談東奎，胡港君，朱 波，金 來，張 捷

（1.合肥工業(yè)大學汽車工程技術(shù)研究院，合肥 230009；2.安徽三聯(lián)交通應(yīng)用技術(shù)股份有限公司，合肥 230081；3.公安部交通管理科學研究所，道路交通安全公安部重點實驗室，無錫 214151；4.合肥工業(yè)大學智能制造技術(shù)研究院，合肥 230051）

前言

傳統(tǒng)的自動緊急制動系統(tǒng)一般基于安全距離模型進行避撞決策，但在實際道路中，由于場景的復雜性和自身系統(tǒng)性能受限，自動緊急制動系統(tǒng)依然可能發(fā)生失效而導致不安全事故發(fā)生，此類在系統(tǒng)內(nèi)部組件并未發(fā)生故障的情況下由外部環(huán)境擾動、系統(tǒng)功能局限或人為誤操作導致的安全問題被稱為預(yù)期功能安全。智能汽車作為一個智能個體，內(nèi)在的復雜性和不確定性決定了它的安全性分析重點不同于傳統(tǒng)汽車的質(zhì)量保障領(lǐng)域，而是非故障安全領(lǐng)域。預(yù)期功能安全技術(shù)為智能汽車在非故障情況下提供了安全保障，是當前國內(nèi)外學者重點關(guān)注和研究對象。

Mirko在文獻［4］中闡述了功能安全和預(yù)期功能安全之間的關(guān)系，John提出了預(yù)期功能安全風險評估框架，豐富和擴展了預(yù)期功能安全概念的內(nèi)涵。BOCH 公司把預(yù)期功能安全用于ADAS 系統(tǒng)的開發(fā)過程，并利用故障樹分析方法來分析DA/AD 系統(tǒng)，但故障樹作為傳統(tǒng)的安全分析方法，依然是基于可靠性理論分析安全性，無法涵蓋預(yù)期功能安全領(lǐng)域問題。2011 年，Leveson提出的STPA 方法被開始用于分析汽車預(yù)期功能安全問題。Mahajan 等運用STPA對車道保持系統(tǒng)進行安全性分析，提出了系統(tǒng)改進的安全要求。陳君毅等基于STPA 提出了一種面向高等級自動駕駛決策系統(tǒng)的安全性開發(fā)方法，對泊車系統(tǒng)進行了系統(tǒng)改進。

上述有關(guān)預(yù)期功能安全的研究雖取得一定理論性進展，但在運用到ADAS 系統(tǒng)開發(fā)過程中依然存在以下不足：預(yù)期功能安全性在ADAS 系統(tǒng)開發(fā)中如何量化以保證車輛正常安全行駛的問題沒有探討；未能通過試驗對比驗證考慮預(yù)期功能安全的ADAS系統(tǒng)的有效性。

本文針對以上不足，在傳統(tǒng)自動緊急制動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上考慮了預(yù)期功能安全，利用STPA對系統(tǒng)進行安全分析，得出了系統(tǒng)的預(yù)期功能安全要求。然后圍繞感知盲區(qū)安全車速，建立車輛與盲區(qū)內(nèi)潛在行人橫穿馬路的相遇運動學模型，計算出不碰撞行人最高車速，再加入感知盲區(qū)面積變化率、城市道路限速與最低車速等因素，綜合考慮得出盲區(qū)最佳安全車速變化曲線模型，接著設(shè)計速度滑模控制器跟蹤該速度，最后分別在CarSim 仿真平臺和在環(huán)仿真臺架上驗證了該安全策略的有效性。

1 自動緊急制動系統(tǒng)安全分析

1.1 基于STPA的安全分析方法

對于智能汽車而言，與預(yù)期功能安全有關(guān)的風險，只從獨立的組件出發(fā)設(shè)計系統(tǒng)需求是難以發(fā)現(xiàn)解決的。STPA 將重點從可靠性理論轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)理論并關(guān)注組件交互事故和組件故障，實現(xiàn)安全性和可靠性的分離，既能解決功能安全領(lǐng)域問題，又能處理預(yù)期功能安全領(lǐng)域問題。

