觀光車避撞行人的AEB 算法優(yōu)化研究

黃 好，秦少威，郭啟薪，王春龍

（柳州五菱新能源汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

觀光車屬于我國(guó)的特種設(shè)備，是場(chǎng)（廠）內(nèi)專用機(jī)動(dòng)車輛，而專用機(jī)動(dòng)車輛與行人相撞的交通事故逐年增加，而自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEB，Autonomous Emergency Braking）可以避免27%的碰撞事故[1]。通過(guò)雙目攝像頭和毫米波雷達(dá)采集行人信息進(jìn)行處理，計(jì)算出觀光車與行人的安全狀態(tài)。當(dāng)觀光車前方出現(xiàn)行人，造成安全隱患時(shí)，觀光車AEB 緊急制動(dòng)系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)駕駛員發(fā)出警報(bào)信號(hào)提醒駕駛員采取制動(dòng)措施，若駕駛員沒(méi)有踩下剎車進(jìn)行制動(dòng)，則預(yù)警系統(tǒng)將對(duì)車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行控制，因此開(kāi)展觀光車AEB 避撞行人算法研究具有重要的意義。

在AEB 避撞行人算法上，普遍采用的指標(biāo)為碰撞時(shí)間[2]（Time to Collision，TTC），進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型確定觀光車行車過(guò)程中不同路況下的信號(hào)觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)不同的道路工況劃分不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定危險(xiǎn)系數(shù)，從而確定觀光車的行車狀態(tài)和預(yù)判行人行走狀態(tài)以避撞行人。例如，楊為等[3]通過(guò)車輛的逆動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用遺傳算法優(yōu)化了AEB 系統(tǒng)TTC 算法；何霞等[4]研究AEB 系統(tǒng)控制策略中觸發(fā)寬度對(duì)行人橫穿場(chǎng)景結(jié)果的影響，通過(guò)設(shè)計(jì)AEB 縱向控制算法模擬行人橫穿危險(xiǎn)場(chǎng)景，不斷調(diào)整觸發(fā)寬度；Shimizu 等[5]針對(duì)車輛行駛過(guò)程中可能突然遇到行人竄出的危險(xiǎn)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)出了一種基于行車-行人碰撞速度的風(fēng)險(xiǎn)量化數(shù)學(xué)模型。鄭剛等[6]利用正交實(shí)驗(yàn)法及聚類分析法對(duì)不同駕駛員進(jìn)行分類，擬合不同類別駕駛員的反應(yīng)時(shí)間與駕駛速度之間的關(guān)系曲線，并將其應(yīng)用于報(bào)警及制動(dòng)閾值的修正，優(yōu)化了汽車的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)。以上研究主要針對(duì)汽車的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境來(lái)優(yōu)化AEB 算法，但由于觀光園區(qū)的道路非常簡(jiǎn)易，路窄彎急，人車混流現(xiàn)象嚴(yán)重，觀光車與行人的相對(duì)速度、相對(duì)減速度及相對(duì)距離不斷變化，汽車的AEB 系統(tǒng)避撞行人算法在觀光園區(qū)內(nèi)不能很好適應(yīng)。

考慮觀光車與行人目標(biāo)物的縱向相對(duì)距離及相對(duì)加速度的影響，利用TTC 碰撞時(shí)間算法建立三個(gè)觀光車行人避撞預(yù)警等級(jí)，分別為玉級(jí)行駛安全級(jí)，Ⅱ級(jí)碰撞預(yù)警級(jí)和Ⅲ級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)；根據(jù)不同車速下觀光車的實(shí)際制動(dòng)過(guò)程，設(shè)置不同的冗余安全距離，得到觀光車AEB 行人避撞的制動(dòng)安全閾值，優(yōu)化了觀光車行人避撞的AEB 算法，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證。

