江路明（1963-）

    男，江西遂川人，副教授、工程師。主要研究方向為電子信息及自動(dòng)化技術(shù)。2007年獲江西省高等學(xué)校中青年骨干教師。


    摘  要：根據汽車(chē)主動(dòng)避撞雷達系統中保障安全和及時(shí)預警兩方面的實(shí)際要求，比較了各種報警算法，在結合汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程運動(dòng)學(xué)分析的基礎上，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警模式，并進(jìn)行了仿真分析，結果表明，該算法快速、準確，可靠性高。

    關(guān)鍵詞：駕駛員模型；防撞；安全預警

    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(chē)防撞雷達的研制需要綜合考慮系統的性能、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)現性上考慮，厘米波汽車(chē)防撞預警雷達系統對通行的汽車(chē)防撞雷達的功能和工作體制進(jìn)行了相應簡(jiǎn)化和修正。系統方案主要針對碰撞預警應用進(jìn)行設計。使用時(shí)，駕駛員設定雷達的預警條件，主要是車(chē)輛與前方目標的相對距離和相對速度。雷達對前方目標進(jìn)行檢測，若發(fā)現目標，對目標距離、速度和方向進(jìn)行測量，同時(shí)判斷目標與車(chē)輛是否在同一車(chē)道上，若是，對目標的距離、速度與設定條件進(jìn)行比較，達到預警條件時(shí)，雷達向駕駛員進(jìn)行聲光預警。

    1 安全距離模型

    行車(chē)過(guò)程中的危險估算與安全決策是學(xué)術(shù)界的主要研究?jì)热葜?，但幾乎所有的研究均圍繞制動(dòng)距離建模而進(jìn)行。本文在分析現有研究成果基礎上，對安全距離計算模式及相關(guān)原理進(jìn)行討論。預警算法的建立，需要考慮到實(shí)際交通規則、交通習慣、駕駛員特性等因素。預警算法作為汽車(chē)主動(dòng)防撞系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內外研究人員都在對其進(jìn)行深入的研究。研究類(lèi)型主要包括：車(chē)頭時(shí)距報警算法；駕駛員預估模型算法；防止追尾發(fā)生的臨界距離；駕駛員駕駛狀態(tài)等模式。

    車(chē)頭時(shí)距報警算法，從實(shí)際高速公路汽車(chē)行駛過(guò)程的大量實(shí)驗統計數據中提取出來(lái)的，較有代表性。但沒(méi)有考慮車(chē)輛行駛的所有工況，不完全適用于汽車(chē)安全報警。駕駛員預估模型算法通過(guò)考察駕駛員的駕駛習慣而來(lái)，并通過(guò)大量實(shí)驗數據獲得相關(guān)的模型特性參數，使計算結果貼近駕駛員主觀(guān)感受，但是該算法的模型特性參數難以直接測量，給算法的實(shí)現帶來(lái)困難。從制動(dòng)過(guò)程的運動(dòng)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(méi)有考慮駕駛員主觀(guān)特性，難以用于實(shí)際情況。而在運動(dòng)學(xué)分析的基礎上加入對駕駛員駕駛狀態(tài)的判斷，雖然提高了計算結果可靠性，但是新參量涉及信號處理等一系列復雜的技術(shù)問(wèn)題，在目前的工程應用和推廣中還有很大困難。本文根據汽車(chē)主動(dòng)避撞系統中保障安全和及時(shí)預警兩方面的實(shí)際要求，比較了各種報警算法，在結合汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程運動(dòng)學(xué)分析的基礎上，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(chē)頭時(shí)間距算法

    車(chē)頭時(shí)距算法可表示為：xw =vc · thw+ xoff （1）

    式中：vc為本車(chē)車(chē)速；xw表示安全距離；thw為一定的車(chē)頭時(shí)間距離，一般采用1.0~2.0s比較適宜；xoff是適當停車(chē)距離。

    在實(shí)際公路上，選取合適的車(chē)頭時(shí)距thw值能在一定程度上反映駕駛員的主觀(guān)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(mén)限值，低于該數值就報警。算法可表示為：xw=C， （2）