STPA 將安全定義為一個控制問題，把危害歸結(jié)為系統(tǒng)設(shè)計和運行缺少安全限制的原因，通過控制系統(tǒng)的行為來限制系統(tǒng)的安全。其安全分析流程主要分為4個步驟：

（1）明確系統(tǒng)的功能；

（2）建立系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)；

（3）識別不安全控制行為，確定危險事件；

（4）分析危險事件發(fā)生的原因，提出安全要求。

1.2 自動緊急制動系統(tǒng)的安全分析

自動緊急制動系統(tǒng)的功能為減速避障，其輸入為車輛當前速度與障礙物位置，輸出為目標速度。利用STPA對其進行安全性分析，可以得到自動緊急制動系統(tǒng)的不安全控制行為及其不安全控制行為原因，見表1。前3種均為系統(tǒng)組件因故障而造成的危險，屬于功能安全問題，最后一種是由于外部遮擋物的存在和傳感器自身性能的限制而產(chǎn)生的感知盲區(qū)現(xiàn)象，屬于預(yù)期功能安全問題。

表1 自動緊急制動功能安全分析

安全分析結(jié)果表明要想解決感知盲區(qū)帶來的預(yù)期功能安全問題，須在傳統(tǒng)的自動緊急制動系統(tǒng)里加入感知盲區(qū)車速規(guī)劃策略，提前減速來應(yīng)對潛在的障礙物。

2 盲區(qū)場景下車輛安全車速決策

針對感知盲區(qū)現(xiàn)象，國內(nèi)外多采用V2X 技術(shù)解決傳感器性能不足的問題，但成本高昂，短時間難以實現(xiàn)。Yoshihara 等和Morales 等分別提出了基于Frenet 框架的安全駕駛模型和提取人類駕駛特征的強化學習模型，模擬專家駕駛員遇到盲區(qū)的行駛速度，但模型過于保守，極大影響車輛在盲區(qū)下的通行速度。袁朝春等將傳感器感知盲區(qū)邊緣線作為障礙物，根據(jù)邊緣線的運動變化，建立安全距離模型避免車輛發(fā)生追尾事故，但沒有考慮盲區(qū)下的人車相遇場景。

基于以上研究的不足，為對突然出現(xiàn)的行人進行安全避撞，考慮盲區(qū)對車輛的速度影響，尋求一個緊急制動前的車輛安全車速顯得至關(guān)重要。

2.1 盲區(qū)場景下車輛-行人運動學模型

車輛在與盲區(qū)內(nèi)的行人相遇前，為兼顧安全性和通過時長，車速應(yīng)盡可能在避免碰撞行人的基礎(chǔ)上保證更高；出于對行人發(fā)現(xiàn)車輛后可能做出加速向前奔跑的躲避行為的考慮，車輛應(yīng)優(yōu)先讓行人通過。根據(jù)以上兩點行車原則，可將車輛在盲區(qū)內(nèi)的運動過程分為兩個階段：

（1）階段1，車輛沒有遇到盲區(qū)內(nèi)行人，保持一個較高車速；

（2）階段2，車輛感知到行人，進行緊急制動，最后在行人橫穿軌跡線前停止，并建立以下模型，如圖1所示。

圖1 盲區(qū)場景下車輛與行人相遇運動學模型

車輛從點勻速沿軸方向運動，同時盲區(qū)內(nèi)處一行人勻速沿軸方向運動，時間后，車輛到達點，行人到達點，車輛傳感器剛好檢測到行人闖入，自動緊急制動系統(tǒng)觸發(fā)，車輛以最大加速度緊急制動，在點處前停止運動。人-車相對關(guān)系有：

式中：v為車輛行駛速度；a為車輛制動減速度；為車輛從進入盲區(qū)到發(fā)現(xiàn)行人后經(jīng)過時間；為行人與車輛的縱向距離。

根據(jù)正弦定理有：

其中：

式中：為盲區(qū)縱向長度；為車輛傳感器與盲區(qū)的橫向距離；為車輛傳感器與盲區(qū)的縱向距離；為行人速度，1.5 m/s；為行人與車輛的橫向距離。

聯(lián)立式（1）～式（4），可求得不碰撞行人最高車速為

取=4.2 m，=30 m=10 m，a=4 m·s，在Matlab仿真計算得v=(，)，如圖2所示。

圖2 車輛與盲區(qū)內(nèi)行人不碰撞時對應(yīng)的最高車速

2.2 最佳安全車速

2.1 節(jié)中求得的不碰撞行人最高車速是盲區(qū)安全車速考量的重要指標，但隨著的減小，v也會逐漸減小，發(fā)生“死鎖”現(xiàn)象。上述模型存在以下問題：

