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   江路明（1963-）

    男，江西遂川人，副教授、工程師。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓白詣踊夹g(shù)。2007年獲江西省高等學(xué)校中青年骨干教師。


    摘  要：根據(jù)汽車主動避撞雷達(dá)系統(tǒng)中保障安全和及時預(yù)警兩方面的實(shí)際要求，比較了各種報警算法，在結(jié)合汽車制動過程運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，引入了一種安全性更高，且不同于普通安全距離模型的基于駕駛員模型安全報警算法的多級安全預(yù)警模式，并進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，該算法快速、準(zhǔn)確，可靠性高。

    關(guān)鍵詞：駕駛員模型；防撞；安全預(yù)警

    Abstract: According to the practical requirements of the vehicle collision avoidance and the timely pre-warning of the radar system, based on evaluation on a variety of alarm algorithms, in conjunction with the kinematic analysis of the automobile brake, this paper introduces a safer  pre-warning method, which, different from the traditional distance model based method, is the driver model based multi-level security pre-warning one. Simulated experiments are performed, and results shows that our algorithm is fast, accurate, and reliable.

    Key words: Driver model; Anti-collision; Security early warning

    汽車防撞雷達(dá)的研制需要綜合考慮系統(tǒng)的性能、成本和技術(shù)可行性。受技術(shù)水平和科研條件限制，從技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性上考慮，厘米波汽車防撞預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)對通行的汽車防撞雷達(dá)的功能和工作體制進(jìn)行了相應(yīng)簡化和修正。系統(tǒng)方案主要針對碰撞預(yù)警應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計。使用時，駕駛員設(shè)定雷達(dá)的預(yù)警條件，主要是車輛與前方目標(biāo)的相對距離和相對速度。雷達(dá)對前方目標(biāo)進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，對目標(biāo)距離、速度和方向進(jìn)行測量，同時判斷目標(biāo)與車輛是否在同一車道上，若是，對目標(biāo)的距離、速度與設(shè)定條件進(jìn)行比較，達(dá)到預(yù)警條件時，雷達(dá)向駕駛員進(jìn)行聲光預(yù)警。

    1 安全距離模型

    行車過程中的危險估算與安全決策是學(xué)術(shù)界的主要研究內(nèi)容之一，但幾乎所有的研究均圍繞制動距離建模而進(jìn)行。本文在分析現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，對安全距離計算模式及相關(guān)原理進(jìn)行討論。預(yù)警算法的建立，需要考慮到實(shí)際交通規(guī)則、交通習(xí)慣、駕駛員特性等因素。預(yù)警算法作為汽車主動防撞系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外研究人員都在對其進(jìn)行深入的研究。研究類型主要包括：車頭時距報警算法；駕駛員預(yù)估模型算法；防止追尾發(fā)生的臨界距離；駕駛員駕駛狀態(tài)等模式。

    車頭時距報警算法，從實(shí)際高速公路汽車行駛過程的大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中提取出來的，較有代表性。但沒有考慮車輛行駛的所有工況，不完全適用于汽車安全報警。駕駛員預(yù)估模型算法通過考察駕駛員的駕駛習(xí)慣而來，并通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得相關(guān)的模型特性參數(shù)，使計算結(jié)果貼近駕駛員主觀感受，但是該算法的模型特性參數(shù)難以直接測量，給算法的實(shí)現(xiàn)帶來困難。從制動過程的運(yùn)動學(xué)方程出發(fā)，分析防止追尾發(fā)生的臨界距離的模式，沒有考慮駕駛員主觀特性，難以用于實(shí)際情況。而在運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上加入對駕駛員駕駛狀態(tài)的判斷，雖然提高了計算結(jié)果可靠性，但是新參量涉及信號處理等一系列復(fù)雜的技術(shù)問題，在目前的工程應(yīng)用和推廣中還有很大困難。本文根據(jù)汽車主動避撞系統(tǒng)中保障安全和及時預(yù)警兩方面的實(shí)際要求，比較了各種報警算法，在結(jié)合汽車制動過程運(yùn)動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，引入一種基于駕駛員模型的安全報警算法。

