緊急制動系統分層控制策略研究

周志軍 陸春伶 周良杰

摘 要：針對緊急制動系統進行了階段劃分，提出一種結合避撞安全與車輛穩定性的緊急制動系統分層控制策略，并進行仿真與實車試驗，提高了避撞準確性與安全性。在建立車輛動力學模型的基礎上，設計了上層決策控制器，以安全車距為控制目標的中層控制器，以車輛穩定性為目標的底層控制器。采用駕駛員激進程度與碰撞時間模糊控制器優化了系統觸發，基于車輛模型確定了期望制動減速度，通過車輪轉矩分配優化了車輛穩定性;搭建了CarSim與MATLAB/Simulink聯合仿真模型與實車測試環境，對控制策略進行了離線仿真與實車試驗。研究結果表明，車輛緊急制動效果良好，滿足了避撞需求。

關鍵詞：緊急制動系統;車輛穩定性;分層控制;模糊控制

1 引言

隨著汽車保有量增高，由駕駛員缺乏經驗、注意力不集中、疲勞駕駛等造成的碰撞事故比例逐年增大。緊急工況下，制動輔助系統可有效的降低碰撞事故的發生，使用前碰撞預警FCW與自動避撞輔助系統AEB使追尾碰撞傷害發生率分別降低了20%、45%[1]，因此，緊急制動系統相關研究得到廣泛關注。信度，而觸發過晚無法有效避免碰撞事故發生。可見，AEB系統控制策略的研究對于自動避撞輔助系統具有重要意義。

目前緊急制動系統的控制策略大多基于車輛運動模型與車間距或時距控制，未考慮駕駛員對控制策略的影響，而從碰撞危險發生起始時刻至避撞完成，駕駛員操作都對控制策略起著重要影響。論文提出一種集成駕駛員特性的緊急制動系統分層控制策略，并進行離線仿真與臺架試驗驗證，提高了避撞準確性與安全性，更符合駕駛員操作習慣。

2 緊急制動系統工作階段與模式

當緊急工況發生時，緊急制動系統提前對制動系統進行準備并且對駕駛員提供可能發生碰撞的報警。如果駕駛員在緊急的情況下作出了反應，但是制動力不足，那么制動系統會提供剩余的制動力來達到最佳的目標制動力以避免碰撞。當危險程度升級，而駕駛員未采取制動時，系統進行自動緊急制動，避免碰撞發生。

因此，針對上述緊急制動過程，緊急制動系統分層控制策略包括以下幾個階段：

2.1 制動準備階段

碰撞危險發生時，控制系統發送預建壓信號，縮小制動片與制動盤之間的距離，彌補駕駛員觸發緊急制動后緊急制動力的不足。

2.2 駕駛員報警階段

當駕駛員跟車車距過小，安全距離報警將會觸發。駕駛員未有干預，且危險程度仍在增加則啟動預報警。危險情況繼續惡化，將會進行點剎報警。

2.3 緊急制動輔助階段

當駕駛員錯誤估計情況的嚴重程度或駕駛員制動力不足時，進入緊急制動輔助階段。

功能觸發的先決條件為：

（a）駕駛員處在危險的情況下且危險程度仍在加劇;

（b）駕駛員的制動力大小超過設定閾值，同時考慮減速度大小與制動系統壓力限制。

2.4 自動緊急制動階段

如果駕駛員未對前面的報警作出反應，并且情況的危險程度升級，則系統會進行自動緊急制動，系統可提供三種不同的制動模式：

（a）標準型部分自動緊急制動

自動部分制動觸發較早，與點剎報警同時觸發，給駕駛員爭取更多的反應時間，即使駕駛員不作出反應，也將降低碰撞事故的危險程度。

（b）增強型部分自動緊急制動

當駕駛員對標準型部分自動緊急制動不作反應，或危險程度更高，系統會激活具有更高減速度的部分緊急制動來避免事故或者降低傷害。

（c）中速自動緊急制動

在汽車中等速度的時候激活，當系統計算出必須采用很大的、不舒服的減速度才可避免碰撞時，觸發此功能，自動制動來盡可能地減小兩車的相對速度。

3 控制器設計

3.1 控制系統架構

緊急制動系統分層控制架構如圖1所示，其可分為上層決策控制器、中層車輛運動控制器、底層車輛制動穩定控制器。上層決策控制器基于雷達、攝像頭等環境感知工具獲取車間信息，繼而判斷是否發生緊急工況，緊急制動系統采取何種工作模式工作。中層車輛運動控制器依據車間信息、駕駛員輸入與車輛運動狀態，考慮制動系統能力、駕駛員接受程度的基礎上，計算系統期望制動減速度。底層車輛制動穩定控制器控制車輪制動壓力，在保證車輛穩定性的前提下完成車輛制動，避免車輛碰撞事故發生。

3.2 上層決策控制器

單一碰撞時間作為緊急制動系統觸發條件存在誤判等諸多風險，因此上層控制器采用模糊控制算法基于駕駛風格與碰撞時間進行緊急制動系統觸發與工作模式判斷。

模糊控制器輸入量為駕駛員激進程度與碰撞時間，輸出為車輛緊急危險度，同時引入車間安全距離作為駕駛員緊急程度限制。當碰撞時間降低時，駕駛員激進程度所占權重依次減小，當車間距離低于設定安全距離時，不再考慮駕駛風格。設定的安全距離與車間相對速度成比例關系，相對速度越小，安全距離相對增大。