1 觀光車AEB 行人避撞的TTC 算法

觀光車AEB 系統(tǒng)以傳感器檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)周圍路況進(jìn)行信息采集處理，根據(jù)處理的數(shù)據(jù)信息輔助駕駛員判斷對(duì)車輛前方行人及障礙物，提高駕駛員的安全駕駛能力，進(jìn)一步保障觀光車與路況行人的安全[7]。系統(tǒng)將毫米波雷達(dá)傳感器收集到的行人信息（行人的初速度，行人的相對(duì)距離）發(fā)送到觀光車系統(tǒng)控制器，控制器通過(guò)控制單元對(duì)行人的狀態(tài)信息進(jìn)行分析處理和預(yù)判。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)控制單元判斷出自車與前方行人有碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警報(bào)警信號(hào)，當(dāng)觀光車與行人相對(duì)距離小于最小安全距離時(shí)，系統(tǒng)主動(dòng)控制車輛進(jìn)行制動(dòng)減速，避免撞到前方行人。

目前觀光車AEB 的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型有安全距離算法模型和碰撞時(shí)間算法模型兩類，但安全距離算法模型由于涉及了大量的數(shù)據(jù)信息，計(jì)算過(guò)程比較繁雜，故采用碰撞時(shí)間算法模型。碰撞時(shí)間算法模型TTC是指以某一特定時(shí)刻為開(kāi)始，駕駛員在駕駛過(guò)程中，遇到緊急情況時(shí)緊急制動(dòng)發(fā)生到緊急制動(dòng)結(jié)束，這一過(guò)程中避免碰撞發(fā)生時(shí)間。觀光車AEB 避撞行人策略的研究對(duì)象主要為觀光車與行人，當(dāng)計(jì)算出來(lái)的距離碰撞時(shí)間TTC 越大，表明觀光車行車越安全，碰撞危險(xiǎn)系數(shù)越低；若距離碰撞時(shí)間TTC 越小，則表明觀光車行車越危險(xiǎn)，危險(xiǎn)系數(shù)越大。

根據(jù)車輛與行人碰撞時(shí)間的原理，考慮觀光車與行人目標(biāo)物的縱向相對(duì)距離及相對(duì)加速度的影響，則觀光車AEB 行人避撞的TTC 算法為：

式中，tTTC為距離碰撞時(shí)間，△s為觀光車與行人的縱向相對(duì)距離，vr、ar分別為兩者的相對(duì)速度和相對(duì)加速度。

利用TTC 碰撞時(shí)間算法建立3 個(gè)觀光車行人避撞預(yù)警等級(jí)，分別為玉級(jí)行駛安全級(jí)，Ⅱ級(jí)碰撞預(yù)警級(jí)和Ⅲ級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)，其中玉級(jí)表示觀光車前方無(wú)行人障礙物或行人障礙物在安全距離外，Ⅱ級(jí)表示觀光車有可能會(huì)碰撞到前方的行人，Ⅲ級(jí)表示AEB 系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)緊急制動(dòng)信號(hào)以避免碰撞到車輛前方行人。對(duì)于不同的觀光車行駛狀態(tài)以及行人行走狀態(tài)，基于分級(jí)預(yù)警算法對(duì)整個(gè)安全系統(tǒng)進(jìn)行了安全等級(jí)劃分，觀光車避撞行人安全等級(jí)劃分如圖1 所示。

圖1 觀光車避撞行人安全等級(jí)劃分

由于觀光車開(kāi)始緊急制動(dòng)后，觀光車與行人的相對(duì)速度、相對(duì)減速度及相對(duì)距離不斷變化，算法越來(lái)越復(fù)雜，TTC 預(yù)警碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型有可能會(huì)出現(xiàn)誤判的情況。因此，需要對(duì)觀光車的行車緊急制動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化研究，提高TTC 算法的可靠性。

