基于紧急变道策略的汽车主动避障安全车距模型

边明远

(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

随着世界范围内汽车交通事故发生起数的连年递增，交通安全问题成为了现代社会的一大公害。据统计，在所有的交通事故中，汽车碰撞事故(包括车车碰撞和车与固定物碰撞)是主要形式，占交通事故的60%～70%。而汽车碰撞事故大多是由行车速度过快、行车间距过小、刹车不及时等因素造成［1］。汽车主动避撞系统能在事故发生前提醒驾驶员注意，并在紧急状况下自动采取安全措施，可以有效减少汽车碰撞事故的发生。

汽车行驶安全状态判断是汽车主动避撞系统功能实现的基础，而这项技术的核心内容之一是提出有效的安全车车距模型，利用安全距离的实时计算结果与实际车间距离的比较来进行行车安全状态的判断。

基于车辆制动过程运动学分析的安全距离模型［2－6］是主动避撞系统采用较多的行驶安全状态判定标准。它适用的典型交通情况是:在跟随行驶过程中前方车辆突然原地停止这种极端工况。模型建立时仅考虑了保证车辆行车安全的要求，没有考虑道路交通效率方面的因素，导致的结果是利用该模型确定的安全距离较大，如以该模型为基础进行车辆的主动避撞控制，将使道路交通效率大大降低。

而在实际行驶过程中，驾驶员针对道路上故障物采取的避险策略往往是紧急变换车道操作。该操作方式在操控适当的情况下可以在较短的距离内使车辆避开前方障碍物，并保持车辆行驶的稳定性。

本文基于车辆紧急变换车道的最佳路径规划策略，提出了一种结合车辆纵向速度调节控制和车道变换操作的车辆紧急避障方法，并建立了紧急车道变换工况下的安全车距模型，与基于车辆制动动力学分析过程的安全车距模型一起，形成了基于2级安全行驶车间距的主动避撞系统控制策略。

1 基于车辆制动过程分析的安全距离模型

式(1)为基于车辆制动过程运动学分析的避撞报警安全距离模型

式中:v1、v2、a1、a2分别为自车和前车的速度及制动减速度;d0为两车静止时应保持的最小安全距离;tx为自车制动系统协调时间，对于采用液压制动系统的车辆一般为0.2 s;thum为驾驶员的制动反应时间，包括驾驶员看到危险报警信号的心理及生理反应、判断决策以及采取相应动作的时间，一般为0.3 ～2.0 s。

当前车静止或车道前方为静态障碍物时，式(1)演变为

式中v0为进行静态障碍物避撞时本车的初始速度。

2 汽车紧急车道变换路径规划及安全距离模型

在车辆行驶过程中，为了避开障碍物而进行的换道运动如图1所示。车辆从初始状态到障碍规避过程中，不但会产生车道行驶方向的位移dx，也会产生横向运动的位移dy。自车与障碍物不发生角碰撞的必要条件是当车辆外侧前角部位的横向位移等于障碍物宽度方向的尺寸时，自车与前方障碍物尚有一定的富余空间。当车辆行驶过程中与前方障碍物的初始距离一定时，不发生碰撞事故所需的x方向的距离大小最终取决于自车的行驶轨迹。最佳的车道变换轨迹不但可以保证足够小的x方向行驶距离，也可以保证车辆的行驶稳定性。

图1 基于车道变换的车辆避障运动

基于避障目的的车道紧急变换一般采用单移线的行驶轨迹。目前用于表征车辆最佳车道变换的数学模型有很多种［7］，本文采用基于正弦函数加速度模型的车道变换轨迹模型［7－8］。假设车辆在车道变换操作之前沿直线行驶，初始的侧向加速度、速度及侧向位移都为零，并且在进行变换车道之前对纵向行驶速度进行了调整，则车辆的横向加速度模型为

式(3)中:tadj为车辆在变道行驶之前进行纵向车速调整的时间;te为车辆完成变道过程所需要的时间，参考众多文献，本文设定为3.6 s;ye为车辆变换车道完成后的横向位移，考虑到单移线变道的特征，ye为一个车道的宽度，即3.75 m。

本文对高速行驶车辆基于避障目的的紧急变换车道运动做如下假设:

1)本车前方为突然出现的静止障碍物;

