汽车主动防撞系统的规避控制研究

宋保林 周汽一

（1.河南交通职业技术学院;2.海南热带汽车试验有限公司）

汽车主动防撞系统的规避控制研究

宋保林1周汽一2

（1.河南交通职业技术学院;2.海南热带汽车试验有限公司）

提出了一种汽车主动防撞系统，介绍了该防撞系统的工作原理，并对其规避控制进行了研究。依据汽车运动学理论对安全车距模型进行了分析，建立了包括安全临界、锁定目标、危险临界和极限临界的汽车纵向安全车距模型以及横向安全车距模型；结合安全车距对危险目标进行识别和分类；针对不同危险程度的目标制定了相应的规避控制策略。

1 前言

目前，汽车主动防撞预警系统正逐渐成为汽车安全领域的研究热点，该系统主要是利用现代传感技术、信号处理技术来探测视野内的行人、车辆或其它障碍物并判断目标的危险程度，从而在事故发生前提醒驾驶员注意并采取相应的措施避免碰撞事故的发生[1]。

汽车主动防撞预警系统包括信息采集、数据处理和执行机构三部分。本文针对该系统的规避控制[2]进行研究，根据建立的安全车距模型进行目标危险等级分类，并制定出相应的规避控制策略。

2 安全车距理论及目标分类

2.1 安全车距理论

汽车在道路上行驶时，应该使本车与前车或障碍物保持一个安全距离。因安全距离与本车的车速、本车与前车或障碍物的相对速度以及路面状况有关，因此应基于安全角度建立汽车的纵向安全车距模型，以帮助驾驶员保持安全距离。图1为车辆纵向间距示意图。

图1中，u1为本车行驶速度，u2为前车行驶速度，本车与前车之间的安全车距为d。经过一段时间t后，本车的行驶速度为u1′，所驶过的距离为d1；前车的行驶速度为u2′，所驶过的距离为d2；此时两车的纵向间距为d0，d0表示两车解除碰撞危险后需保留的最小安全车距，一般取2～5 m。上述4个距离之间满足如下关系：

因汽车的行驶工况复杂多变，所以安全车距模型要在绝大多数交通状况下保证主动防撞预警系统稳定工作，以减少由于驾驶员判断失误造成的交通事故。该模型的参数应能较方便和快捷地获取，同时模型的构建既不能过于灵敏，也不能过于迟钝，因过于灵敏会导致安全车距偏大，会频繁制动，影响驾驶舒适性；过于迟钝会导致安全车距偏小，一般的危险状况将不予警示，不能达到避免交通事故的目的。因此，构建安全车距模型要兼顾以上两方面，并使其能够应用于各种行驶环境和满足各种驾驶行为特性[3]。

2.2 目标危险等级分类

当主动防撞预警系统工作时，雷达将视野中所探测的多个目标的信息传递给规避控制器，规避控制系统需要快速准确地从众多目标中识别出危险目标，即对目标危险等级进行分类。被检测的目标可分为危险目标、威胁目标、潜在威胁目标和非威胁目标等4类。

汽车在道路上行驶时，最大的威胁往往来自与本车横向间距较近的前方目标，即同一车道内的目标，而横向间距较大的车辆一般情况下不存在威胁。如图2所示，在雷达扫描范围内出现了众多目标（不包括目标N），目标B与本车A处于同一车道且相对距离最小，视为危险目标；目标C、D、E与本车的相对距离相近，但目标C与本车同车道，危险程度较大，定义为威胁目标；目标D、E为潜在威胁目标，若目标D、E在某时刻越线行驶或并道行驶则由潜在威胁目标变为威胁目标；目标F与本车同车道且有一定相对距离，定义为潜在威胁目标；其余目标与本车距离较远或所处车道较远，所以均定义为非威胁目标。

2.3 安全车距类型

根据目标危险等级的不同，安全车距d可分为安全临界车距dS、锁定目标车距dT、危险临界车距dD和极限临界车距dL等4种临界距离。

安全临界车距dS是汽车行驶时与前方车辆或障碍物之间的距离，该距离能保证在绝大多数情况下本车是安全可靠的。在安全临界车距dS内，即使前方突然出现静止障碍物或前方运动目标突然减速，也不会对本车的安全构成威胁。

