CN111994073B

CN111994073B - 一种自动紧急制动控制方法

Info

Publication number: CN111994073B
Application number: CN202010710810.1A
Authority: CN
Inventors: 张欣; 辛佳庚; 张宝迪
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111994073A

Abstract

本申请属于交通安全技术领域，特别是涉及一种自动紧急制动控制方法。然而当前自动制动控制技术难以同时兼顾预警时间和安全距离。本申请提供了一种自动紧急制动控制方法，所述方法包括，制定自动紧急制动控制策略，所述自动紧急制动控制策略包括自动紧急制动控制算法、分层控制系统和制动力分配子策略；综合前方目标运动信息和自车运动信息对碰撞危险进行判断，并给出预警和制动的操作；预警时段采用碰撞时间算法，将要制动时段使用安全距离算法；将控制信号依次传递至第一层控制器和第二层控制器，使控制效果及预期尽可能保持一致；通过制动力分配子策略产生制动力，从而实现自动制动。在保证安全性的同时避免过急的制动。

Description

一种自动紧急制动控制方法

技术领域

本申请属于交通安全技术领域，特别是涉及一种自动紧急制动控制方法。

背景技术

自动紧急制动(AEB,Autonomous Emergency Braking)是通过自动紧急制动来避免或者缓解碰撞的一种主动安全技术，是先进驾驶辅助系统(ADAS,Advanced DrivingAssistant System)中的一种功能。AEB系统通过雷达、摄像机等前向感知传感器来获取前方目标的运动信息，并结合本车的运动状态，来预估碰撞危险。危险程度较低时系统会对驾驶员进行预警，包括声音、图像等方式；危险程度较高时会采取部分制动，即制动强度比较小的制动，若驾驶员仍不能做出反应进行有效操作，系统会强行自动紧急制动来尽可能避免碰撞的发生。通过统计表明，安装了AEB的车辆的追尾事故总体减少了38％。鉴于如此大的优势，并随着汽车电子技术的发展，奔驰、沃尔沃、大众等国外知名品牌的高端车型均搭载AEB系统，正在向较低端车型转移。国内自主品牌整车厂如上汽、吉利汽车等也在争分夺秒地开展AEB的自主研发。

关于AEB的控制算法是AEB系统研究的热点之一，也是自动紧急制动的核心内容。AEB 控制算法被集成在ADAS控制器或AEB控制器内，在感知传感器获取到前方目标运动信息以及本车的运动信息后，对当前危险程度做出综合判断，达成危险的条件时会发出信号给制动执行机构，从而进行自动制动的操作。为了有效避免追尾碰撞，国内外研究提出了很多算法，包括碰撞时间算法、安全距离算法、避免碰撞最小减速度算法和驾驶员主观感受算法等等。其中应用比较广泛的是碰撞时间算法(TTC，Time-to-collision)和安全距离算法，许多整车和零部件供应厂商的ADAS系统都用到这两种算法。AEB的控制策略的作用主要是控制执行机构实现制动，且保证预期的制动效果。

然而当前自动制动控制技术难以同时兼顾预警时间和安全距离。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于当前自动制动控制技术难以同时兼顾预警时间和安全距离的问题，本申请提供了一种自动紧急制动控制方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种自动紧急制动控制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：制定自动紧急制动控制策略，所述自动紧急制动控制策略包括自动紧急制动控制算法、分层控制系统和制动力分配子策略；

步骤2：综合前方目标运动信息和自车运动信息对碰撞危险进行判断，并给出预警和制动的操作；预警时段采用碰撞时间算法，将要制动时段使用安全距离算法；

步骤3：将控制信号依次传递至第一层控制器和第二层控制器，使控制效果及预期尽可能保持一致；

步骤4：通过制动力分配子策略产生制动力，从而实现自动制动。

本申请提供的另一种实施方式为：所述第一层控制器为协调层，所述第二层控制器为执行层。

本申请提供的另一种实施方式为：所述制动力分配子策略包括前后轴制动力分配子策略和液压与电机制动力分配子策略。

本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤2中安全距离算法与碰撞时间算法融合，在融合算法中，安全距离算法与碰撞时间算法都始终进行判断。