    2 常用安全報警算法

    2.1 車頭時間距算法

    車頭時距算法可表示為：xw =vc · thw+ xoff （1）

    式中：vc為本車車速；xw表示安全距離；thw為一定的車頭時間距離，一般采用1.0~2.0s比較適宜；xoff是適當(dāng)停車距離。

    在實(shí)際公路上，選取合適的車頭時距thw值能在一定程度上反映駕駛員的主觀判斷，但是該算法不適用于對靜止障礙物的報警。

     2.2 固定距離保持法

     以固定的距離C作為門限值，低于該數(shù)值就報警。算法可表示為：xw=C， （2）

     一般C可根據(jù)各個車速下的制動距離而定。

    2.3 駕駛員預(yù)估模型報警算法

                   
                                     圖1   駕駛員判斷示意圖

    駕駛員預(yù)估模型報警法是根據(jù)駕駛員預(yù)估行為確定安全距離的方法。如圖1所示，駕駛員先估計現(xiàn)有相對速度和相對車距，接著預(yù)測短時間T內(nèi)的運(yùn)動變化，若T時間后距離恰好等于的最小安全距離xlim，則當(dāng)前距離為報警臨界距離。公式為：
   （3）

    式中：△v為初始相對速度，at為目標(biāo)車輛減速度。

    與車頭時距法相比，駕駛員預(yù)估模型算法重視人的主觀感受，xlim算式中考慮到了前車靜止、減速運(yùn)動等工況。但是模型中的關(guān)鍵參數(shù)，例如T、at的值較難確定，算法的準(zhǔn)確度難以得到保證。
 
     3 駕駛員模型安全報警算法
 
     根據(jù)上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，引入一種新的基于駕駛員模型的安全報警算法。首先進(jìn)行以下假設(shè)：

     （1）從駕駛員聽到報警到制動系統(tǒng)開始作用有固定的延遲時間，忽略該時間內(nèi)的制動力變化；

     （2）前車在時間內(nèi)將保持當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)，勻速或勻減速運(yùn)動；

     （3）本車在時間內(nèi)保持勻速運(yùn)動，不考慮時內(nèi)本車的加速；

     （4）本車和前車具有相同的制動效能。

     和駕駛員預(yù)估模型方法比較，報警起始時刻和制動系統(tǒng)起效時刻容易記錄，所以該延遲時間可以較準(zhǔn)確地直接測得。令xlim由制動過程相對位移xbr和停車距離xoff組成，由此得：
                        （4）
                        xlim=xbr+xoff    
                                            
    式(4)中：△a為本車相對前車的加速度，在假設(shè)條件成立時就等于目標(biāo)車減速度值at；停車距離xoff可以認(rèn)為是某一常數(shù)；xbr是制動力開始作用后整個制動過程中兩車的相對位移，是根據(jù)不同運(yùn)動狀態(tài)選取的不同形式的關(guān)于車速的函數(shù)。

     3.1 前車靜止

     設(shè)制動相對位移就是當(dāng)前車速下以主觀最大減速度減速到零所通過的距離，即： （5）

    其中，amax為駕駛員主觀認(rèn)為的自車最大制動減速度，其值取決于具體的行駛工況。這樣得到前車靜止條件下的算法表達(dá)式為：  （6）
 
    從形式上看上式和駕駛員預(yù)估模型一致，但算式的物理意義完全不一樣。

    3.2 前車緊急制動

    前車開始緊急制動直至停車，后車在時間后也緊急制動。取xbr為時間以后直到兩車都停止的這段時間內(nèi)兩車的相對位移。圖2給出了滿足假設(shè)條件（4）的兩車的車速-時間函數(shù)關(guān)系，按照初速度比較結(jié)果分為3種情況。 
                  

                              圖2   等效制動模型

    圖中vt表示目標(biāo)車的速度，陰影部分面積為式（7）中的前兩項的和，兩車速度曲線包圍的多邊形的剩余面積就是xbr。計算兩曲線包圍的多邊形面積，可得： （7）

    當(dāng)兩車初速度相同時：  （8）

    式（8）和車頭時距報警算法的表達(dá)式相似，但各參量的物理含義和實(shí)際取值不同，更易于測量。進(jìn)一步分析，拋開假設(shè)條件（4），假定前車依舊緊急制動（減速度為amax），而本車能夠正常制動（減速度ac），模擬更為謹(jǐn)慎的駕駛風(fēng)格。如圖3所示。計算式為： （9）

    式中的amax和ac都是典型經(jīng)驗(yàn)值。

                   
                            圖3   非等效制動模型

    3.3 前車正常運(yùn)動

    車輛正常行駛中速度基本保持不變或者變化緩慢。車輛正常減速時減速度典型值僅為1.5m/s2左右，后車駕駛員能夠及時調(diào)節(jié)本車的運(yùn)動，只需要比較小的距離來克服相對速度的變化對兩車跟隨狀態(tài)的影響。整個過程中前車速度變化不大， 時間內(nèi)忽略不計， 時間后后車制動起效，取xbr為以主觀最大相對減速度△amax消除相對運(yùn)動而產(chǎn)生的位移。代入式（4）得：
（10）

