汽车防追尾预警系统安全距离数学模型_田哲文.pdf

第 31卷 第 4期 2009年 8月 武汉 理工 大学学 报 信息 与管理 工程 版 JOURNAL OF WUT I NFORMATI ON 安全距离 分级预警 汽车 中图分类号 U461 91 DO I 10 3963 j issn 1007 144X 2009 04 020 收稿日期 2009 04 20 作者简介 田哲文 1972 男 湖北仙桃人 武汉理工大学汽车工程学院讲师 随着我国公路的快速发展 交通事故特别是 追尾事故呈上升态势 汽车防追尾预警系统的关 键是对安全距离的判断 常用固定距离保持法和 车间时距算法 1 所建立的安全距离模型存在算 法不灵活和精度不高等问题 2 笔者针对常用 算法的不足 建立了一种改进的数学模型 在此基 础上建立分级预警机制更适合车辆的智能驾驶 并通过 Matlab仿真验证了其准确性和有效性 1 数学模型的建立 1 1 防追尾预警系统的组成 防追尾预警系统由车况信息采集模块 模式 选择模块 中心控制模块和预警模块 4部分构成 车况信息采集模块将实时车况信息送入中心控制 模块 中心控制模块根据驾驶员选择的道路交通 模式 设定计算参数 分析计算所需安全距离 并 与当前车距比较 做出车辆危险度判断 预警模 块根据中心控制模块的指令发出预警 其基本结 构如图 1所示 1 2 模型建立的原则 根据大部分驾驶员的驾驶习惯和对报警系统 期望达到的效果 汽车防追尾安全距离模型建立 的原则 3 如下 在最危险时刻前后两车尚能保 持一定的行车间距 预警后保证驾驶员有充足 的时间正确操作车辆 防止追尾发生 防止出现 频繁预警影响驾驶员的正常操作 图 1 防追尾预警系统基本结构图 1 3 安全距离模型 在监测到可能发生追尾危险后 系统发出预警 信号 驾驶员操作自车制动 直至危险消除 4 在 此过程中 自车与前车的车间距达到最小时刻为最 危险时刻 tc 设 vf为前车速度 af为前车制动减速 度 vr为自车速度 ar为自车制动减速度 d为防 止与前车相撞所需的安全距离 D 为两车当前车间 距 Sr为自车运动距离 Sf为前车运动距离 d0为 适当停车距离 一般取 2 5m 笔者取 d0为 2m 5 两车运动的相对位置如图 2所示 图 2 车辆运动相对位置图 假设忽略制动迟滞时间 tp内的制动力变化 自车在 tp内保持匀速运动 自车制动时 以恒定 的制动减速度运动 预警后 前车保持当前的运动 状态 两车运动关系图如图 3所示 图 3 两车运动关系图 前车开始制动直至停车 后车在时间 tp后也 紧急制动 由于在行驶过程中 车辆运动状态不 同 危险出现的时刻也不同 安全距离模型可按最 危险时刻 tc出现的不同情况分两种情况讨论 1 如图 3 a 所示 在前车仍在制动但尚未 停车 且两车速度相等时 两车间距 D 已经达到 最小 两速度曲线的交点即为最危险时刻 tc 此时 tp tc tp vr ar且 af ar 1 tc可由 vf tcaf vr tc tp ar求得 因此式 1 可化为 vraf arvf araftp arvr且 af ar 2 安全距离为 d Sr Sf d0 tc 0 vrdt tc 0 vfdt d0 vr vf 2 2ar vr vf tp afart 2 p 2 ar af d0 3 当前车匀速运动工况时 前车速度曲线为一 水平直线 式 3 可简化为 d vr vf 2 2ar vr vf tp d0 4 当前车初始速度为零时 vf 0 af 0 前车速 度曲线与坐标轴 t重合 式 4 可简化为 d vrtp v 2 r 2ar d0 5 2 如图 3 b 所示 在 tp时刻后的制动过程 中 自车速度一直大于前车速度 前车停车后 自 车仍在向前运动 两车间距仍不断缩小 这种情况 下 最危险时刻为自车停车时刻 安全距离为 d Sr Sf d0 tc 0 vrdt tc 0 vfdt d0 vrtp v 2 r 2ar v 2 f 2af d0 6 当两车初速度相同 vr vf 制动加速度相同 ar af am ax时 式 6 可简化为 d tpvr d0 7 这与车间时距模型是相似的 综上所述 式 3 式 6 涵盖了追尾行驶系 统中的所有运动状态 因此可得统一安全距离为 d vr vf 2 2ar vr vf tp afart 2 p 2 ar af d0 af ar且 vraf arvf araftp arvr vrtp v 2 r 2ar v 2 f 2af d0 其他 8 当由式 8 计算出的 d 小于 0时 代表该运 动前车运动距离大于自车运动距离 即前车离自 车越来越远 两车间距不断增大 因此在该状态下 绝对安全 由于在计算中只考虑了前车减速或匀速运动 状态 而当前车加速行驶时 发生追尾的可能性较 小 行驶状态较为安全 因此 当传感器测得前车 加速行驶时 可以令 af 0代入公式计算 这样既 满足了安全性需要 又简化了模型 1 4 参数选定 为保证驾驶员在不同车速和气候状况下都有 较充足的反应时间 6 笔者参照文献 7 应用模 糊推理方法 通过模糊集自车速度 vr和能见度 VIS来获取合理的制动迟滞时间 tp 将车辆行驶速度分为包含 3个级别的模糊 值 LOW 低速 v 60 km h M ID 中速 60 km h v 120 k m h 能见度划分为包含 4个级别的模糊值 FAR 高能见度 VIS 2 km M IDDLE 薄雾 中能见度 1 k m VIS 2 km NEAR 烟雾 低能见度 100m VIS 1 km 和 ZERO 零能见度 VIS D