呂凱光 李旋 韓天園 喬潔 劉永濤

（長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064）

主題詞：駕駛風(fēng)格 AEB控制策略 安全距離模型 聯(lián)合仿真

1 前言

根據(jù)美國(guó)高速公路安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）的研究報(bào)告，自動(dòng)緊急制動(dòng)（Autonomous Emergency Brake，AEB）系統(tǒng)可有效避免約38%因人為操縱不當(dāng)而造成的汽車追尾事故，交通事故率降低27%[1]。目前，基于安全距離、預(yù)碰撞時(shí)間的AEB控制策略日趨成熟，但是在實(shí)際應(yīng)用中避撞成功率仍比較低。張勇剛[2]認(rèn)為沒有考慮駕駛員個(gè)體差異、車輛制動(dòng)性能差異和交通路況因素等建立的控制策略模型處于理想條件，很容易造成AEB系統(tǒng)的誤制動(dòng)與誤報(bào)警。何仁[3]研究發(fā)現(xiàn)目前的AEB控制策略較為保守，保證了一定的安全性，但影響了駕駛員的舒適性，仍然需要更加靈活的避撞方式[4]來提高駕駛員的駕駛舒適性和行車安全性。

人為因素是影響駕駛行為和行車安全的主導(dǎo)性因素，駕駛員是人-車-路-環(huán)境系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分。因此，研究基于不同駕駛員特性的AEB控制策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。劉永濤[5]將駕駛員特性分為相對(duì)穩(wěn)定的靜態(tài)特性和相對(duì)不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性，分析了其對(duì)AEB控制策略的影響。Eben[6]提出了一種可以適應(yīng)不同駕駛員反應(yīng)時(shí)間與駕駛行為的碰撞預(yù)警算法，在一定程度上能滿足駕駛員的駕駛習(xí)慣。裴曉飛[7]通過統(tǒng)計(jì)分析駕駛員避撞行為中的反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)減速度，提出了碰撞時(shí)間余量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)了適用于不同駕駛員特性的分級(jí)預(yù)警和避撞算法。姜順明[8]引入駕駛狀態(tài)識(shí)別系數(shù)，將駕駛狀態(tài)分為激進(jìn)型、標(biāo)準(zhǔn)型和保守型3類，并將其用于最小安全距離修正，提出一種基于駕駛狀態(tài)識(shí)別的AEB控制策略。鄭剛[9]利用正交實(shí)驗(yàn)法和聚類分析法對(duì)不同駕駛員進(jìn)行分析，擬合了駕駛員反應(yīng)時(shí)間與車速的關(guān)系，修正了預(yù)警和制動(dòng)閾值。

由于影響駕駛員特性的因素較多，上述對(duì)駕駛員特性的研究大多從駕駛員反應(yīng)時(shí)間入手，缺乏對(duì)駕駛風(fēng)格和駕駛狀態(tài)的研究，且未定量說明駕駛風(fēng)格和駕駛狀態(tài)的判斷依據(jù)與分類界限。針對(duì)以上問題，本文根據(jù)AEB危險(xiǎn)場(chǎng)景下的駕駛員反應(yīng)時(shí)間和情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分，提出駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將駕駛員分為3種風(fēng)險(xiǎn)感知類型，即謹(jǐn)慎型、普通型和激進(jìn)型，在此基礎(chǔ)上基于不同駕駛風(fēng)格修正AEB控制策略。

2 基于情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分的駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)

2.1 駕駛風(fēng)格量化指標(biāo)

情境風(fēng)險(xiǎn)度用來表示危險(xiǎn)駕駛情境中存在駕駛風(fēng)險(xiǎn)的大小[10]。情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分（Score of Situational Risk Assessment，SSRA）越低，則駕駛情境存在的駕駛風(fēng)險(xiǎn)越大，駕駛員的駕駛風(fēng)格越激進(jìn)。在單個(gè)場(chǎng)景的情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分中，0表示無風(fēng)險(xiǎn)，1～5風(fēng)險(xiǎn)程度依次上升。情境風(fēng)險(xiǎn)度分為主觀情境風(fēng)險(xiǎn)度和客觀情境風(fēng)險(xiǎn)度。主觀情境風(fēng)險(xiǎn)度與駕駛員相關(guān)，通過模擬危險(xiǎn)駕駛情境下的試驗(yàn)得到；客觀情境風(fēng)險(xiǎn)度是情境固有的風(fēng)險(xiǎn)度，由一定數(shù)量的專家型駕駛員測(cè)試得到，即專家型駕駛員主觀情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分的平均值。駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)β表征在風(fēng)險(xiǎn)駕駛情境中駕駛員對(duì)客觀風(fēng)險(xiǎn)的主觀心理感受，反映了駕駛員的駕駛風(fēng)格，β值越大，駕駛風(fēng)格越謹(jǐn)慎：

