車輛安全換道分析

1、車輛安全換道分析摘要：通過(guò)分析換道時(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使用最小安全距離作為安全換道的指標(biāo)，并將安全車距的計(jì)算與車輛的當(dāng)前速度，到達(dá)臨界碰撞點(diǎn)的時(shí)間，兩車的相對(duì)速度、加速度關(guān)聯(lián)起來(lái)，研究了車輛碰撞的條件，給出了換道最小安全距離的計(jì)算方法，并進(jìn)行了仿真與分析。本文的研究結(jié)果為實(shí)際問(wèn)題中的自動(dòng)換道輔助系統(tǒng)和自動(dòng)超車輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：交通運(yùn)輸安全工程；最小安全距離；智能車輛1、引言世界各國(guó)都試圖通過(guò)智能車輛替代人完成駕駛?cè)蝿?wù)，解決交通安全問(wèn)題。但在長(zhǎng)期的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：智能車輛要完全取代人的駕駛，技術(shù)上還存在著較大的難度，因此人們從實(shí)用、安全的角度提出了安全輔助駕駛。車輛的換道

2、與超車是常見(jiàn)的駕駛員操作，它是駕駛員針對(duì)周圍車輛的車速、車輛間距等周邊環(huán)境信息的刺激，調(diào)整并完成自身駕駛目標(biāo)策略的綜合行為過(guò)程。在這樣復(fù)雜的過(guò)程中，駕駛員極可能對(duì)安全換道和超車的可行性做出錯(cuò)誤的判斷，使車輛處在潛在的碰撞之中。因此，換道輔助系統(tǒng)應(yīng)成為安全輔助駕駛的重要組成部分。目前提出的與智能車輛安全輔助駕駛相關(guān)的算法，諸如道路跟蹤、車輛跟馳、車輛隊(duì)列算法都取得了良好的實(shí)際效果。但由于換道與超車自身的復(fù)雜性，涉及到車輛縱向和橫向的控制，所以換道輔助系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究。作者通過(guò)分析換道時(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，研究了車輛避碰的條件，給出了換道最小安全距離的計(jì)算方法，為實(shí)際問(wèn)題中的自動(dòng)換

3、道輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究奠定了必要的理論基礎(chǔ)。2、條件設(shè)定車輛換道碰撞主要有追尾、角碰（以一定角度撞向前車）、側(cè)碰等形式。定義為開(kāi)始實(shí)施換道的時(shí)刻；為車輛到達(dá)碰撞點(diǎn)的時(shí)刻；為車輛完成換道的時(shí)刻；T為車輛換道完成后的任一段時(shí)間。2.1換道環(huán)境的簡(jiǎn)化圖1是一個(gè)較為完整的換道環(huán)境。其中為換道車輛，和分別是相鄰車道上的前、后車輛，和分別是同車道上的前、后車輛。當(dāng)換道時(shí)，它以側(cè)向加速度從當(dāng)前車道的和之間移動(dòng)到和之間。圖1 復(fù)雜的換道環(huán)境建立圖1所示的坐標(biāo)系，分別表示車輛的縱向加速度、縱向速度、縱向位置、橫向加速度、橫向速度和橫向位置，其中，并且是指車輛的右上點(diǎn)，如車的P點(diǎn)。為便于討論，作出以下簡(jiǎn)化如圖2所

4、示：和在同車道上，相鄰車道無(wú)車輛；在車道前方；勻速直線行駛，即(1)圖2 簡(jiǎn)化的換道環(huán)境2.2橫向加速度模型車輛換道過(guò)程中，橫向加速度可用下式描述：(2)積分可得車輛換道過(guò)程中的橫向速度和位移：(3)(4)2.3換道車輛參考點(diǎn)的定義已知車輛右上角點(diǎn)的橫向坐標(biāo)為，則有如下的關(guān)系如圖3所示： (5)(6)(7)式中：為車輛的長(zhǎng)度；為車輛的寬度；為車輛對(duì)稱軸與x軸的夾角。圖3 車輛的參考點(diǎn)3、最小安全距離的計(jì)算和換道碰撞的形式有追尾、碰撞和角碰。當(dāng)安全距離很小時(shí)，在換道初期，兩車發(fā)生追尾碰撞；當(dāng)安全距離較大但還不足夠大時(shí)，兩車發(fā)生角碰。在時(shí)刻，產(chǎn)生側(cè)向加速度，經(jīng)過(guò)時(shí)間到達(dá)臨界碰撞位置如圖4所示，P點(diǎn)