本申请提供的另一种实施方式为：当两车的相对距离大于安全距离算法中的两车最小距离时，使用碰撞时间算法来判断预警，并通过碰撞时间的阈值来判断是正常行驶还是分级预警，碰撞时间值较大时汽车正常行驶，若碰撞时间小于或者等于碰撞时间第一次预警的时间阈值，则发出第一次预警的信号，碰撞时间持续减小，若碰撞时间小于或者等于碰撞时间第二次预警的时间阈值，则发出第二次的预警信号；当相对距离小于两车最小距离时直接输出期望的减速度并对汽车进行自动紧急刹车，此时使用安全距离算法判断，并输出期望的减速度。

本申请提供的另一种实施方式为：所述安全距离算法包括路面附着系数。

本申请提供的另一种实施方式为：所述控制方法搭载于第二车，所述第二车在判断与第一车有危险时采取自动紧急制动

本申请提供的另一种实施方式为：所述路面附着系数与最大制动减速度满足：

a_bmax≤μg

式中，a_bmax为第二车最大的减速度，μ为路面附着系数，g为重力加速度。

本申请提供的另一种实施方式为：所述路面附着系数包括雪地路面附着系数和冰面路面附着系数。

本申请提供的另一种实施方式为：所述安全距离算法包括第一车静止安全距离算法、第一车匀速或者加速安全距离算法、第一车减速安全距离算法；所述碰撞时间算法包括第一车静止碰撞时间算法、第一车匀速或者加速碰撞时间算法、第一车减速碰撞时间算法。

AEB控制算法的作用主要是在接收到前车和自车的运动信息后进而判断危险，给出预警和制动的指令；分层控制系统和制动力分配策略的作用主要是控制执行机构实现制动，且保证预期的制动效果。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种自动紧急制动控制方法的有益效果在于：

本申请提供的自动紧急制动控制方法，为一种可自适应路面附着系数的AEB控制方法。

本申请提供的自动紧急制动控制方法，考虑路面附着系数的安全距离算法与TTC的融合算法，属于AEB控制算法的部分。

本申请提供的自动紧急制动控制方法，由于安全距离算法中由于不涉及时间概念，在驾驶员的体验上不及TTC算法；而TTC算法中不涉及距离概念，在安全性上通常不及安全距离算法，将安全距离算法与TTC算法进行了融合。融合后的算法可以实现制动后自车与前方目标的间距与安全距离算法的一致，预警时长与TTC算法的一致，继承了更好的安全性及驾驶员对AEB更好的的功能体验。

本申请提供的自动紧急制动控制方法，在可进行路面附着系数实时估计的车辆上使用本算法及策略，可以提升AEB的作用效果，尤其是在路面附着系数比较低的路面上可以有更好的预警和制动的效果。

本申请提供的自动紧急制动控制方法，设置了目标制动强度，当本车速度较小时，通过较小的制动减速度就可以在较短时间内实现避撞；当本车车速较大时，较小的制动强度难以在有限的时间内实现避撞，通过将制动强度提高就可以解决该问题。

本申请提供的自动紧急制动控制方法，在保证安全性的同时避免过急的制动，以免对驾驶员及乘客受到过度的惊吓，尤其是在承载人数较高的车上面，会在一部分工况下进一步保证乘客的乘坐安全。

附图说明

图1是本申请的自动紧急制动控制方法原理示意图；

图2是本申请的自动紧急制动控制预警制动模式示意图；

图3是本申请的安全距离算法与TTC算法融合算法示意图；

图4是本申请的各算法在不同工况下的速度减少率。

具体实施方式

在下本申请，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

随着汽车保有量的不断增长，在带给人们效率的同时，带来了不仅仅是环境和能源的问题，交通拥堵、交通事故问题变成了亟待解决的重要问题。怎样减少交通事故的发生是当前待解决的重要问题。

为了有效减少交通事故的发生并提高驾驶安全性，人们已经采取了许多解决方案。这些方案中按照事故发生的时间前后可以划分为两大类：被动安全类和主动安全类。被动安全类方案主要目的是在事故发生之后起作用以减轻交通事故对车内人员的伤害程度；而主动安全类方案则是在交通事故发生前工作来避免交通事故的发生。

AEB算法及策略的评价指标主要包含两项，安全性和舒适性。安全性是最重要的指标，直接反映AEB的作用效果，其主要是指是否能够完全避撞。如果发生碰撞，则碰撞时的相对速度越小，安全性越高，相对速度越大则反之。舒适性主要包含两个部分，一个是乘坐舒适性，即加速度峰值和冲击度峰值，其中冲击度为加速度对时间求导，是一个客观评价舒适性的指标。而另一个就是驾驶员对自动制动时刻的感受，即两车的最小车间距是否过早或者过晚。过晚的制动则可能会造成两车相撞，对驾驶员和汽车造成较大的伤害；过早的制动会使本车停在危险目标很远处，会极大地影响到驾驶员的驾驶感受。