式中，Ssubj為第j名駕駛員的主觀情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分；Sobj為客觀情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分；N1為危險(xiǎn)情境數(shù)量；N2為專家型駕駛員人數(shù)；Cij為第j名駕駛員對(duì)第i個(gè)主觀情境的風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)對(duì)象包括普通型駕駛員和專家型駕駛員。選取100 名年齡25～50 歲，有機(jī)動(dòng)車駕駛證且駕齡超過2年的駕駛員作為普通型駕駛員，其中男性和女性各50名；選取道路專家、交通警察以及經(jīng)驗(yàn)豐富的職業(yè)駕駛員共5名作為專家型駕駛員。

試驗(yàn)平臺(tái)為組裝的三聯(lián)屏駕駛模擬器，如圖1 所示，顯示系統(tǒng)為1 個(gè)三聯(lián)屏顯示器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)同步采集駕駛員模擬駕駛時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向盤、制動(dòng)踏板、油門踏板等操縱部件的操作數(shù)據(jù)。

圖1 駕駛模擬器試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)采用AEB系統(tǒng)可能觸發(fā)的部分危險(xiǎn)工況作為典型測(cè)試場(chǎng)景，包含3大類，每類場(chǎng)景包含5個(gè)視頻，具體場(chǎng)景描述如表1所示，基于危險(xiǎn)工況測(cè)試場(chǎng)景和駕駛模擬器完成試驗(yàn)軟、硬件搭建。

表1 AEB典型危險(xiǎn)工況測(cè)試部分場(chǎng)景

被試駕駛員在了解駕駛模擬器的基本操作，進(jìn)行多次重復(fù)練習(xí)后，進(jìn)行正式測(cè)試。在危險(xiǎn)工況視頻播放過程中，通過駕駛模擬器采集駕駛員反應(yīng)時(shí)間（松開油門踏板至踩下制動(dòng)踏板的時(shí)間間隔），視頻播放結(jié)束后，被試駕駛員進(jìn)行情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)分，之后進(jìn)行下一個(gè)場(chǎng)景測(cè)試，重復(fù)上述過程。

基于駕駛模擬器共采集到100例有效樣本，得到相應(yīng)的駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，計(jì)算出駕駛員的情境風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分和駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)，并擬合駕駛員反應(yīng)時(shí)間與駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖2 所示。可以看出，駕駛風(fēng)格比較激進(jìn)的駕駛員反應(yīng)時(shí)間較短，駕駛員反應(yīng)時(shí)間與駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)基本呈正相關(guān)關(guān)系。

圖2 駕駛員反應(yīng)時(shí)間與駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)的關(guān)系

由于AEB 系統(tǒng)與駕駛員的人機(jī)互動(dòng)性，只有系統(tǒng)性能與駕駛員的自身特點(diǎn)相符，才能保證系統(tǒng)在不干擾駕駛員正常操作的前提下盡可能提高駕駛能力。在本試驗(yàn)的樣本數(shù)量下可以看出，雖然由于個(gè)性化因素導(dǎo)致單個(gè)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間有差異，但整體來看，駕駛員行為特性呈現(xiàn)一定的人群聚類規(guī)律，見圖2。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行駕駛風(fēng)格的劃分，0.8≤β＜1.2 時(shí)判定駕駛風(fēng)格為普通型，β＜0.8 時(shí)判定為激進(jìn)型，β≥1.2 時(shí)判定為謹(jǐn)慎型。且β值越大，駕駛風(fēng)格越謹(jǐn)慎。

根據(jù)聚類后不同駕駛風(fēng)格駕駛員的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制如圖3 所示的駕駛員風(fēng)格類型與平均反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。從圖3 中可以看出，激進(jìn)型、普通型以及謹(jǐn)慎型駕駛員的平均反應(yīng)時(shí)間依次升高，且聚類后的駕駛員駕駛風(fēng)格與反應(yīng)時(shí)間仍存在相關(guān)線性關(guān)系。

圖3 駕駛員風(fēng)格類型與平均反應(yīng)時(shí)間關(guān)系

3 基于不同駕駛員駕駛風(fēng)格的AEB控制策略

3.1 基于車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)的安全距離模型

車輛行駛過程中，設(shè)自車與前車的速度分別為v1、v2，相對(duì)速度為vrel，兩車相對(duì)距離為d。當(dāng)AEB系統(tǒng)檢測(cè)到相對(duì)距離d到達(dá)臨界報(bào)警距離dw時(shí)，AEB系統(tǒng)通過聲音、圖像等進(jìn)行預(yù)警；當(dāng)相對(duì)距離d到達(dá)臨界制動(dòng)距離dbr時(shí)，AEB系統(tǒng)開始進(jìn)行緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)過程中兩車行駛距離分別為d1、d2，此時(shí)車輛的最小安全距離為d0=d2+dbr-d1。車輛制動(dòng)過程中安全距離模型如圖4所示。