     一般C可根據各個(gè)車(chē)速下的制動(dòng)距離而定。

    2.3 駕駛員預估模型報警算法

                   
                                     圖1   駕駛員判斷示意圖

    駕駛員預估模型報警法是根據駕駛員預估行為確定安全距離的方法。如圖1所示，駕駛員先估計現有相對速度和相對車(chē)距，接著(zhù)預測短時(shí)間T內的運動(dòng)變化，若T時(shí)間后距離恰好等于的最小安全距離xlim，則當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為目標車(chē)輛減速度。

    與車(chē)頭時(shí)距法相比，駕駛員預估模型算法重視人的主觀(guān)感受，xlim算式中考慮到了前車(chē)靜止、減速運動(dòng)等工況。但是模型中的關(guān)鍵參數，例如T、at的值較難確定，算法的準確度難以得到保證。
 
     3 駕駛員模型安全報警算法
 
     根據上述方法的優(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：

     （1）從駕駛員聽(tīng)到報警到制動(dòng)系統開(kāi)始作用有固定的延遲時(shí)間，忽略該時(shí)間內的制動(dòng)力變化；

     （2）前車(chē)在時(shí)間內將保持當前的運動(dòng)狀態(tài)，勻速或勻減速運動(dòng)；

     （3）本車(chē)在時(shí)間內保持勻速運動(dòng)，不考慮時(shí)內本車(chē)的加速；

     （4）本車(chē)和前車(chē)具有相同的制動(dòng)效能。

     和駕駛員預估模型方法比較，報警起始時(shí)刻和制動(dòng)系統起效時(shí)刻容易記錄，所以該延遲時(shí)間可以較準確地直接測得。令xlim由制動(dòng)過(guò)程相對位移xbr和停車(chē)距離xoff組成，由此得：
                        （4）
                        xlim=xbr+xoff    
                                            
    式(4)中：△a為本車(chē)相對前車(chē)的加速度，在假設條件成立時(shí)就等于目標車(chē)減速度值at；停車(chē)距離xoff可以認為是某一常數；xbr是制動(dòng)力開(kāi)始作用后整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中兩車(chē)的相對位移，是根據不同運動(dòng)狀態(tài)選取的不同形式的關(guān)于車(chē)速的函數。

     3.1 前車(chē)靜止

     設制動(dòng)相對位移就是當前車(chē)速下以主觀(guān)最大減速度減速到零所通過(guò)的距離，即： （5）

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

    3.2 前車(chē)緊急制動(dòng)

    前車(chē)開(kāi)始緊急制動(dòng)直至停車(chē)，后車(chē)在時(shí)間后也緊急制動(dòng)。取xbr為時(shí)間以后直到兩車(chē)都停止的這段時(shí)間內兩車(chē)的相對位移。圖2給出了滿(mǎn)足假設條件（4）的兩車(chē)的車(chē)速-時(shí)間函數關(guān)系，按照初速度比較結果分為3種情況。 
                  

                              圖2   等效制動(dòng)模型

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

    當兩車(chē)初速度相同時(shí)：  （8）

    式（8）和車(chē)頭時(shí)距報警算法的表達式相似，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(kāi)假設條件（4），假定前車(chē)依舊緊急制動(dòng)（減速度為amax），而本車(chē)能夠正常制動(dòng)（減速度ac），模擬更為謹慎的駕駛風(fēng)格。如圖3所示。計算式為： （9）

    式中的amax和ac都是典型經(jīng)驗值。

                   
                            圖3   非等效制動(dòng)模型

    3.3 前車(chē)正常運動(dòng)

    車(chē)輛正常行駛中速度基本保持不變或者變化緩慢。車(chē)輛正常減速時(shí)減速度典型值僅為1.5m/s2左右，后車(chē)駕駛員能夠及時(shí)調節本車(chē)的運動(dòng)，只需要比較小的距離來(lái)克服相對速度的變化對兩車(chē)跟隨狀態(tài)的影響。整個(gè)過(guò)程中前車(chē)速度變化不大， 時(shí)間內忽略不計， 時(shí)間后后車(chē)制動(dòng)起效，取xbr為以主觀(guān)最大相對減速度△amax消除相對運動(dòng)而產(chǎn)生的位移。代入式（4）得：
（10）

