汽車緊急制動安全與舒適性控制仿真研究

易來華

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151）

1 AEB系統(tǒng)工作過程分析

1.1 AEB系統(tǒng)整體方案概述

AEB系統(tǒng)是利用光學(xué)攝像頭或者毫米波雷達來實現(xiàn)路況監(jiān)測的，尤其是對車前方車輛的檢測，當(dāng)檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛自身與其前方某輛車有碰撞危險時，預(yù)警系統(tǒng)就會提醒駕駛員進行制動，若是駕駛員沒有進行制動或者制動壓力不夠，AEB系統(tǒng)就會根據(jù)需要或者設(shè)定幫助駕駛員提升制動壓力，從而避免交通事故的發(fā)生[1][2]。由此可以發(fā)現(xiàn)，AEB系統(tǒng)的發(fā)展是無人駕駛技術(shù)進步的基礎(chǔ)，而因此AEB系統(tǒng)必須具有信息收集、數(shù)據(jù)分析以及決策等智能化分析能力，所以，在進行AEB系統(tǒng)設(shè)計時，至少需要包含三個部分，即環(huán)境感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、決策及執(zhí)行系統(tǒng)，大體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 汽車AEB系統(tǒng)設(shè)計框架示意圖

1.2 自動緊急制動過程分析

AEB系統(tǒng)的工作工程可以用圖2來進行分析。如圖所示，F(xiàn)b是汽車主缸制動壓力，ab是汽車制動減速時候的加速度，當(dāng)t=0時，AEB系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)本車與前車有相撞的危險，于是做出預(yù)警，提醒駕駛員進行緊急制動，駕駛員經(jīng)過t1’反應(yīng)時間，在t=a時刻開始進行制動動作，在t=b時刻剎車板受到駕駛員腳的驅(qū)動開始下落，在t=c時刻汽車受到制動壓力的影響開始減速，其中t1’表示駕駛員開始抬腳到腳落在剎車板上面的時間，t2’為剎車板開始下落到制動壓力剛出現(xiàn)的時間，t2’’為制動壓力開始出現(xiàn)到制動壓力增加至最大值的時間[3]；在t=e時刻汽車的制動壓力達到最大值，之后汽車一直處于制動減速狀態(tài)，直到 t=f時刻時徹底停下來，之后駕駛員或者AEB系統(tǒng)松開制動系統(tǒng)，制動壓力經(jīng)過t4的時間徹底消除，至此AEB系統(tǒng)的整個制動緊急制動過程完全完成。雖然不同的駕駛?cè)藛T具有不同的反應(yīng)速度，但是駕駛?cè)藛T的整體反應(yīng)速度之間差異性并不是非常巨大，即t1的時間很難進行控制或者縮短，因此，AEB系統(tǒng)的工作重點就在于對后續(xù)制動壓力出現(xiàn)時間及增長時間總時間t2以及汽車持續(xù)制動時間t3進行控制。

圖2 AEB系統(tǒng)制動工作過程分析

1.3 檢測目標(biāo)的選擇

一般而言，AEB系統(tǒng)都會選擇毫米波雷達來收集車輛周邊的環(huán)境信息，因為毫米波雷達具有識別目標(biāo)多、檢測距離遠以及分辨率高等特點，但是同時毫米波雷達因為其優(yōu)點會導(dǎo)致其接受的信息中有較多的無效信息，因此，AEB系統(tǒng)要從眾多數(shù)據(jù)中識別出有效目標(biāo)，確保AEB系統(tǒng)的精確性，避免AEB系統(tǒng)出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。當(dāng)使用毫米波雷達進行環(huán)境感知時，如果反饋值為默認值，這表明當(dāng)前范圍內(nèi)沒有目標(biāo)；當(dāng)毫米波雷達監(jiān)測到的目標(biāo)信息沒有連續(xù)出現(xiàn)10次，或者其滿足公式（1）和（2）時，這表明該目標(biāo)是無效目標(biāo)，可以去除；當(dāng)毫米波雷達檢測到的信息為靜止目標(biāo)時，即滿足公式（3）時，該目標(biāo)也可以剔除，當(dāng)然若是雷達檢測到的目標(biāo)不是行人或者車輛時，也可以將該目標(biāo)剔除。