圖4 安全距離模型

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，結(jié)合馬自達(dá)（Mazda）[11]、本田（Honda）[12]安全距離控制策略，AEB 控制策略的制動(dòng)安全距離和預(yù)警安全距離模型分別為：

式中，a1、a2分別為自車和前車的最大制動(dòng)減速度；t1、t2分別為系統(tǒng)延遲時(shí)間和駕駛員反應(yīng)時(shí)間；t0為駕駛員允許的預(yù)警最小安全時(shí)間，即時(shí)間系數(shù)。

3.2 基于駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)的安全距離修正模型

目前采用固定駕駛員反應(yīng)時(shí)間和最小安全距離參數(shù)建立的汽車防撞控制模型，對(duì)于駕駛風(fēng)格比較激進(jìn)的駕駛員來說安全時(shí)間和安全距離過于保守，AEB系統(tǒng)制動(dòng)頻繁，影響駕駛員的操作和駕駛體驗(yàn)，對(duì)于駕駛風(fēng)格比較謹(jǐn)慎的駕駛員來說安全時(shí)間和安全距離過于激進(jìn)，AEB系統(tǒng)響應(yīng)遲緩，不能保證行車安全。

AEB控制策略與個(gè)性化的駕駛員反應(yīng)時(shí)間、時(shí)變化的路面附著系數(shù)以及差異化的車輛制動(dòng)時(shí)延等因素密切相關(guān)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究?jī)?nèi)容[13]和本文設(shè)置的仿真環(huán)境（水平良好路面），在保證相對(duì)安全性與舒適性的條件下，對(duì)一些與駕駛員特性不相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了理想化處理：路面附著系數(shù)取極大值0.8，即自車和目標(biāo)車的最大制動(dòng)減速度a1=a2=7.8 m/s2，取t1=0.2 s、t0=2.2 s。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外安全距離模型的研究，駕駛員反應(yīng)時(shí)間一般取0.8～2.0 s，最小安全距離一般取2～5 m，上述參數(shù)是通過試驗(yàn)獲得的簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在控制策略中一般取某一固定值，不隨實(shí)際情況而動(dòng)態(tài)變化，很容易導(dǎo)致AEB系統(tǒng)在人-車-路-環(huán)境耦合狀態(tài)下發(fā)生失效?？紤]到不同駕駛風(fēng)格駕駛員的個(gè)性化反應(yīng)時(shí)間以及對(duì)制動(dòng)結(jié)束后前、后車最小安全距離的心理預(yù)期，在設(shè)計(jì)新的制動(dòng)與預(yù)警安全距離模型時(shí)應(yīng)考慮到駕駛員的上述個(gè)性化需求，提高其駕駛舒適性和行車安全性。本文取t2=1.25 s，d0=3 m，并根據(jù)前文提出的駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)β與駕駛員反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系以及不同駕駛風(fēng)格駕駛員對(duì)最小安全距離的心理預(yù)期，對(duì)駕駛員反應(yīng)時(shí)間、最小安全距離進(jìn)行修正，提出基于不同駕駛員駕駛風(fēng)格的AEB安全距離模型：

式中，tm、dm分別為修正后的駕駛員反應(yīng)時(shí)間、最小安全距離；ε為危險(xiǎn)系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]提出的危險(xiǎn)系數(shù)概念，可以對(duì)駕駛危險(xiǎn)狀況進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)ε選擇合適的制動(dòng)減速度。部分制動(dòng)時(shí)，為了保證人體的舒適性，制動(dòng)減速度分別取0.4g和0.6g；全力制動(dòng)時(shí)，為了保證車輛的安全性，制動(dòng)減速度取最大值0.8g（取g=10 m/s2），如表2所示。

表2 不同危險(xiǎn)系數(shù)下的制動(dòng)減速度

4 AEB安全距離控制策略仿真與驗(yàn)證

為驗(yàn)證不同駕駛風(fēng)格下的AEB 安全距離控制策略，利用Trucksim 與Simulink 進(jìn)行聯(lián)合仿真，其控制模塊與執(zhí)行邏輯如圖5 所示。安全距離計(jì)算模塊通過傳感器獲取前、后車的相對(duì)距離、相對(duì)速度等信息，計(jì)算出預(yù)警安全距離和制動(dòng)安全距離；危險(xiǎn)狀況判斷模塊通過危險(xiǎn)系數(shù)判斷危險(xiǎn)工況，決策出期望的車輛制動(dòng)減速度；PID控制器模塊選取PID控制器合適的比例、積分和微分參數(shù)值，將期望制動(dòng)減速度轉(zhuǎn)化為制動(dòng)壓力；制動(dòng)力分配模塊利用ABS邏輯門限調(diào)節(jié)輪缸壓力[15]，完成制動(dòng)力分配，避免車輪抱死；車輛動(dòng)力學(xué)模塊通過自車的整車質(zhì)量、軸距等固定參數(shù)以及路面的附著系數(shù)，得到實(shí)時(shí)狀態(tài)下的車輛速度、輪速以及行駛位移等參數(shù)，建立車輛動(dòng)力學(xué)模型。