    3.4 多級安全報警

    根據以上分析，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(chē)運動(dòng)情況下，可以用式（7）來(lái)計算確保不發(fā)生碰撞的安全保障距離，用式（10）結果作為跟車(chē)追趕時(shí)的最低安全保障距離，用式（9）的結果作為謹慎行車(chē)指導，這就為設立多級安全報警創(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，也是本系統不同于一般僅針對高速行駛工況預警模型之處。

    4 仿真分析

    在改進(jìn)算法中，和△amax可以在實(shí)際行駛過(guò)程中得到。是在車(chē)輛正常行駛中當報警裝置給出警報信號，駕駛員隨即作出反應，從起始時(shí)刻和到開(kāi)始制動(dòng)需要的延遲時(shí)間?！鱝max可根據公路上車(chē)輛行駛情況得到，前車(chē)自由行駛，后車(chē)主動(dòng)跟隨。通過(guò)前車(chē)的速度變化，記錄后車(chē)速度、距離以及所采取的行動(dòng)，總結不同車(chē)速下的主觀(guān)安全距離，可以驗證經(jīng)驗的主觀(guān)最大減速度amax。仿真分析可取經(jīng)驗值 =1.25s，amax =7m/s2，相應地取△amax =3m/s2。

    4.1 前車(chē)靜止時(shí)算法的比較分析

    設F-D表示固定車(chē)距法，T-H表示車(chē)頭時(shí)距法，D-M表示駕駛員預估模型法，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果對比如圖4所示。

                         
                               圖4   報警距離的結果對比

    采用固定車(chē)距法的曲線(xiàn)取值是不同的速度區間的經(jīng)驗值，一定程度上可以作為其他算法結果是否準確的評判參考。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，車(chē)頭時(shí)距模型計算結果稍大，容易發(fā)生過(guò)多報警而會(huì )引起駕駛員反感；高速段駕駛員控制力低，報警距離應該適當放寬，車(chē)頭時(shí)距法己偏離了參考值，故不可取。而改進(jìn)算法較之駕駛員預估模型算法，曲線(xiàn)形態(tài)基本一致，這說(shuō)明對原參量物理意義重新定義后仍然符合主觀(guān)標準。

     4.2 前車(chē)運動(dòng)時(shí)算法的比較分析

    考慮前車(chē)緊急制動(dòng)情況。設兩車(chē)起始速度相同，駕駛員預估模型的算式就等同于車(chē)頭時(shí)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）得到更謹慎的行車(chē)指導值（A-D-Mh），比較結果如圖5所示。車(chē)頭時(shí)距法廣泛應用于高速公路的行車(chē)指導，實(shí)際需要的報警距離應以此為參照而略有降低。式（7）結果滿(mǎn)足了這一需要；式（9）結果略大，可用作初步提醒，適合謹慎的駕駛員使用。

    考慮前車(chē)正常行駛，若兩車(chē)有相對運動(dòng)的整個(gè)動(dòng)態(tài)追逐過(guò)程，加入最低安全保障，即式（10）。假定前車(chē)在前方50m，初速度60km/h，做緩慢的勻減速行駛，本車(chē)以60km/h的初速度和2m/s2的加速度追趕，結果對比如圖6所示。

    各報警曲線(xiàn)和實(shí)際距離曲線(xiàn)S相交點(diǎn)為報警時(shí)刻。圖中改進(jìn)算法的謹慎行車(chē)指導值和高安全保障值最先報警，預防前車(chē)緊急制動(dòng)。最低安全保障值是防止碰撞要求的最低安全距離，隨時(shí)間推移，相對速度過(guò)大時(shí)，駕駛員預估模型算法和車(chē)頭時(shí)距法的結果將小于該值而失效。因此，不考慮前車(chē)緊急制動(dòng)，在兩車(chē)相對速度較大時(shí)，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(chē)低速行駛狀態(tài)。

                      
                         圖5   兩車(chē)運動(dòng)的安全距離計算
                    

                             圖6   追趕過(guò)程各算法比較

    5 小結

    研制開(kāi)發(fā)汽車(chē)防撞系統對于減少交通安全隱患、提高運輸能力，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)汽車(chē)電子領(lǐng)域，具有重要現實(shí)意義和廣闊前景，有利于我國汽車(chē)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(chē)主動(dòng)防撞預警系統中的應用，對于提高汽車(chē)行駛安全系數具有重要的現實(shí)意義。

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                                                              ——轉自《自動(dòng)化博覽》