2)相邻车道没有车辆行驶，本车可根据避撞需要进行换道行驶;

3)本车在变换车道之前通过最大强度制动作用来进行纵向车速调整，在变换车道过程中不对车辆施加制动作用。

根据以上假设，本车在整个紧急换道避障动作前后的运动符合以下规律:

假设路面的峰值附着系数为μmax，则车辆进行制动作用调整车速时的最大制动减速度为am=μmaxg，则本车在进行车速调节的过程中车辆的纵向运动特征为:

在进行速度调节完成之后的tadj时刻，本车的行驶速度为随后车道变换过程中的纵向行驶速度

在车辆开始变道行驶之后，有

根据车辆变道时的横向加速度特征，本车的横向速度和位移分别为

假设障碍物的宽度为w，那么在本车的前外侧通过变道达到障碍物的最外侧轮廓时(有可能产生的碰撞点，时间tc)，有

由式(10)可以求解出本车在达到可能的碰撞点时变道的时间tc－tadj。

在本车开始调整车速到抵达可能碰撞点时车辆纵向的行驶距离

要保证车辆在抵达碰撞点之前行驶的距离最短，应满足

由式(10)及(12)可求解出能够满足本车在最短距离内通过车道变换避免碰撞的车速调节时间tadj。

当车辆到达碰撞点时，车辆的航向角度

要保证本车在整个行驶过程中都不与前方的障碍物发生碰撞，设定应保持的安全距离

式(14)即构成了基于车道变换操作的针对静态障碍物的汽车紧急避障的安全行驶距离模型。其中:Lv为汽车的车身长度，一般设为5 m;d0为静态安全距离，设为2 m。

假设本车与障碍物的初始距离为D0，那么当D0≥Ds时，可以通过车道变换操作避免与障碍物发生碰撞;否则，将会发生碰撞事故。

3 汽车紧急避障安全车距模型的仿真验证

假设本车的行驶初速度为100 km/h，与本车道前方静止障碍物的初始距离为70 m，障碍物的轮廓宽度为2 m，路面的峰值附着系数为0.8。

图2为在采用不同的纵向速度调节时间时车辆紧急避障换道行驶路径。根据式(10)及(12)求解出的最佳制动调整车速时间为1.58 s，此时在进行避障操作的过程中车辆能够在较短的距离内避开障碍物，并且行驶轨迹较为平滑，车身航向角变化合适;当采用较短的制动调整车速时间(0.8 s)时，车身航向角也较小，但由于车辆纵向行驶的速度仍然较大，所以完成车道变换过程需要行驶的纵向距离较长;当车辆采取较长的制动减速时间(2.5 s)来调整车速时，车辆初速度可以得到充分的衰减，并在较短距离内完成车道变换，但车身的航向角变化较大，不利于保持行驶的稳定性。

图2 采用不同的纵向速度调节时间时车辆紧急避障换道行驶路径

在车辆初速度为100 km/h的情况下，采取不同的车速调整时间避开不同宽度障碍物时需要的紧急换道安全车距如图3所示。从图3中可以看出，当障碍物宽度为2.0 m时，采用0.80 s、1.58 s、2.30 s三种制动调节车速时间策略时需要的安全换道车距分别为71.5 m、74.3 m和72.6 m，随着障碍物宽度的增加，需要的安全车距也逐渐增加，但由于采用较短的制动减速时间(0.80 s)时车速衰减较小，所以在障碍物宽度增大时需要的安全换道车距增加较快。较长的制动减速换道策略可以保证实现换道的安全距离较短，但车身侧偏角过大，不利于保持车辆行驶时的稳定性。在这几种情况下，基于车道变换策略的紧急避障安全车距都大大小于基于车辆完全紧急制动方式的安全车距85.9 m，可以保证车辆在更短的距离内实现避撞操作。

图3 不同障碍物宽度时基于换道操作的紧急避障安全车距

4 结论

1)基于车道变换操作的汽车主动避障控制策略可以使车辆在较短的距离内实现避障控制，从而需要较小的安全车距。

2)车道紧急变换时车辆的行驶轨迹主要取决于换道运动开始前采取的通过制动方式调整车速的策略。

3)本文提出的换道路径优化策略和安全车距算法可以保证车辆避撞的实现，同时保证车辆行驶时的横向稳定性。

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