锁定目标车距dT是指当前方目标出现后，在未出现不安全状况前防撞系统即将目标锁定并将安全隐患完全排除，此时本车与目标车辆或障碍物之间的距离即为锁定目标车距dr。

安全临界车距dS是预判车辆行驶状况是否安全的重要指标，当高于此值时表示车辆处于安全行驶状态。与dS对应的一个指标是危险临界车距dD，是指考虑前车可能采取的制动强度及本车制动反应时间等因素所需保持的临界安全距离，低于此值时说明车辆的行驶环境是危险的，可能会有交通事故的发生。

极限临界车距dL是指汽车不发生追尾事故所要维持的极限车距，当小于此距离时必然发生交通事故。

3 安全车距数学模型的建立

3.1 纵向安全车距

根据已有的制动过程分析理论可得汽车制动距离s计算式[4，5]为：

式中，t1为驾驶员反应时间；t2为消除制动间隙时间；t3为制动力增长时间；u0为制动初速度；u′为制动末速度；aφ为附着系数为φ的路面所提供的最大制动减速度。3.1.1安全临界车距dS

在计算dS时，认为前方目标车辆速度低于本车速度并且突然紧急制动，制动减速度为a2，在看到前车制动后本车以制动减速度a1紧急制动，紧急制动后两车的速度均为零[6]，即本车和前车的制动末速度均为0，按照上述条件及式（2）可得本车的制动距离d1为：

由于驾驶员意识到前车速度降低时，前车已经处于制动力增长阶段，则前车的制动距离d2为：

式中，t3′为前车制动力增长时间；u2为前车制动初速度。

假设t3=t3′，d0为两车制动后停止时保留的最小安全车距，并认为两车的制动减速度均来自地面的最大制动减速度，即a1=a2=aφ，则可得出安全临界车距dS的计算式为：

令u1-u2=urel为两车的相对速度（本车速度与前方目标车速之差），则式（5）可表示为：

3.1.2 锁定目标车距dT

锁定目标车距dT是在安全临界车距的基础上增加一段距离得到的，这段距离是提前预告时间t0内本车所行驶的距离，t0是依据驾驶员特性和驾驶习惯所设定的，建议t0取0～1 s。由以上分析可得锁定目标车距的计算式为：

3.1.3 危险临界车距dD

危险临界车距dD的计算是在安全临界车距的基础上减去驾驶员反应阶段汽车所驶过的距离：

3.1.4 极限临界车距dL

分析dL时前车制动减速度a2是以实际值为依据进行计算的，此时本车开始制动进入制动力增长阶段，并以最大制动减速度aφ减速行驶。当a2较小时，在两车停止前某一时刻两车的速度相同，即u1′= u2′，如果此时两车之间的间距能保证为d0则可脱离危险；当a2较大时，前车停止后本车速度仍大于0，即u1′＞u2′=0，此时需要后车速度为零后仍保留d0的间距才能保证安全。

假设在t时刻两车速度相同，即u1′=u2′=u3，则

由式（9）可得：

因aφ＞a2，所以式（10）和式（11）的分母为正，即u3值的大小只与分子有关：

通过式（11）～式（13）可得：

由式（14）和式（17）联合可得到dL的数学模型为：

通过式（15）和式（16）可得：

3.2 横向安全车距

雷达所测的目标信息包括与本车之间的相对距离、相对角度及相对速度。根据距离和角度可以得到目标车辆与本车的横向间距，通过横向距离的大小可判定车辆是否与本车处于同一车道，从而得到汽车的横向安全车距。

得到横向安全车距模型的前提条件为：设本车行驶车道的宽度为a，本车宽度为b；探测用毫米波雷达安装在车辆前方正中央，探测距离最大为150 m，探测角度为±10°（规定沿着汽车纵向行驶方向往右偏转为正，向左偏转为负）；相对速度为±250 km/h。用于得到横向车距的目标信息取决于探测到的目标轮廓中相对角度绝对值最小的一点。

图3为车辆横向间距示意图，由图3可看出，右侧车道的目标B所处的位置恰好为临界状态，若下一时刻向左移动则被系统确定为威胁目标，相反向右移则定为潜在威胁目标。

雷达所识别的目标B对应的参数为Tb（Rb、θb、vrb）（vrb为本车A与目标B的相对速度），可得：

式中，Rb为本车A与目标B的直线距离；θb为本车A与目标B的相对角度。

右侧的横向威胁临界车距为：

因此右侧的威胁目标满足的判定条件为：

对于目标B即为：

即

目标B在右侧车道中间行驶时对本车的威胁较小，只有当B车偏左行驶才有可能由潜在威胁目标发展成为威胁目标，因此由右侧车道正中间位置到图3中B车所处的紧邻车道线位置之间的区域定为潜在威胁区域，则右侧潜在威胁目标的判定条件为：