（1）沒有考慮到盲區(qū)面積的大小，忽略盲區(qū)內(nèi)行人的潛在概率；

（2）模型過于保守，將安全標準嚴格限制為車速降為零。

為解決上述問題，提高車輛通過盲區(qū)速度，利用不碰撞行人最高車速v、盲區(qū)面積變化率、城市道路限速與最低車速等因素綜合計算盲區(qū)的安全車速，構(gòu)建式（6），且≤。

式中為盲區(qū)面積，=0.5(+)，為盲區(qū)寬度。

盲區(qū)面積變化率：

式中為預(yù)期功能起作用時的初始盲區(qū)長度，由式（9）得到。式（9）中40為車輛百公里制動距離，m。

最后調(diào)節(jié)求得最佳安全車速。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的控制系統(tǒng)主要由盲區(qū)緊急制動決策層、速度跟蹤控制層、執(zhí)行層和傳感器組成，如圖3所示。決策層根據(jù)車輛上的傳感器不斷檢測周邊盲區(qū)的信息，包括盲區(qū)縱向長度、車輛傳感器與盲區(qū)的橫向距離和車輛傳感器與盲區(qū)的縱向距離，用于計算車輛的最佳安全車速，同時實時采集車輛當前行駛速度v、發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和制動力矩反饋給非線性觀測器和速度控制器。控制層將決策層輸出的車輛期望速度和目標加速度經(jīng)過逆縱向動力學模型轉(zhuǎn)換成期望油門開度和期望制動壓力，利用切換控制器輸出給執(zhí)行層中的發(fā)動機和制動系統(tǒng)，以實現(xiàn)對期望速度的跟蹤控制。

圖3 考慮預(yù)期功能安全的智能汽車自動緊急制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 車速跟蹤控制器設(shè)計

車輛本身是一個參數(shù)不確定的高度非線性系統(tǒng)，且容易受到外部干擾，本文在滑?？刂破骰A(chǔ)上加入了非線性干擾觀測器，并設(shè)計了油門/制動切換控制器完成油門、制動器平穩(wěn)切換，實現(xiàn)對期望安全車速的良好跟蹤。

4.1 車輛縱向動力學模型

整車縱向動力學方程為

式中：為整車質(zhì)量；為車速；為驅(qū)動力；為地面制動力；為滾動阻力，=sin；為空氣阻力，=；為空氣阻力系數(shù)；為重力加速度；為道路坡度；為滾動阻力系數(shù)。

車速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

式中：為車輪半徑；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；為變速器傳動比；為主減速器傳動比。

發(fā)動機轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動力矩的關(guān)系為

式中：為發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量；為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；為驅(qū)動力矩。

聯(lián)立式（10）～式（12）得

用等效1 階慣性環(huán)節(jié)描述發(fā)動機和制動系的動態(tài)過程，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩與油門開度和制動力矩與制動壓力之間的關(guān)系為

