定義為

TG定義為

式中:D為兩車的實時相對車距；vl和vt分別為前車和自車車速。

由式(9)可知，在兩車相對速度較小時TTC的值將會很大，無法準確判斷當前車輛危險等級，引入TG作為TTC的補充可以很好地解決這一問題。

根據駕駛員采取換道避撞時機(圖3)和反應時間(圖5)，設置系統初級報警時間為TTC1＝3.00s，二級報警TTC2＝2.25s，此時不僅有聲音報警系統還增加輕微制動，通過多次實驗該制動強度為0.1g～0.2g最為合適，既能夠加強報警效果也不干預駕駛員正常駕駛。緊急制動時間設置為TTC3＝1.00s，此時駕駛員可能會有意識地轉動轉向盤，考慮到車輛穩定性在多種條件下多次實驗得出最大制動強度為0.6g。另一方面為避免駕駛員誤操作，此時鎖死制動踏板。在 TTC＞TTC1時，TG作為主動介入依據[14]，相對應 TG1＝2.10s，TG2＝1.50s，TG3＝1.10s。

2.2 控制邏輯

系統進入制動避撞控制策略后首先判斷TTC與TTC1的關系，若TTC＞TTC1則進入算法二(圖7(b))，否則進入算法一(圖7(a))。算法一中TTC≤TTC1，在TTC＞TTC2時，若駕駛員采取措施避免追尾碰撞，則返回信息檢測實時計算相關參數判斷危險等級，若駕駛員未采取措施，系統初級報警提示駕駛員當前行車狀態有追尾碰撞的危險；在TTC3＜TTC≤TTC2時，若駕駛員采取措施避免追尾碰撞，則返回信息檢測實時計算相關參數判斷危險等級，若駕駛員未采取措施系統二級報警提示駕駛員當前行車狀態有較大可能發生追尾碰撞；TTC≤TTC3時，駕駛員已無法避免追尾碰撞，系統采取緊急制動策略，在兩車相對速度較小時TTC無法判斷行車危險等級，算法二用車間時距TG代替TTC對行車狀態實時判斷。

圖7 追尾避撞控制算法

在換道避撞過程中系統存在干擾和偏差，為此設計了一個結合前饋控制的反饋控制器，如圖8所示。通過車輛速度v、軸距l和期望軌跡曲率k可計算出基于自身轉向梯度USG的轉角δFF為

圖8 線性反饋控制與前饋控制相結合的結構

使用車輛的偏航角ψ和縱向位置xE控制偏差進行坐標變換定義e＝Δy。期望轉角δM為前饋和反饋控制得到的δFB與δFF之和。所建立的制動和換道相結合的追尾避撞控制系統結構如圖9所示。

圖9 追尾避撞控制系統結構

3 實驗驗證

采用德國汽車俱樂部(ADAC)有效性測試方法[15]對前車靜止、勻速、緊急制動3種典型工況進行實驗，這里僅對最危險的前車緊急制動工況詳細說明。設置交通場景為跟車行駛過程中自車道前方突然發生追尾碰撞交通事故，系統根據對相鄰車道環境檢測判斷換道條件決定主動避撞策略方案。

實驗車輛為裝配了毫米波雷達、速度傳感器、轉向盤轉角傳感器、偏航率傳感器、ECU、報警、主動前輪轉向和自動制動裝置的凱越轎車。

3.1 換道避撞策略

通過附加傳感器確定相鄰車道允許換道時(圖10)，系統根據駕駛員反應時間、安全車距計算決定換道時機和軌跡以避免追尾碰撞，自車換道過程按照系統計算的路徑行駛，無需駕駛員操作。

圖10 換道避撞策略

結合前饋控制的線性反饋控制換道避撞策略的實車實驗中換道橫向位移yM設置為3m，在實驗第5s時開始換道，經過1s換道完成，隨后駕駛員返回原車道，在該車道內行駛2s后制動停車，結果如圖11所示。由圖11(d)可知，實驗測得的實際橫向位移與Matlab仿真得到的期望橫向位移吻合較好，僅有少許誤差。圖11(c)中期望值為控制器輸出值，實驗測得轉角度數表明駕駛員未采取換道措施，換道由系統自主完成，實驗中橫向最大加速度為｜ay｜≈7m/s2。

3.2 制動避撞策略

通過附加傳感器確定相鄰車道不允許換道時，系統采取制動避撞策略(圖12)。根據圖5駕駛員反應時間分布，設定駕駛員感受到二級報警再到系統緊急制動時間為1.25s，確保超過60%的駕駛員可以主動避免追尾碰撞，系統緊急制動的最大制動減速度為0.6g。

實車驗證系統避免追尾碰撞效果時以靜止的海綿塊(2m×0.6m×1.6m)替代前方車輛。實驗時駕駛員在感受到二級報警后1.25s內采取避撞措施，實驗結果如圖13所示。

由圖可知，車輛在中低速行駛時該系統可有效實現避免追尾碰撞，在高速區時可將碰撞速度大大降低。

4 結論

在車輛同向行駛過程中駕駛員未能及時判斷自車與前車存在追尾碰撞危險并作出避撞操作時，設計的避撞控制策略在不妨礙駕駛員正常操作的同時能實現以下功能:

圖11 與前饋控制相結合的線性反饋控制的換道測試結果

圖12 制動避撞策略

(1)制動避撞策略可實現有效避免中低速(≤50km/h)跟車行駛時追尾碰撞危險，能幫助駕駛員避免城市交通常見的低速行駛時的追尾事故；

圖13 制動策略避撞效果

(2)三級制動避撞控制策略充分考慮駕駛員避撞特性，為駕駛員提供2s的自主避撞時間；

(3)換道避撞策略可在1s內自主完成換道操作，滿足最危險的駕駛員對換道時機的要求。

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A Study on the Control Strategy for Rear-end Collision Avoidance Based on Drivers'Behavior

Liu Zhiqiang1， Zhang Chunlei1， Zhang Aihong2， Ni Jie1＆ Zhu Weida1
1.School of Automotive and Traffic Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013；2.Traffic Management Research Institute of the Ministry of Public Security，Wuxi 214151

A control strategy for rear-end collision avoidance by braking or lane change is proposed in this paper.Firstly the model for drivers'collision avoidance behavior by braking or lane change is established based on the timing of lane change， braking strength， the maximum jerk and reaction time for driver to avoid rear end collision collected by driving simulator.Then a risk assessment model is built based on the safety distance in braking or lane change and time to collision，and the risk level of rear-end collision occurrence in driving is calculated real time，based on which the corresponding timing and way of active collision avoidance intervention are selected.Finally the collision avoidance strategies by braking or lane change are set up respectively according to the time to collision and the method of combined linear state feedforward-feedback control.The results of Matlab simulation and real vehicle test show that the collision avoidance control strategy proposed can avoid rear-end collision in medium/low speed vehicle following driving by autonomous lane change or braking.

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.09.014

?國家自然科學基金(61403172)和道路交通安全公安部重點實驗室(2016ZDSYSKFKT09)資助。

原稿收到日期為2016年10月25日，修改稿收到日期為2016年12月1日。

劉志強，教授，博士，E-mail:Zhqliu＠ujs.edu.cn。