dk2 提醒预警 若 dk2 D dk3 中级预 警 若 D dk3 危险预警 防追尾预警系统控制 流程如图 5所示 图 5 防追尾预警系统控制流程图 1 5 3 各模式下预警度控制策略参数的设定 当车辆在城市道路上行驶时 速度较低且变 化较为频繁 驾驶员操作灵活 预警系统应避免过 多的虚警 当车辆在高速公路上行驶时 速度较高 且变化相对很小 预警系统应当以保证行车安全 为主 冰雪路面附着系数很小 车辆可操纵性差 危险性较高 预警系统应当给予车辆充足的制动 距离 因此参数 kri Kf设定应满足各模式特点需 要 根据不同路况下制动减速度的统计分析 表 2给出了这两个参数的具体数值 表 2 各模式下预警度控制策略参数表 kr1kr2kr3K f 高速公路30405030 冰雪路面60708080 城市道路60708090 2 仿真分析 为验证安全距离模型的合理性与准确性 笔 者用 M atlab进行了仿真分析 10 下面以前车速 度 50 km h匀速行驶为例进行说明 3种不同模 式的安全距离与自车车速关系如图 6所示 从图 6中可以看出汽车防追尾预警系统的有 效性 计算出的安全距离都随着报警级别的提高 而减小 随着自车车速的提高而明显增加 冰雪 592 武汉理工大学学报 信息与管理工程版2009年 8月 图 6 安全距离与自车车速关系图 道路模式下 车辆可控性降低 计算出的安全距离 明显偏大 当自车车速高于前车时 安全距离基本 随车速线性增长 高速公路模式下 当自车车速 与前车相差不大且车速较低时 安全距离在 10 m 左右 当自车车速高于 50 km h时 安全距离迅速 增大 保证了行车安全性 城市道路模式下 车辆 运动最为灵活 在较低的自车车速 30 km h时 安 全距离已经呈现增大趋势 保证了自车在前车紧 急制动等突发情况下的安全性 而与其他两种模 式相比 安全距离随自车车速的变化相对平缓 其 运算结果有效避免了虚警的出现 由此可以看 出 在不同模式 不同车辆运行状态下 3种预警 级别对应安全距离计算值会随之调整 能够及时 给驾驶员提供参考 3 结论 笔者根据防追尾预警系统的设计原则 针对 常用算法的不足 提出了一种改进的系统数学模 型 该模型针对不同道路交通模式采用多级安全 报警机制 在保证正常安全行车的同时 有效避免 了预警误报或漏报的发生 由于不同车辆具体车 况不同 与之相适应的预警度控制策略参数值也 不尽相同 给出的参数值并非最佳取值 可通过具 体实验进一步优化 以提高模型的计算精确性 参考文献 1 刘刚 侯德藻 李克强 等 汽车主动避撞系统安全 报警算法 J 清华大学学报 自然科学版 2004 44 5 31 36 2 侯德藻 刘刚 高锋 等 新型汽车主动避撞安全距 离模型 J 汽车工程 2005 27 2 780 781 3 肖梅 高速公路追尾碰撞预防报警系统再研究 D 西安 长安大学图书馆 2003 4 王文清 王武宏 钟永刚 等 基于模糊推理的跟驰 安全距离控制算法及实现 J 交通运输工程学报 2003 3 1 72 75 5 孔金生 郭非 王希萍 基于安全距离模型的汽车防 追尾避撞方法 J 汽车电子 2008 24 11 12 251 252 6 魏朗 车辆碰撞事故解析计算中影响因素的误差界 定 J 中国公路学报 2000 13 1 109 113 7 连晋毅 华小洋 汽车防追尾碰撞数学模型研究 J 中国公路学报 2005 18 3 123 126 8 徐杰 杜文 孙宏 跟随车安全距离的分析 J 交通 运输工程学报 2002 3 1 2 101 104 9 余志生 汽车理论 M 4版 北京 机械工业出版 社 2006 12 86 10 闻新 周露 李东江 等 M atlab模糊逻辑工具箱的分 析与应用 M 北京 科学出版社 2001 23 139 Study on theM athematicsM odel for the Forewarning Syste m of Automobile Rear end Collision Avoidance TIAN Zhe w en LIU Fengyu DENG Yadong DAIHongwei LEI Shuai Abstract Rear end collision is a co mmon traffic accidents and it s an i mportant aspect ofvehicle active safety research An i m proved mathe maticsmodelwas set up in lightof the analysis of the rear end fore warning system design requirements and the ac tual kine maticalanalysis of braking process The controlstrategy in the conceptof forewarning degreew ith the setting of road traf fic pattern was analyzed Si mulation results sho w that themodelcould be applied to variety traffic conditions through the setting of road traffic patterns and itwould give judgment of forewarning grade by collectin