圖5 聯(lián)合仿真控制模塊與執(zhí)行邏輯

2018 年版的中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（China-New Car Assessment Programme，C-NCAP）的AEB 追尾（Car-to-Car Rear，CCR）測(cè)試包括前車靜止（Car-to-Car Rear Stationary，CCRs）、前車運(yùn)動(dòng)（Car-to-Car Rear Moving，CCRm）和前車制動(dòng)（Car-to-Car Rear Braking，CCRb）3種測(cè)試場(chǎng)景。本文分別選取謹(jǐn)慎型、普通型和激進(jìn)型3種駕駛風(fēng)格（駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)分別取1.3、1.0和0.5）進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為簡(jiǎn)化測(cè)試流程，選取的測(cè)試工況分別為：

a.CCRs測(cè)試工況：目標(biāo)車輛靜止，自車以40 km/h的速度接近目標(biāo)車輛，兩車相距50 m；

b.CCRm測(cè)試工況：目標(biāo)車輛以20 km/h的速度勻速行駛，自車以40 km/h的速度接近目標(biāo)車輛，兩車相距50 m。

c.CCRb測(cè)試工況：目標(biāo)車輛和自車相距40 m，分別以50 km/h的速度行駛，目標(biāo)車輛以6 m/s2的制動(dòng)減速度制動(dòng)。

3 種不同駕駛風(fēng)格在前車靜止、勻速及減速等3 種不同測(cè)試工況下的安全距離模型仿真結(jié)果如圖6～圖8和表3所示。

圖6 CCRs測(cè)試工況仿真結(jié)果

圖7 CCRm測(cè)試工況仿真結(jié)果

圖8 CCRb測(cè)試工況仿真結(jié)果

表3 測(cè)試工況仿真結(jié)果

由圖6～圖8 和表3 可以看出，在3 種測(cè)試工況下，AEB 系統(tǒng)的觸發(fā)次數(shù)、觸發(fā)時(shí)間、停止間距和制動(dòng)減速度不盡相同。CCRb測(cè)試工況與CCRs和CCRm相比，制動(dòng)減速度控制精度高，但車輛停止后的最小安全距離較大?？偟膩砜?，在3種測(cè)試工況中，謹(jǐn)慎型、普通型、激進(jìn)型駕駛員的AEB系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)間和最小安全距離依次遞增。根據(jù)表3中AEB的觸發(fā)時(shí)間和停止間距可以看出，不同駕駛風(fēng)格駕駛員對(duì)AEB系統(tǒng)的觸發(fā)時(shí)間和最小安全距離的心理預(yù)期不同，基于駕駛風(fēng)格識(shí)別的AEB控制策略從時(shí)間尺度和距離尺度2個(gè)方面修正和協(xié)調(diào)了臨界制動(dòng)時(shí)間和安全距離，在保證安全性的前提下，考慮了駕駛員的個(gè)性化需求，比較符合駕駛員的心理預(yù)期。

5 結(jié)束語

為考慮個(gè)性化的駕駛風(fēng)格對(duì)AEB 控制策略的影響，本文通過引入駕駛風(fēng)格識(shí)別系數(shù)，從時(shí)間尺度和距離尺度修正了AEB 安全距離模型，提出了一種基于不同駕駛員駕駛風(fēng)格的AEB控制策略，得到以下結(jié)論：

a.謹(jǐn)慎型、普通型和激進(jìn)型駕駛員對(duì)反應(yīng)時(shí)間和最小安全距離具有不同的心理預(yù)期，激進(jìn)型駕駛員與普通型、謹(jǐn)慎型駕駛員相比，所需要的安全距離和駕駛員反應(yīng)時(shí)間更短。

b.基于不同駕駛風(fēng)格的AEB 安全距離模型在保證安全性的前提下，有效提高了駕駛員的舒適性和對(duì)AEB系統(tǒng)的接受度。

本文只對(duì)修正的模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，沒有開展實(shí)車試驗(yàn)，算法對(duì)于不同駕駛風(fēng)格駕駛員的滿意度以及實(shí)際應(yīng)用推廣還需進(jìn)一步研究。