4.2 油門/制動滑?？刂破?/h3>

式（13）可改寫為

4.2.1 非線性干擾觀測器

定義觀測誤差為

式中：、為滑模控制器的輸出；、為非線性干擾觀測器的輸出。

4.2.2 油門滑?？刂破?/p>

當采取油門控制時，制動力為0，由式（13）和式（22）得到加入非線性干擾觀測器的車輛油門控制模型為

定義第1滑模面為

式中：為滑模面系數(shù)；=-。

要想達到理想的滑動模態(tài)控制，需滿足：

由式（23）和式（25）可得，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩等效控制律為

采用等速趨近率，滑模變結(jié)構(gòu)控制律為

式中為反饋增益系數(shù)。

則發(fā)動機期望轉(zhuǎn)矩為

定義第2滑模面為

采用等速趨近率：

式中為反饋增益系數(shù)。

由式（14）、式（29）和式（30）得期望油門開度為

4.2.3 制動滑?？刂破?/p>

當采取制動控制時，驅(qū)動力矩為0，由式（13）和式（22）得加入非線性干擾觀測器的車輛制動控制模型為

定義第3滑模面為

式中：為滑模面系數(shù)；=-。

要想達到理想的滑動模態(tài)控制，需滿足：

由式（32）和式（34）可得制動力矩等效控制律為

采用等速趨近率，滑模變結(jié)構(gòu)控制律為

式中為反饋增益系數(shù)。

則制動期望力矩為

定義第4滑模面為

采用等速趨近率：

式中為反饋增益系數(shù)。

由式（15）、式（38）和式（39）得期望制動壓力為

4.3 切換控制器

在進行車速跟蹤時，需要油門和制動器聯(lián)合控制實現(xiàn)。本文設(shè)計了節(jié)氣門/制動控制切換時的加速度基準曲線：

在基準加速度附近設(shè)置了切換門限，保證油門/制動較快響應(yīng)的同時能平穩(wěn)過渡，如表2所示。

表2 執(zhí)行器切換策略

5 仿真驗證與分析

5.1 感知盲區(qū)下最佳安全車速仿真

城市中大貨車造成的盲區(qū)最為普遍，本文以此確定盲區(qū)仿真參數(shù)，如表3 所示，進行感知盲區(qū)下最佳安全車速仿真，取=0.6，結(jié)果如圖4所示。

表3 仿真參數(shù)

由圖4 可見，隨著車輛傳感器與盲區(qū)的縱向距離變化，感知盲區(qū)下車輛運動可分為4個過程：

圖4 感知盲區(qū)下最佳安全車速曲線

（1）勻速運動：車輛距盲區(qū)較遠，盲區(qū)不影響車速；

（2）快減速運動：車輛進入盲區(qū)影響范圍，車速快速下降；

（3）慢減速運動：車輛進入盲區(qū)一段距離，車速下降速率開始緩慢；

（4）加速運動：車輛快駛出盲區(qū)，加速離開。

隨著傳感器與盲區(qū)的橫向距離的增大，車輛開始減速時刻會提前，車速變化也會趨緩。

5.2 感知盲區(qū)下車輛通過仿真

傳統(tǒng)的自動緊急制動系統(tǒng)由于無法感知到盲區(qū)內(nèi)的潛在行人，為規(guī)避行人碰撞風險，駕駛員在遇到盲區(qū)時會采取以下兩種操作：

（1）在距離盲區(qū)一定距離時先勻減速；

（2）減速至通過盲區(qū)前達到安全車速后，保持勻速并通過盲區(qū)。

為驗證基于感知盲區(qū)下最佳安全車速的自動緊急系統(tǒng)的有效性，設(shè)計如下兩個試驗，取=4.2。

試驗1：為車輛設(shè)置3 種行駛策略，初始速度均設(shè)置為城市道路限速=16.67 m/s，并從同一地點出發(fā)。策略1：車輛按照盲區(qū)下最佳安全車速做減速運動；策略2：車輛以2.5 m/s減速度做勻減速運動減速至最低車速；策略3：車輛做勻速運動。車輛分別按照以上3種策略行駛，直至通過盲區(qū)。

試驗2：車輛行駛策略、初始速度和出發(fā)地點保持不變，但在距離盲區(qū)消失30 m 時，盲區(qū)區(qū)域中線處有一行人在縱向距離盲區(qū)2 m 處以1.5 m/s 速度開始橫向穿過道路，車輛在檢測到行人后做緊急制動，直至停車。

5.3 仿真結(jié)果與分析

5.3.1 快速性

圖5～圖7為試驗1下的仿真結(jié)果。

由圖5 可知，車輛在策略1 下比在策略3 下行駛通過盲區(qū)的時刻只晚0.46 s，而車輛在策略2下比在策略3 下行駛通過盲區(qū)的時刻晚了1.76 s。由圖6和圖7 可知，車輛在策略1 下比在策略3 下行駛通過盲區(qū)時落后7.64 m，車輛在策略2 下卻比在策略3下行駛通過盲區(qū)時落后了29.29 m。以上表明，按照感知盲區(qū)下最佳安全車速行駛的車輛雖然進行了減速操作，但在沒有行人時能快速通過盲區(qū)。