注：式中vh是自車車速，n為毫米波雷達采樣數(shù)據(jù)序號且為正整數(shù)，v為兩車相對速度。

2 制動緊急制動仿真模擬研究

2.1 仿真模型建立

本研究使用Trucksim軟件進行車輛動力學(xué)分析，并且聯(lián)合Simulink進行聯(lián)合仿真，對所設(shè)算法進行驗證。在Trucksim-Simulink聯(lián)合仿真模擬中，自車車速由 Trucksim提供，自車與前車之間的距離及速度由雷達檢測模塊進行信息采集，然后通過 Trucksim-Simulink聯(lián)合中的數(shù)據(jù)計算模塊計算最小安全距，并且將其與實際距離進行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果，結(jié)合預(yù)警判斷方式，對車輛做出相對的預(yù)警決策。Trucksim輸入自車行駛車速等相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過Simulink計算后輸出為制動壓力，從而實現(xiàn)汽車緊急制動模擬仿真。

2.2 前車靜止時仿真結(jié)果

假設(shè)前車靜止，自車行駛速度為 50km·h-1，當(dāng)兩者之間的初始間距為50m時，得到仿真結(jié)果如圖3a所示，此時當(dāng)兩者之間的間距小于40m時，汽車會啟動緊急制動系統(tǒng)，并且在7.5s內(nèi)完成制動，最終自車與前車之間的距離為20m；當(dāng)兩者之間的初始距離為20m時，仿真結(jié)果如圖3b所示，當(dāng)仿真開始時自車的緊急制動系統(tǒng)就已經(jīng)啟動，并且在3.3s內(nèi)就完成制動動作，兩車之間的間距為6m。

圖3 前車靜止時仿真結(jié)果

2.3 前車加速時仿真結(jié)果

圖4 前車靜止時仿真結(jié)果

假設(shè)前車的行駛速度為 30km·h-1，自車與前車之間的初始間距為50m，當(dāng)自車的初始車速為50km·h-1時，仿真結(jié)果如圖4a所示，在前3.8s的時間內(nèi)，自車處于安全行駛狀態(tài)，此時車輛無制動信息產(chǎn)生，當(dāng)?shù)?.8s時，即兩車之間的間距接近30m時，自車開始啟動緊急制動系統(tǒng)，然后通過約7.2s的制動過程，自車與前車之間保持約16米的間距，并且自車車速與前車車速相近，維持平穩(wěn)狀態(tài)繼續(xù)行駛；當(dāng)自車的初始車速為 80km·h-1時，仿真結(jié)果如圖4b所示，仿真結(jié)果開始時自車就進入緊急制動狀態(tài)，在經(jīng)過約11s的制動之后，兩車之間保持相近的行駛速度，且維持約17米的汽車間距，繼續(xù)行駛。

2.4 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過對三種狀態(tài)的仿真結(jié)果進行分析可以發(fā)現(xiàn)，AEB系統(tǒng)可以有效幫助自車發(fā)現(xiàn)危險情況并且通過緊急制動避免自車與前車發(fā)生碰撞而導(dǎo)致交通事故的產(chǎn)生，表明使用最小安全距離進行AEB系統(tǒng)的判斷依據(jù)是可靠的，同時還可以發(fā)現(xiàn)，制動系統(tǒng)啟動后的最終結(jié)果和自車與前車兩者的運動狀態(tài)都有關(guān)系，最終的運行狀態(tài)分別為自車停止或者自車與前車保持相同的行駛速度以及不變的兩車間距，從而也證明仿真模擬開始前的情景假設(shè)是合理的。

3 結(jié)束語

汽車緊急制動時的安全性與舒適性是兩個重要評估指標(biāo)，兩者往往難以同時兼顧。本文利用聯(lián)合仿真方式，對汽車AEB系統(tǒng)進行仿真模擬研究。在本研究的模糊控制中，控制輸入為距離和相對速度，控制輸出為汽車制動壓力。最終的仿真模擬結(jié)果表明，基于上述模糊控制條件，汽車緊急制動系統(tǒng)能在保證安全性的前提下兼顧駕駛舒適性，完美平衡了緊急制動系統(tǒng)安全性與舒適性兩個指標(biāo)，具有深入研究的意義與價值。