路面的情况直接影响到车辆在道路上行驶的安全性，制动距离的长短也由路面附着系数直接决定。不同的典型路面，其峰值附着系数和滑动附着系数差异很大，对汽车制动距离及制动减速度的影响也很大。比如在冰面上，以同样的制动力去自动制动，很可能因为路面较滑而无法达到预期的制动效果而发生碰撞。在设计汽车目标减速度时会受到路面附着系数的限制，当路面附着系数较低时，即与地面的摩擦力较低时，应当提前制动以确保汽车与前方目标完全避撞。

安全距离算法是以两车相对距离来判断危险，碰撞时间算法是以计算碰撞的时间来判断危险。安全距离算法是为了使车辆制动开始到车辆停止时，精确地确定前后两车之间的最小距离。而碰撞时间算法通过时间维度可以为驾驶员预示危险实现更好的效果。安全距离算法中由于不涉及时间概念，在驾驶员的体验上不及TTC算法；而TTC算法中不涉及距离概念，在安全性上通常不及安全距离算法。将二者的优势结合可以使其既能停在与前方目标的安全距离范围内，又能较好地对驾驶员进行预警。

参见图1～4，本申请提供一种自动紧急制动控制方法，所述方法包括如下步骤：

进一步地，所述第一层控制器为协调层，所述第二层控制器为执行层。

进一步地，所述制动力分配子策略包括前后轴制动力分配子策略和液压与电机制动力分配子策略。

进一步地，所述步骤2中安全距离算法与碰撞时间算法融合，在融合算法中，安全距离算法与碰撞时间算法都始终进行判断。这种算法不仅可以应用在AEB，也可以用于另一个 ADAS功能自适应巡航控制上。

进一步地，当两车的相对距离大于安全距离算法中的两车最小距离时，使用碰撞时间算法来判断预警，并通过碰撞时间的阈值来判断是正常行驶还是分级预警，碰撞时间值较大时汽车正常行驶，若碰撞时间小于或者等于碰撞时间第一次预警的时间阈值，则发出第一次预警的信号，碰撞时间持续减小，若碰撞时间小于或者等于碰撞时间第二次预警的时间阈值，则发出第二次的预警信号；当相对距离小于两车最小距离时直接输出期望的减速度并对汽车进行自动紧急刹车，此时使用安全距离算法判断，并输出期望的减速度。

进一步地，所述安全距离算法包括路面附着系数。

进一步地，所述控制方法搭载于第二车，所述第二车在判断与第一车有危险时采取自动紧急制动

进一步地，所述路面附着系数与最大制动减速度满足：

a_bmax≤μg

进一步地，所述路面附着系数包括雪地路面附着系数和冰面路面附着系数。

进一步地，所述安全距离算法包括第一车静止安全距离算法、第一车匀速或者加速安全距离算法、第一车减速安全距离算法；所述碰撞时间算法包括第一车静止碰撞时间算法、第一车匀速或者加速碰撞时间算法、第一车减速碰撞时间算法。

实施例

AEB控制策略架构

本申请了一种可自适应路面附着系数的AEB控制方法，如图1所示。AEB控制算法的作用主要是在接收到前车和自车的运动信息后进而判断危险，给出预警和制动的指令；分层控制系统和制动力分配策略的作用主要是控制执行机构实现制动，且保证预期的制动效果。本申请中考虑路面附着系数的安全距离算法与TTC的融合算法，属于AEB控制算法的部分。

本申请定义B车为后车，A车为前车，其中B车搭载了本文提供的控制方法，在判断与 A车有危险时采取自动紧急制动。

为了保证驾驶员的安全，设置了预警制动模式，如图1所示。本文将每次预警的时长用 t0表示。第一次预警在安全临界车距的基础上增加了2t0的时间以保证B车驾驶员有充足的反应时间，并将第一次预警时两车相对距离称为目标锁定距离D1；第二次预警在安全临界车距的基础上增加了t0的时间来警示驾驶员，并将第二次预警时的两车相对距离称为危险临界车距D2；自动紧急制动为两车相对距离达到最小安全距离时并称之为极限临界车距D0，如图2所示。

