重型商用車碰撞風險評估模型

陳建偉,白書戰*,詹君,李國祥

1.山東大學 能源與動力工程學院,山東 濟南 250061;2.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 261061

0 引言

作為智能輔助駕駛系統的重要組成部分,汽車主動避撞系統能有效提高車輛的主動安全性,減少碰撞事故的發生[1]。當系統檢測到自車與前方目標存在碰撞風險,立刻以聲、光等方式警告駕駛員,若駕駛員未做出正確反應,碰撞風險超出閾值,系統主動制動,避免碰撞或減輕碰撞[2-3]。國內外眾多研究人員對碰撞風險評估模型進行了研究:裴曉飛等[4]以避撞時間余量判斷當前行駛工況存在的碰撞風險,基于駕駛員避撞動作特性設計了一種分級避撞控制算法;郭祥靖等[5]基于反向傳播神經網絡預測碰撞時間(time to collision, TTC),評估碰撞風險,采用分層控制以提高車輛的主動安全性;Yang等[6]提出一種行人避撞預警模型,模型上層采用模糊神經網絡控制,下層為比例積分微分(proportional integral differential, PID)控制器,實現了避免行人碰撞和確保行人生命安全的功能要求。

在用的汽車主動避撞系統控制策略一般以安全距離或TTC為依據對碰撞風險進行評估[7-9],該類模型易出現減速過多、制動結束時與前車距離過大等問題[10]。為提高車輛控制的安全性,本文中以充分考慮車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數設計碰撞風險評估模型,并通過TruckSim和Simulink聯合仿真對搭建的碰撞風險評估模型進行驗證,為重型商用車主動避撞系統設計提供參考。

1 碰撞風險評估模型總體框架

以充分考慮車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數設計碰撞風險評估模型。模型采用分級避撞控制策略,上層控制器基于碰撞風險指數對當前車輛的碰撞風險進行評估,根據自車車速選擇合適的TTC閾值,根據TTC閾值確定預期制動加速度aexp;下層控制器通過PID調節上層控制器輸出的期望制動加速度,計算制動壓力,對車輛實施分級避撞策略。搭建的重型商用車碰撞風險評估模型總體框架如圖1所示。

圖1 重型商用車碰撞風險評估模型總體框架

2 分級避撞控制策略設計

2.1 碰撞風險指數

相比于傳統的碰撞時間模型,以充分考慮相對距離、相對速度和相對加速度等車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數,更能有效地預估自車的碰撞風險。碰撞風險指數tTTC關于相對速度vrel、相對加速度arel和相對距離drel的狀態函數可表示為:

式中:vrel=v0-v1,其中v0、v1分別為自車速度、前車速度;arel=a0-a1,其中a0、a1分別為自車加速度、前車加速度。

前車開始制動到停止需要的時間tf=-v1/a1[11]。tf>tTTC,表示在發生碰撞時前車仍在運動;tf≤tTTC,表示在發生碰撞時前車已停止。

2.1.1 碰撞時前車未停止

碰撞風險指數

當前車速度及加速度均大于自車(vrel≤0且arel≤0)時,無碰撞風險,所以只考慮tTTC大于0的情況。

2.1.2 碰撞時前車已停止

碰撞風險指數

(1)

如果前方為靜止目標,即v1=a1=0時,式(1)可簡化為:

2.2 分級避撞控制策略

碰撞風險指數tTTC能實時定量反映出車輛距離碰撞事故發生的時間余量。車輛行駛時,當tTTC小于相應的一級制動時間閾值t1或二級制動時間閾值t2時,為保持車輛在避撞系統介入制動過程中的穩定性,采用分級避撞的控制策略,控制策略流程如圖2所示。

圖2 分級避撞控制策略流程圖

2.2.1 期望制動加速度

駕駛員在制動過程中的反應大致分為2個階段:碰撞風險較低時采取較低加速度的一級制動,碰撞風險極高時使用全力進行減速的二級制動。文獻[7]分析了100起輕微碰撞事故中駕駛員的制動過程,統計一、二級制動加速度aa1、aa2,按區間分布如表1所示。表1中g為自由落體加速度。

由表1可得:輕微碰撞事故中駕駛員分級制動時,平均一級加速度為-0.41g,平均二級加速度為-0.71g。因此,將分級避撞控制策略中一級制動期望加速度設為-4.0 m/s2,二級制動設為-8.0 m/s2,則分級避撞策略中的制動期望加速度

表1 輕微碰撞事故中駕駛員分級制動加速度統計

2.2.2 TTC閾值

以固定的TTC閾值判定碰撞風險將導致主動避撞系統無法適應不同的車速工況,因此,應區分不同的行駛工況,分段設置TTC閾值。自車車速低于30 km/h時為低速行駛工況,處于30～60 km/h時為中速行駛工況,高于60 km/h時為高速行駛工況。在評估自車碰撞風險時,根據自車車速選擇對應行駛工況的TTC閾值作為分級避撞控制策略的判定條件。

