Основным требованием, предъявляемым к автотранспортным средствам, является обеспечение безопасности дорожного движения. Выполнение данного требования, в условиях непрерывного роста скоростей и интенсивности транспортных потоков, представляет собой важнейшую техническую и социально- экономическую задачу. Многочисленные исследования показывают, что основной причиной дорожно-транспортных происшествий

является человеческий фактор. Зависимость процесса управления движением автомобиля от психофизиологического состояния водителя создает трудности в решении проблемы обеспечения безопасности движения. Устранение указанной зависимости следует решать путем автоматизации управления движением автомобиля в рамках концепции интеллектуального транспортного средства.

Существует несколько задач, решение которых должны решать интеллектуальные автомобили, наиболее важной из которых является анализ и прогнозирование возможных опасных ситуаций, и автоматическое предотвращение столкновения автомобилей (Collision Avoidance System).

В основе алгоритмического обеспечения систем поддержания дистанции лежит решение задачи вычисления ускорения управляемого автомобиля, обеспечивающего:

– достижение желаемой скорости в свободных условиях движения;

– поддержание безопасной дистанции в условиях следования за лидером;

– комфортное для пассажиров ускорение и замедление автомобиля.

Обеспечение комфортных значений ускорения и замедления при работе системы поддержания дистанции определено и условиями обеспечения безопасности движения в потоке автомобилей, не оборудованных устройствами поддержания дистанции. Водители прочих автомобилей должны иметь возможность своевременного изменения собственной скорости движения.

Рассмотрим движение пары автомобилей (рис.1), где автомобиль с индексом n+1 является лидером, а с индексом n – ведомым. Дистанция между автомобилями – . Скорость ведомого автомобиля будем определять исходя из реализации стратегий поддержания желаемой скорости при соблюдении безопасной дистанции:

,

где - скорость обеспечивающая, реализующая стратегию достижения желаемой скорости; - безопасная скорость движения; τ – время реакции системы управления ведомого автомобиля (c).

Рис. 1 Схема движения за лидером

Для вычисления значений желаемой скорости могут быть использованы зависимости, предложенные П. Гиппсом [1]:

    (1)

где  v(n,t) – скорость автомобиля n во время t; V*(n)  – желательная скорость автомобиля n;  a(n) – максимальное ускорение автомобиля; τ– время реакции водителя.

        (2)

где d(n)<0 – максимальное замедление автомобиля n;  δ(n,n+1) – дистанция между автомобилями;   x(n+1,t)– положение автомобиля – лидера;   s(n+1) – эффективная длина автомобиля n+1;  d’(n+1) – вычисленное желательное замедление лидера.

Формула (2) модели П. Гиппса имеет два существенных недостатка: при равномерном движении лидера имеем деление на ноль; при определенных значениях дистанции, скоростей лидера и ведомого автомобиля результат вычисления имеет комплексное значение. Указанных недостатков лишена модель безопасной скорости, предложенная С.Крауссом [2]:

,            (3)

где b – максимальное замедление (м/с²).

Использование приведенных зависимостей требует определение скорости лидера, которая не может быть непосредственно измерена. при управлении автомобилем системой поддержания дистанции имеется возможность измерения только собственной скорости автомобиля v(t) и дистанции d(t) до впереди идущего автомобиля.

В общем случае дистанция между автомобилями в момент времени (t+τ)  может быть определена как:

.        (4)

Учитывая малость интервала t примем следующие допущения:

– скорость движения в интервале t ведущего автомобиля постоянна;

– изменение скорости лидера происходит в конце интервала t мгновенно.

С учетом приведенных допущений запишем выражение:

,

где   – эквивалентная скорость.

Формула (4) примет вид:

,

откуда выразим :

.            (5)

Алгоритм вычисления скорости движения, обеспечивающей поддержания безопасной дистанции между автомобилями, может быть представлен в виде блок схемы (рис. 2). Он предусматривает:

– оценку скорости лидера;

– вычисление безопасной скорости;

– вычисление желаемой скорости;

– принятие к реализации минимальной из безопасной или желаемой скорости.

Рис. 2 Алгоритм вычисления скорости движения в системе поддержания дистанции

Для оценки работоспособности предложенного алгоритма поддержания дистанции проведено исследование его работы в характерных режимах движения:

– остановка ведомого автомобиля перед препятствием;

– следование ведомого автомобиля за лидером, скорость которого менее желаемой;

– следование за лидером, скорость которого более желаемой.

Для проведения исследования разработана компьютерная программа на языке программирования Python, имитирующая работу системы поддержания дистанции при движении двух автомобилей. При проведении исследования фиксировалась дистанция между автомобилями, скорость и ускорение ведомого. Скорость ведущего автомобиля являлась входным параметром модели.

При исследовании режима остановки автомобиля перед препятствием, проведена оценка работы системы поддержания дистанции в условиях недостаточной видимости при нахождении на проезжей части неподвижного объекта (остановившегося автомобиля, поваленного дерева и т.д.).

Алгоритм обеспечил плавное снижение скорости с установленным замедлением, обеспечив остановку перед препятствием (рис. 2).

Рис. 3 Результаты исследования алгоритма поддержания дистанции при остановке ведомого автомобиля перед препятствием

На начальном участке осуществлялась стратегия достижения желаемой скорости, на дистанции 65 м преобладающей становится стратегия поддержание безопасной дистанции.

В режиме следование ведомого автомобиля за лидером, скорость которого менее желаемой, ведомый автомобиль догоняет лидера и продолжает движение вслед за ним.

В начальный период моделирования (рис. 4), ведомый автомобиль выполнял ускорение с целью достижения желаемой скорости. В последующем проведена синхронизация скорости движения с лидером.

Рис. 4. Результаты исследования алгоритма поддержания дистанции при следование ведомого автомобиля за лидером, скорость которого менее желаемой

В результате работы алгоритма установилась стабильная дистанция между лидером и ведомым автомобилем равная 10 м, что соответствует насыщенному движению потока при плотности на полосу движения 66,7 авт/км.

В режиме следования за лидером, скорость которого более желаемой, воспроизведена ситуация выезда пары автомобилей с проблемного участка, на котором скорость движения была ниже желательной (участок с неблагоприятными дорожными условиями, место проведения ремонтных работ, затор и т.д.). Разгон лидера происходил равномерно, и по истечении 13 с начала исследования дистанция между ведомым автомобилем и лидером увеличилась свыше 50 м (рис. 5). По истечении указанного периода, движение ведомого автомобиля осуществлялось без взаимодействия с лидером, при этом его скорость асимптотически приближалась к желаемой.

Рис. 5 Результаты исследования алгоритма поддержания дистанции при следование за лидером, скорость которого более желаемой.

Проведенные исследования работы алгоритма поддержания дистанции показали его работоспособность и возможность использования в реальных системах. Следует отметить, что взаимодействие лидера и ведомого автомобиля в диапазоне исследуемых скоростей возникало при дистанции между ними 55-60 м.

1. A behavioural car-following model for computer simulation / Gipps, P.G. // Transportation Research Board Part B, 15, – 1981 – pp. 105-111
2. Metastable States in a Microscopic Model of Traffic Flow/ Stefan Krauß, Peter Wagner, Christian Gawron // Physical Review  E, – 1997. – volume 55, number 304. –  pp. 55-97

Все статьи автора «Власов Алексей Александрович»