安全距离算法与TTC算法的结合方法

为了安全距离算法和碰撞时间算法的结合二者的优点，本文将取安全距离算法和碰撞时间算法进行融合，并通过研究两种算法的阈值，使其既能停在与前方目标的安全距离范围内，又能较好地对驾驶员进行预警。安全距离算法和碰撞时间算法都是判断纵向安全车距，仍需要危险目标判别算法来判断横向的安全车距，进而从两个维度来进一步确认危险目标。采用了安全距离算法与碰撞时间算法结合的方案，即预警时段是使用TTC算法，将要制动时段使用安全距离算法，如图3所示。在融合算法中，安全距离算法与TTC算法都始终进行判断，当两车的相对距离D大于安全距离算法中的两车最小距离D0时，使用TTC算法来判断预警，并通过TTC(碰撞时间)的阈值来判断是正常行驶还是分级预警，TTC值较大时汽车正常行驶，若TTC<＝TTCth1(TTC第一次预警的时间阈值)，则发出第一次预警的信号，TTC持续减小，若TTC<＝TTCth2(TTC第一次预警的时间阈值)，则发出第二次的预警信号；当D<D0时直接输出期望的减速度并对汽车进行自动紧急刹车，此时使用安全距离算法判断，并输出期望的减速度。

考虑路面附着系数的安全距离算法和TTC算法

不同的典型路面，其峰值附着系数和滑动附着系数差异很大，对汽车制动距离及制动减速度的影响也很大。路面附着系数μ与最大制动减速度a_bmax满足以下关系式：

a_bmax≤μg (1)

式中，a_bmax为B车最大的减速度，μ为路面附着系数，g为重力加速度。由上式可见，路面附着系数对制动距离会造成很大的影响。在设计制动强度时，要避免实际制动加速度达不到期望加速度的情况，路面附着系数较小时应提前制动来避免相撞。

最大的制动减速度与路面附着系数相关，且最大的制动减速度不会超过路面附着系数与重力加速度的乘积。如果是在雪地和冰面等附着系数比较低的路面下行驶，很可能会导致实际制动减速度达不到目标减速度而与前方目标相撞，所以在安全距离算法计算时代入以下关系式：

式中，

为VCAN中路面附着系数的估计值，

为计算出的B车最大制动加速度的估计值。

通过汽车制动过程的特性分析，推导出安全距离算法和TTC算法，再代入路面附着系数和最大制动减速度的关系，推导出考虑路面附着系数的安全距离算法和TTC算法，具体公式如下(推导过程略)：

(1)安全距离算法

a.前车静止工况：

刹车两车最小距离阈值D₀：

第一次预警距离阈值D₁：

第二次预警距离阈值D₂：

b.前车匀速及加速工况：

刹车两车最小距离阈值D₀：

第一次预警距离阈值D₁：

第二次预警距离阈值D₂：

c.前车减速工况：

刹车两车最小距离阈值D₀：

第一次预警距离阈值D₁：

第二次预警距离阈值D₂：

(2)TTC算法

a.前车静止或匀速行驶时：

制动阈值TTC_th0为：

第一次预警的TTC阈值TTC_th1为：

第二次预警的TTC阈值TTC_th2为：

b.前车静止或匀速行驶时：

①若

当

时，A车停止以前不会发生碰撞，则TTC 制动阈值TTC_th0的公式为：

第一次预警的TTC阈值TTC_th1为：

第二次预警的TTC阈值TTC_th2为：

当

时，A车停止以前会发生碰撞，则TTC制动阈值TTC_th0应为如下：

第一次预警的TTC阈值TTC_th1为：

第二次预警的TTC阈值TTC_th2为：

②若

TTC公式与公式15相同，且两次预警的阈值与公式16和公式17相同。

注：式中：v_a是前车纵向速度；v_b是后车纵向速度；v_r是两车相对速度；t₀是一次预警时间，t₂是制动系统协调时间；t₃是制动力增长时间；a_a是A车加速度；a_b是B车加速度；xd是指定的两车安全距离。

为了更好的验证本算法及策略的作用效果，建立了基于CarSim/Simulink的仿真试验平台，选取四个不同的典型路面：干沥青、湿沥青、雪地和冰面作为测试路面，并使用C-NCAP中规定的八种工况进行测试，对比安全距离算法、TTC算法、TTC和安全距离融合算法以及优化的TTC和安全距离融合算法，重点从安全性和舒适性两方面进行评价。为了避免混淆，下文将安全距离算法称之为算法一，将TTC算法称之为算法二，将TTC和安全距离融合算法称之为算法三，在此基础上对目标制动强度、设置预警时间及考虑路面附着系数进行优化的 TTC和安全距离融合算法称之为算法四，即本专利中提出的算法。