    3.4 多級安全報警

    根據(jù)以上分析，針對不同的行駛工況可以采取不同的計算方式。尤其在前車運(yùn)動情況下，可以用式（7）來計算確保不發(fā)生碰撞的安全保障距離，用式（10）結(jié)果作為跟車追趕時的最低安全保障距離，用式（9）的結(jié)果作為謹(jǐn)慎行車指導(dǎo)，這就為設(shè)立多級安全報警創(chuàng)造了條件，為不同駕駛風(fēng)格的駕駛員提供了各自的選擇，也是本系統(tǒng)不同于一般僅針對高速行駛工況預(yù)警模型之處。

    4 仿真分析

    在改進(jìn)算法中，和△amax可以在實(shí)際行駛過程中得到。是在車輛正常行駛中當(dāng)報警裝置給出警報信號，駕駛員隨即作出反應(yīng)，從起始時刻和到開始制動需要的延遲時間。△amax可根據(jù)公路上車輛行駛情況得到，前車自由行駛，后車主動跟隨。通過前車的速度變化，記錄后車速度、距離以及所采取的行動，總結(jié)不同車速下的主觀安全距離，可以驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)的主觀最大減速度amax。仿真分析可取經(jīng)驗(yàn)值 =1.25s，amax =7m/s2，相應(yīng)地取△amax =3m/s2。

    4.1 前車靜止時算法的比較分析

    設(shè)F-D表示固定車距法，T-H表示車頭時距法，D-M表示駕駛員預(yù)估模型法，A-D-M為改進(jìn)駕駛員模型報警算法，報警距離在這幾種算法下的結(jié)果對比如圖4所示。

                         
                               圖4   報警距離的結(jié)果對比

    采用固定車距法的曲線取值是不同的速度區(qū)間的經(jīng)驗(yàn)值，一定程度上可以作為其他算法結(jié)果是否準(zhǔn)確的評判參考。其余二者差別主要在高速段。低速段屬于駕駛員控制靈活區(qū)，車頭時距模型計算結(jié)果稍大，容易發(fā)生過多報警而會引起駕駛員反感；高速段駕駛員控制力低，報警距離應(yīng)該適當(dāng)放寬，車頭時距法己偏離了參考值，故不可取。而改進(jìn)算法較之駕駛員預(yù)估模型算法，曲線形態(tài)基本一致，這說明對原參量物理意義重新定義后仍然符合主觀標(biāo)準(zhǔn)。

     4.2 前車運(yùn)動時算法的比較分析

    考慮前車緊急制動情況。設(shè)兩車起始速度相同，駕駛員預(yù)估模型的算式就等同于車頭時距法，若采用改進(jìn)算法，式（7）得到較高安全保障值（A-D-Mm），式（9）得到更謹(jǐn)慎的行車指導(dǎo)值（A-D-Mh），比較結(jié)果如圖5所示。車頭時距法廣泛應(yīng)用于高速公路的行車指導(dǎo)，實(shí)際需要的報警距離應(yīng)以此為參照而略有降低。式（7）結(jié)果滿足了這一需要；式（9）結(jié)果略大，可用作初步提醒，適合謹(jǐn)慎的駕駛員使用。

    考慮前車正常行駛，若兩車有相對運(yùn)動的整個動態(tài)追逐過程，加入最低安全保障，即式（10）。假定前車在前方50m，初速度60km/h，做緩慢的勻減速行駛，本車以60km/h的初速度和2m/s2的加速度追趕，結(jié)果對比如圖6所示。

    各報警曲線和實(shí)際距離曲線S相交點(diǎn)為報警時刻。圖中改進(jìn)算法的謹(jǐn)慎行車指導(dǎo)值和高安全保障值最先報警，預(yù)防前車緊急制動。最低安全保障值是防止碰撞要求的最低安全距離，隨時間推移，相對速度過大時，駕駛員預(yù)估模型算法和車頭時距法的結(jié)果將小于該值而失效。因此，不考慮前車緊急制動，在兩車相對速度較大時，采用改進(jìn)算法才能夠提供最低安全保障，而且該算法也可以適用于汽車低速行駛狀態(tài)。

                      
                         圖5   兩車運(yùn)動的安全距離計算
                    

                             圖6   追趕過程各算法比較

    5 小結(jié)

    研制開發(fā)汽車防撞系統(tǒng)對于減少交通安全隱患、提高運(yùn)輸能力，并進(jìn)一步開發(fā)汽車電子領(lǐng)域，具有重要現(xiàn)實(shí)意義和廣闊前景，有利于我國汽車智能化緊跟國際先進(jìn)的發(fā)展水平，基于駕駛員模型安全報警算法在汽車主動防撞預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于提高汽車行駛安全系數(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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                                                              ——轉(zhuǎn)自《自動化博覽》