圖5 盲區(qū)內(nèi)無行人車速變化圖

圖6 盲區(qū)內(nèi)無行人通過車輛位移變化圖

圖7 盲區(qū)內(nèi)無行人通過車輛與盲區(qū)消失界限距離變化圖

5.3.2 安全性

圖8～圖10為試驗2下的仿真結(jié)果。

圖8 盲區(qū)內(nèi)有行人通過車速變化圖

圖9 盲區(qū)內(nèi)有行人通過車輛位移變化圖

圖10 盲區(qū)內(nèi)有行人通過車輛與行人距離變化圖

由圖8可知，車輛在策略1、策略2和策略3下行駛分別在4.09、4.25、4.07 s后發(fā)現(xiàn)行人并進行緊急制動，且車輛分別在6.22、5.90、6.74 s 后速度降為零。由圖9 可知，車輛在策略1 下比在策略3 下行駛發(fā)現(xiàn)行人時的位移少2.38 m，比在策略2 下行駛發(fā)現(xiàn)行人時的位移大2.26 m。

由圖10 可知，車輛在策略3 下行駛越過了行人橫穿軌跡8.21 m，對行人造成極大威脅，而車輛在策略1 與在策略2 下行駛都能在行人橫穿馬路的軌跡前及時停住車，保證行人的安全，且車輛在策略1行駛停車時僅僅與行人橫穿軌跡距離為2.475 m，車輛在策略2 下行駛達到10.45 m。綜上可知，車輛按感知盲區(qū)下最佳安全車速曲線行駛能有效利用盲區(qū)的長度，在盡量保證行人安全的前提下，快速通過盲區(qū)。

6 硬件在環(huán)仿真臺架試驗

為進一步驗證該系統(tǒng)的有效性，搭建了硬件在環(huán)仿真臺架，總體方案如圖11所示。

圖11 仿真臺架方案

試驗3：駕駛員控制車輛以車速16.67 m/s 勻速駛?cè)朊^(qū)，后自動緊急制動系統(tǒng)介入接管車輛進行制動減速，在距離盲區(qū)消失30 m 時，盲區(qū)區(qū)域中線處一行人在縱向距離盲區(qū)2 m 處以1.5 m/s 速度開始橫向穿過道路，車輛在檢測到行人后做緊急制動，直至停車。試驗結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖12 和圖13 表明該系統(tǒng)的硬件在環(huán)試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本保持一致，車輛能按照最佳安全車速曲線變化行駛，并能在行人橫穿軌跡前1.16 m 停車，保證了感知盲區(qū)下車輛行駛的安全性。

圖12 速度變化圖

圖13 位移、距離變化圖

由圖14 可知，線控制動系統(tǒng)的制動壓力輸出存在0.2 s的遲滯，最終導致車輛與行人橫穿軌跡線距離較仿真結(jié)果縮短了1.315 m，但整體上對安全性影響較小。圖15 顯示在汽車遇到行人后車輛制動減速度短時間增加到0.74，超過了人體舒適加速度的極限值0.5，會讓駕駛員有短暫不適的感覺。可以通過限制緊急制動最大制動壓力來改善舒適性，但與此同時也會減低一定的安全性。

圖14 制動壓力變化圖

圖15 主車加速度變化圖

7 結(jié)論

（1）從考慮預(yù)期功能安全角度出發(fā)，在傳統(tǒng)的自動緊急制動系統(tǒng)上增加感知盲區(qū)場景下安全車速規(guī)劃，以保證感知盲區(qū)下車輛通過安全性；

（2）設(shè)計了基于非線性干擾觀測器的速度滑?？刂破鳎挚雇獠扛蓴_和車輛本身的不確定性，精確地跟蹤感知盲區(qū)場景下最佳安全車速；

（3）在CarSim 仿真平臺上開展感知盲區(qū)內(nèi)無行人通過與有行人通過兩種試驗，驗證了該系統(tǒng)的快速性和安全性，最后搭建了硬件在環(huán)仿真臺架，進一步驗證了該制動系統(tǒng)的有效性。