典型的TTC閾值設置為:當系統檢測到碰撞風險,在碰撞前2.6 s向駕駛員發出預警,在碰撞前1.6 s進行0.2倍部分制動,在碰撞前0.6 s全力制動。不考慮駕駛員的反應時間和預警時間,文獻[12]在自車車速為50 km/h的行駛工況下,基于典型的t1和t2,仿真計算制動停車,自車距前車的距離L,結果如表2所示。

表2 典型TTC閾值下停車后兩車距離仿真結果

由表2可知:兩級制動時間閾值過大時,自車制動停車時距前車距離過大,易干擾駕駛員的正常操作;兩級制動時間閾值過小時,自車制動停車時與前車距離過小,主動避撞系統不能發揮作用。綜合考慮車速、路面摩擦和表2數據,為達到既不干擾駕駛員正常駕駛又能在危險時刻實現主動避撞,不同行駛工況的TTC閾值設置為:低速行駛工況時t1=1.3 s,t2=0.4 s;中速行駛工況時t1=1.6 s,t2=0.6 s;高速行駛工況時t1=1.9 s,t2=0.9 s。

2.2.3 PID誤差控制

為減小期望制動加速度的誤差,提高控制精度,采用PID控制器進行誤差調節。控制誤差期望e(t)為期望制動加速度aexp和實際制動加速度a0之差,即e(t)=aexp-a0。搭建的期望制動加速度PID誤差控制器如圖3所示。

圖3 期望制動加速度PID誤差控制器

3 仿真驗證

3.1 碰撞風險評估仿真模型

在TruckSim中搭建車輛模型和仿真場景,某重型商用車的主要技術參數如表3所示。在Simulink中搭建分級避撞控制策略,與TruckSim模塊組成碰撞風險評估模型,如圖4所示。TruckSim車輛模型輸出相對距離、相對車速、自車車速、自車加速度等,輸入至分級避撞控制策略中,Simulink計算期望制動主缸壓力pexp。根據文獻[13]的測試方法,選擇前車靜止、前車慢行和前車制動3種仿真工況對搭建的碰撞風險評估模型進行仿真驗證。

表3 某重型商用車的主要技術參數

圖4 碰撞風險評估模型聯合仿真結構

3.2 結果分析

3.2.1 前車靜止工況

前車靜止,自車勻速行駛,速度為40 km/h,距前車100 m。前車靜止工況的期望制動加速度、相對速度和相對距離仿真結果如圖5所示。

a)期望制動加速度 b)相對速度 c)相對距離

由圖5a)可知:自車勻速行駛7.301 s檢測到一級碰撞風險,期望制動加速度為-4.0 m/s2,實施一級制動;行駛9.269 s檢測到二級碰撞風險,期望制動加速度為-8.0 m/s2,實施二級制動。由圖5b)、c)可知:經過9.614 s自車完成制動并停車,此時距離前車2.668 m。

3.2.2 前車慢行工況

前車以20 km/h的速度慢行,自車以50 km/h的速度勻速行駛,距前車100 m。前車慢行工況的期望制動加速度、相對速度和相對距離仿真結果如圖6所示。由圖6可知:自車以勻速行駛10.279 s檢測到一級碰撞風險,期望制動加速度為-4.0 m/s2,實施一級制動;行駛11.9 s檢測到二級碰撞風險,期望制動加速度為-8.0 m/s2,實施二級制動;經過12.3 s完成制動并停車,此時距離前車3.276 m。

a)期望制動加速度 b)相對速度 c)相對距離

3.2.3 前車制動工況

前車初始車速為50 km/h,以-4.0 m/s2的加速度制動,自車以50 km/h的速度勻速行駛,距離前車40 m。前車制動工況的期望制動加速度、相對速度和相對距離仿真結果如圖7所示。由圖7可知:自車勻速行駛1.727 s檢測到一級碰撞風險,期望制動加速度變為-4.0 m/s2,實施一級制動;3.705 s檢測到二級碰撞風險,期望制動加速度為-8.0 m/s2,實施二級制動;經過3.85 s完成制動并停車,此時距離前車2.077 m。

a)期望制動減加速度 b)相對速度 c)相對距離

前車靜止、前車慢行和前車制動3種工況的仿真驗證結果表明,該分級避撞控制策略能快速識別碰撞風險并及時制動,制動完成后與前車的距離為2.077～3.267 m,可有效避免碰撞。

4 結束語

以充分考慮車間信息的預碰撞時間作為碰撞風險指數設計重型商用車的避撞風險評估模型,根據碰撞事故數據和典型行駛工況的TTC閾值仿真結果確定期望制動加速度和分段TTC閾值;搭建TruckSim和Simulink聯合仿真模型,對前車靜止、前車慢行和前車制動3種工況的重型商用車碰撞風險模型進行仿真驗證。

基于碰撞風險指數設計的分級避撞控制策略在3種工況下均能快速識別碰撞風險,并及時制動,制動完成后與前車的距離為2.077～3.267 m,有效避免了碰撞。