其車輛緊急危險度歸一化至[0，1]范圍內，并定義其模糊集為[ZO，S，M，B，EB]，即[零，小，中，大，巨大]，輸入輸出采用三角形隸屬度函數，設計的模糊推理規則如表1所示。

3.3 中層車輛運動控制器

基于確定的緊急制動系統工作模式，中層車輛運動控制器以避撞安全距離為控制目標計算避免碰撞發生的期望減速度。在緊急制動系統工作過程中，駕駛員介入制動產生制動減速度，則系統控制系統產生的目標制動減速度為。

（4）

基于縱向兩車距離運動模型，將控制時刻至碰撞發生時刻進行控制周期劃分，控制周期為T，控制周期內制動距離為

（5）

其中，為控制周期起始時刻本車相對前車速度，為期望本車相對前車制動減速度。

基于本車狀態傳感器與雷達、V2X等通信方式，本車車速、相對車速與相對加速度均可測量

（6）

其中，為相對加速度，為本車加速度，為前車加速度。

在很短控制周期內，假設前車制動減速度不變，則聯合上式（4），（5）與（6）， 即可得出目標制動減速度為。

3.4 底層車輛制動穩定控制器

底層車輛制動穩定控制器根據目標制動減速度，結合車輛動力學模型將制動力分配至各個車輪，在保證車輛縱向穩定性的前提下滿足縱向制動減速度需求，同時控制耗能最小。

在需求制動力較大時，結合不同路面附著系數，以車輪最佳滑移率為控制目標，在前后軸實現制動力分配的同時，每個車輪提供最大制動力，以確保避撞。

ESC系統通過控制電機產生制動力，從而動態調整制動力矩。為確保制動過程中車輛橫擺穩定性，各車輪制動力產生的橫擺力矩Mz理想值趨近為零

（7）

其中，為各車輪縱向力，為輪距，為質心與前輪中心距離。

車輪是否打滑基于車輪滑移率判斷。抱死時，車輪轉速與車輛速度間存在著差值，滑移率即車輪滑轉程度。滑移率為上述差值與車速的比值，公式為：

（8）

車輪制動力隨滑移率增加而增加，高速路面上，當滑移率在10%～20%范圍內時，制動力最大，低附路面上，此范圍在4%～5%。超出此范圍，車輪處于打滑狀態，制動力降低且喪失轉向能力。

4 離線仿真試驗

4.1 CarSim-Matlab/Simulink聯合仿真

在CarSim-Matlab/Simulink聯合仿真環境下對緊急制動系統分層控制策略進行了驗證。CarSim提供了包括車輛模型、毫米波雷達、場景、測試工況等環境，結合Matlab/Simulink中建立的控制策略，可實現緊急避撞制動系統虛擬測試環境，同時提供了動畫與測試曲線數據。

測試工況采用AEB Inter Urban中的靜止車輛追尾（Car-to-Car Rear stationary， CCRs）評分工況，前方目標車輛靜止，后車高速追尾前車。設定如下：前車車輛靜止，本車速度30-80km/h。

4.2 仿真結果

在設定仿真工況為本車速度45km/h，高附路面下的車間相對距離與制動減速度仿真結果如圖4所示。制動減速度得益于電子制動助力器，其控制線性度較ESP液壓控制高，制動減速度平穩，由于本車速度較低，制動減速度峰值小于10m/s2。如圖2（a）所示。圖2（b）中，黑點為緊急制動系統觸發時刻，其觸發距離為19.68m，車輛剎停時距離前車距離為1.82m。

5 實車試驗

試驗車采用SGMW公司生產的新寶駿系列，實時仿真機使用dSPACE公司的MircoAutoBox，采集各車身與毫米波雷達等傳感器數據，如圖3所示。

測試工況與仿真工況相同，在不同車速下，緊急制動系統觸發距離與剎停距離如圖4所示，觸發距離隨車速增加而增大，剎停距離在1.5m～1.7m與仿真工況接近，進一步驗證了控制策略的有效性。

6 結論

針對緊急制動系統，提出一種結合避撞安全與車輛穩定性的緊急制動系統分層控制策略，并進行仿真與實車試驗，提高了避撞準確性與安全性，結論如下：

（1）基于緊急制動系統工作階段與模式，制定了緊急制動系統分層控制策略，分為上層決策控制器、中層車輛運動控制器、底層車輛制動穩定控制器。在低附路面緊急制動時保證了車輛穩定性，提高了制動效果，避撞安全性更佳。

（2）設計了由駕駛員激進程度與碰撞時間作為輸入的模糊控制器，輸出為車輛緊急危險度，優化了避撞觸發時刻，避免了系統誤觸發。

（3）通過聯合仿真與實車試驗，驗證了緊急制動系統分層控制策略的有效性，可有效避免碰撞發生。

受試驗資源影響，實車試驗未在低附路面展開，后續將展開低附路面的控制算法實車驗證相關研究。

參考文獻：

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