對(duì)觀光車AEB 行人避撞系統(tǒng)的工作區(qū)域進(jìn)行劃分，劃分區(qū)域如圖2 所示。

圖2 AEB 行人避撞系統(tǒng)工作區(qū)域劃分

由圖2 可知，若行人與觀光車距離足夠近的時(shí)候，觀光車AEB 行人避撞系統(tǒng)可能有3 種狀態(tài)：閉合、待工作、激活狀態(tài)。若行人處在BCG 或EFH 區(qū)域，且v1≠0 或v2≠0 ，AEB 避撞行人系統(tǒng)將處于待工作狀態(tài)，此時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型不會(huì)發(fā)出任何控制信號(hào)，系統(tǒng)將以圖像等形式提示駕駛員注意行人安全。若行人處在AECGH 區(qū)域，不管行人處于什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，AEB 避撞行人系統(tǒng)將被激活，此時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型將會(huì)發(fā)出行人碰撞預(yù)警或自動(dòng)緊急制動(dòng)信號(hào)。

2 考慮制動(dòng)過(guò)程的AEB行人避撞優(yōu)化算法

為了避免由于TTC 模型的局限性而造成失效，在Ⅲ級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)的情況下，此時(shí)行人距離觀光車已經(jīng)很近，車輛的制動(dòng)安全距離=響應(yīng)距離+制動(dòng)距離+冗余安全距離[8-9]。響應(yīng)距離是指駕駛員發(fā)現(xiàn)橫穿行人到采取制動(dòng)之前的車輛行駛距離。冗余安全距離則表示為觀光車完成緊急制動(dòng)停止后，車輛自身與行人之間的距離。制動(dòng)距離指車輛制動(dòng)器由開(kāi)始制動(dòng)響應(yīng)到減速度線性增長(zhǎng)的制動(dòng)距離，制動(dòng)距離指觀光車在制動(dòng)過(guò)程中，減速度恒定，一直到速度為0 的制動(dòng)距離。

為了明確各三級(jí)預(yù)警系統(tǒng)分級(jí)，利用預(yù)警分級(jí)算法間算出TTC 碰撞時(shí)間并進(jìn)行區(qū)間劃分。Ⅱ級(jí)預(yù)警的報(bào)警時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)于觀光車AEB 行人避撞系統(tǒng)而言及其重要，它影響著系統(tǒng)的可行度和是否對(duì)行人避撞成功。在Ⅱ級(jí)預(yù)警的過(guò)程中，如若系統(tǒng)預(yù)警時(shí)間太過(guò)于短，則有可能會(huì)造成駕駛員來(lái)不及反應(yīng)，那么這樣將起不到需要的預(yù)警效果。如果Ⅱ級(jí)預(yù)警時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，有過(guò)能會(huì)對(duì)駕駛員的正常駕駛造成干擾，甚至加深駕駛員對(duì)系統(tǒng)的不信任，也會(huì)帶來(lái)負(fù)面效果。因此，Ⅱ級(jí)預(yù)警的預(yù)警時(shí)長(zhǎng)應(yīng)該符合實(shí)際情況。為了確定一個(gè)合理的預(yù)警時(shí)間，需要對(duì)觀光車的緊急制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析。

為了精確計(jì)算車輛的制動(dòng)安全距離，需要考慮觀光車緊急制動(dòng)過(guò)程，其中駕駛員反應(yīng)時(shí)間由駕駛員收到制動(dòng)信息的時(shí)間和駕駛員執(zhí)行制動(dòng)動(dòng)作的時(shí)間組成，一般駕駛員反應(yīng)時(shí)間為0.3 ～1.0 s；制動(dòng)器作用時(shí)間由制動(dòng)器間隙時(shí)間和制動(dòng)器動(dòng)力增長(zhǎng)過(guò)程時(shí)間組成，一般制動(dòng)器作用時(shí)間為0.2～0.9 s。假設(shè)在制動(dòng)過(guò)程中減速度恒定，則觀光車制動(dòng)安全距離d為：