按照上述理论，图3中左侧车道目标C已成为威胁目标，由于此时θc为负数，所以

同理可得左侧威胁目标满足的判定条件为：

同理可得左侧潜在威胁目标的判定条件为：

根据所构建的纵向和横向安全车距模型，可对目标危险进行判定：首先通过雷达检测信息及横向间距模型判断车辆是否与本车处于同一车道；然后通过目标与本车的相对距离判断其在纵向安全车距模型中的类型，从而对目标的危险程度进行划分。

4 规避控制策略

规避控制策略是指当汽车处于某一行驶状态时为避免交通事故发生所应采取的措施，汽车主动防撞预警系统的工作模式便是由控制策略决定的。

根据检测目标的信息，针对不同危险程度的目标应该采取不同的控制策略。安全车距模型以及危险目标等级分类是制定规避控制策略的理论基础。综合考虑不同的目标及路况等因素，制定了以下4种规避控制策略。

a.安全控制策略。针对非威胁目标，当雷达探测的本车与目标之间的实际相对车距远大于安全临界车距或横向安全车距时，车辆运行是安全的，主动防撞预警系统执行安全控制策略。

b.报警控制策略。对于潜在威胁目标，相对车距介于危险临界车距与安全临界车距之间时，主动防撞预警系统认为此时的驾驶环境不能完全保证安全，系统提醒驾驶员“小心驾驶”的同时伴有级别较低的声光报警，此时系统执行报警控制策略。

c.减速控制策略。当执行报警控制策略后驾驶员没有及时响应或响应错误，以至于实际车距小于安全临界车距、潜在威胁目标变为威胁目标时，主动防撞预警系统判定当前的行驶状态为危险，但是只要此时距离不小于危险临界车距，则危险状态可通过调整车辆动力输出等方式得到改善，并不一定会发生交通事故。此时系统提醒驾驶员“减速行驶”并伴有较高级别的声光报警，系统执行减速控制策略。

d.制动控制策略。在执行减速控制策略后，若驾驶员没有采取措施或前车仍以较大减速度进行减速行驶，或者突然有其它潜在威胁目标转换为危险目标时，会导致相对车距小于危险临界车距，系统将判定当前的行驶状况非常危险，发生事故的可能性较大。此时主动防撞预警系统提醒驾驶员“紧急制动”并伴有高等级的声光报警，且同时自动、快速地增加制动压力直到车辆脱离危险为止，即此时系统执行制动控制策略。

5 结束语

对汽车主动防撞预警系统的规避控制进行了研究。依据汽车运动学理论对安全车距模型进行构建，建立了包括安全临界、锁定目标、危险临界和极限临界的汽车纵向安全车距模型以及横向安全车距模型；结合安全车距以及危险目标等级划分，提出了针对不同级别的危险行驶状况所采取的有效规避控制策略。

1 Seiler P，Song B，Hedrick J K.Development of a collision avoidance system.Development，1998，（4）：17～22.

2 Chakroborty P，Kikuchi S.Evaluation of the General Motors based car-following models and a proposed fuzzy inference model.Transportation Research PartC:EmergingTechnologies， 1999，7（4）:209～235.

3 Chien Cc.Intelligent vehicle highway systems(IVHS): Advanced vehicle control system;PhD Thesis，University of Southern California，1994.

4余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2009.

5喻凡，林逸.汽车系统动力学.北京：机械工业出版社，2005.

6党宏社，韩崇昭，段战胜.汽车防碰撞报警与制动距离的确定.长安大学学报，2002，22（5）:89～91.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2014年7月15日。

Research on Active Control of Vehicle Anti-collision System

Song Baolin1，Zhou Qiyi2
（1.Henan Vocational and Technical College of Communications，2.Hainan Tropical Automobile Test Co.，Ltd）

A vehicle active anti-collision system is presented in this paper，in which its working principle is introduced，and its anti-collision control is studied.Firstly the safety distance model is analyzed according to vehicle kinetic theory.And vehicle longitudinal and lateral safety distance model which include safety critical distance，lock-in target distance，danger critical distance and limit critical distance are established.Then the danger targets are identified and classified based on safety distance model.Finally，the corresponding danger-prevention control strategy is established according to different degrees of danger.

Vehicle anti-collision system,Safety distance,Control strategy

汽车主动防撞系统安全车距控制策略

U461.91

A

1000-3703（2014）08-0028-04