速度减少率是指实际碰撞时的速度与制动前两车相对速度减少的百分比，速度减少率越大，代表避撞的效果越好。速度减少率达到100％表示完全避撞，速度减少率为0时表示自动制动没有发挥避撞作用。速度减少率λ的公式为：

式中，V_re——碰撞速度；

V_ri——制动前两车相对速度。

图4中横坐标是C-NCAP中规定的工况。图4从左到右从上到下依次为：干燥沥青路面，湿沥青路面，雪地路面，冰面；从图中可以看出，干燥沥青路面下，除了前车减速工况下的一种情况之外，其余的工况下4种算法均能实现完全避撞，但是在其他典型路面下避撞程度各不相同。由图可见算法四可以很好的适应不同的路面，使用该算法时仅在冰面下的CCRs-3工况下没有完全避撞，其速度减少率为95.602％，而在其余的工况下均实现了完全避撞。其他三个算法在雪地和冰面上都没有实现完全避撞，且速度减少率较低，在雪地路面上其他三种算法的速度减少率多为10％～20％之间，在冰面上多为5％～15％之间，避撞的效果不显著。

经仿真平台仿真后结果如下：

表1四种算法的加速度峰值与冲击度峰值

表2不同算法加速度峰值和冲击度峰值的仿真结果对比

四种算法的加速度峰值和冲击度峰值如表1所示，仿真结果对比如2所示。由于在上层控制器中设置了目标制动强度，可以使汽车在小于40km/h时不使用最大制动力制动，所以在后车车速小于40km/h的三种工况下，加速度峰值和冲击度峰值均有所减少。通过测试数据可发现，加速度峰值可以减少百分之四十左右，冲击度峰值减少率在8％至45％不等。40km/h 以下的车速通常出现在城市路段，通过减少加速度峰值和冲击度峰值可以增加驾驶员的舒适性，且可尽量避免AEB功能使驾驶员感到不适。

尽管在上本申请参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims

1.一种自动紧急制动控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤2：综合前方目标运动信息和自车运动信息对碰撞危险进行判断，并给出预警和制动的操作；预警时段采用碰撞时间算法，将要制动时段使用安全距离算法；当两车的相对距离大于安全距离算法中的两车最小距离时，使用碰撞时间算法来判断预警，并通过碰撞时间的阈值来判断是正常行驶还是分级预警，碰撞时间值较大时汽车正常行驶，若碰撞时间小于或者等于碰撞时间第一次预警的时间阈值，则发出第一次预警的信号，碰撞时间持续减小，若碰撞时间小于或者等于碰撞时间第二次预警的时间阈值，则发出第二次的预警信号；当相对距离小于两车最小距离时直接输出期望的减速度并对汽车进行自动紧急刹车，此时使用安全距离算法判断，并输出期望的减速度；

步骤4：通过制动力分配子策略产生制动力，从而实现自动制动；

所述步骤2中安全距离算法与碰撞时间算法融合，在融合算法中，安全距离算法与碰撞时间算法都始终进行判断；所述安全距离算法包括路面附着系数；

所述第一层控制器为协调层，所述第二层控制器为执行层。

2.如权利要求1所述的自动紧急制动控制方法，其特征在于：所述制动力分配子策略包括前后轴制动力分配子策略和液压与电机制动力分配子策略。

3.如权利要求1所述的自动紧急制动控制方法，其特征在于：所述控制方法搭载于第二车，所述第二车在判断与第一车有危险时采取自动紧急制动。

4.如权利要求3所述的自动紧急制动控制方法，其特征在于：所述路面附着系数与最大制动减速度满足：

a_bmax≤μg

5.如权利要求1所述的自动紧急制动控制方法，其特征在于：所述路面附着系数包括雪地路面附着系数和冰面路面附着系数。

6.如权利要求5所述的自动紧急制动控制方法，其特征在于：所述安全距离算法包括第一车静止安全距离算法、第一车匀速或者加速安全距离算法、第一车减速安全距离算法；所述碰撞时间算法包括第一车静止碰撞时间算法、第一车匀速或者加速碰撞时间算法、第一车减速碰撞时间算法。