式中，u0為觀光車初始速度；κ1、κ2分別為制動(dòng)器間隙時(shí)間和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間；a為制動(dòng)減速度；d0為冗余安全距離，根據(jù)不同的測(cè)試工況，可設(shè)置了不同的行人冗余安全距離，d0可取1.5 ～2 m，隨著觀光車的初始速度變高，觀光車與行人之間的冗余安全距離也會(huì)隨之相應(yīng)增大。 將式（2）帶入式（1）得到觀光車AEB行人避撞的優(yōu)化算法為：

3 案例分析

選取某車型的觀光車為例，觀光車與人形目標(biāo)縱向距離為40 m，分別以15 km/h、20 km/h、25 km/h 和30 km/h 的車速進(jìn)行測(cè)試，行人為靜止?fàn)顟B(tài)。四種工況下的冗余安全距離分別為1.5 m、1.8 m、1.9 m 和2.0 m，每種工況的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行6 次測(cè)試，根據(jù)制動(dòng)信號(hào)得到玉級(jí)和Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)的分界測(cè)試值，并根據(jù)式（3）可以得到各級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)的分界理論值，見(jiàn)表1。

表1 觀光車各級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)的分界值

觀光車避撞行人算法以車輛制動(dòng)安全距離理論為基礎(chǔ)，確定了不同安全等級(jí)下TTC 區(qū)間取值范圍，根據(jù)車輛初速度劃分TTC 的取值范圍和對(duì)應(yīng)等級(jí)安全，其中15 km/h、20 km/h、25 km/h 和30 km/h 的車速下，Ⅲ級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)的理論值分別為1.06、1.08、1.20 和1.48。在各級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)下根據(jù)不同的車速計(jì)算出不同的冗余安全距離，得到不同車速下觀光車AEB 行人避撞的制動(dòng)安全閾值，建立的觀光車避撞行人的AEB 算法更加合理。由表1 可以看出，隨著測(cè)速得增加，各級(jí)碰撞危險(xiǎn)級(jí)的分界值也不斷增加，當(dāng)觀光車的速度為30 km/h 時(shí)，各級(jí)分界測(cè)試值和理論值之間的誤差分別為0.21 s、0.17 s，均在誤差的允許范圍內(nèi)，且在測(cè)試過(guò)程中預(yù)警信號(hào)的發(fā)出和自動(dòng)緊急制動(dòng)的執(zhí)行皆符合系統(tǒng)要求，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)行車過(guò)程中危險(xiǎn)系數(shù)評(píng)估和碰撞安全等級(jí)的劃分都準(zhǔn)確無(wú)誤。

4 結(jié)論

利用TTC 碰撞時(shí)間算法建立三個(gè)觀光車行人避撞預(yù)警等級(jí)，考慮了制動(dòng)過(guò)程中觀光車與行人的相對(duì)速度、相對(duì)減速度及相對(duì)距離不斷變化，得到觀光車AEB 行人避撞的制動(dòng)安全閾值，利用AEB 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和分級(jí)預(yù)警算法建立一個(gè)針對(duì)觀光車在不同工況下避撞行人的預(yù)警系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)例計(jì)算得到：

（1）考慮觀光車與行人目標(biāo)物的縱向相對(duì)距離及相對(duì)加速度的影響，利用TTC 碰撞時(shí)間算法建立三個(gè)觀光車行人避撞預(yù)警等級(jí)，觀光車避撞行人的AEB算法更加合理。

（2）根據(jù)不同的測(cè)試工況，改進(jìn)的觀光車AEB 行人避撞系統(tǒng)設(shè)置了不同的冗余安全距離，得到不同車速下觀光車AEB 行人避撞的制動(dòng)安全閾值，提高了AEB 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）根據(jù)車輛初速度劃分TTC 的取值范圍和對(duì)應(yīng)等級(jí)安全，在不同車速的行駛工況下，觀光車AEB 行人避撞系統(tǒng)的預(yù)警模塊均表現(xiàn)正常，在測(cè)試過(guò)程中并未出現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)警的情況，沒(méi)有干擾到駕駛員的正常行駛。