5、為碰撞點(diǎn)。分析該種情況下的最小安全距離即可避免碰撞。圖4 碰撞的臨界位置(8)式中：為初始位置上邊界到換道后右上點(diǎn)的距離；為車的寬度。由于，則換道過(guò)程中保持不變。分析以上車輛間的位置關(guān)系，車輛不發(fā)生碰撞的條件為：(9)在t時(shí)刻相對(duì)于x軸的夾角由下式得出：(10)令(11)車輛不發(fā)生碰撞，應(yīng)保證車輛在到達(dá)臨界碰撞點(diǎn)前的所有時(shí)間內(nèi)滿足，即(12)式中(13)為了尋找能使和不產(chǎn)生碰撞的最小初始值，分析上式可得出：(14)從上式可以看出：兩車之間的最小無(wú)碰撞距離是由兩車的相對(duì)縱向加速度、兩車初始的相對(duì)縱向速度和到達(dá)碰撞點(diǎn)的時(shí)間共同決定的。4、仿真與分析在正常的換道過(guò)程中，車輛換道的角度一般小于5

6、76;，即車輛縱向速度分量變化很小，可認(rèn)為的縱向速度，即有。根據(jù)式(12)，與的最小安全距離為：(15)因此無(wú)碰撞最小安全距離為：(16)由于與的相對(duì)速度始終是常數(shù)，故有，因此推導(dǎo)出：(17)圖5 相對(duì)速度與從圖5可知：(1)當(dāng)相對(duì)速度時(shí)，t增加，則兩車安全距離有迅速增大的趨勢(shì)，換道行為也會(huì)越安全，因此取即可。(2)當(dāng)相對(duì)速度時(shí)，t增加，則兩車安全距離減??；為了避免碰撞，必須預(yù)留一定的距離來(lái)補(bǔ)償?shù)竭_(dá)碰撞點(diǎn)時(shí)車所經(jīng)過(guò)的距離，因此。(3)當(dāng)相對(duì)速度時(shí)， ，這與實(shí)際不符。因?yàn)轳{駛員在換道過(guò)程中，除了考慮相對(duì)速度、相對(duì)加速度、到達(dá)碰撞點(diǎn)的時(shí)間，還應(yīng)考慮換道時(shí)的速度，因此換道的安全距離還應(yīng)考慮本車的速度

7、，即(18)5、結(jié)束語(yǔ)通過(guò)分析換道時(shí)前、后車之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系， 本文使用最小安全距離作為安全換道的指標(biāo)，并將車輛的當(dāng)前速度，到達(dá)臨界碰撞點(diǎn)的時(shí)間，兩車的相對(duì)速度、加速度關(guān)聯(lián)起來(lái)計(jì)算安全車距。為智能車輛的實(shí)際問(wèn)題中的自動(dòng)換道輔助系統(tǒng)和自動(dòng)超車輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究奠定了理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 王榮本， 李斌， 儲(chǔ)江偉，等. 世界智能車輛行駛安全保障技術(shù)的研究進(jìn)展J. 公路交通科技， 2002， 19(2)：117-121.2 李斌. 智能車輛前方車輛探測(cè)及安全車距控制方法的研究D. 吉林大學(xué)， 2002.3 王曉原， 孟昭為， 宿寶臣. 微觀仿真車道變換模型研究J. 山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2004， 18(1)：1-5. 4 馬雷， 王榮本. 智能車輛導(dǎo)航控制技術(shù)J. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工)， 2004， 34(4)：582-586.5