基于線控制動系統(tǒng)的AEB 功能開發(fā)

劉宏偉，張 杰，朱恩利，黃雪梅，楊佳飛

（1.國機智駿（北京）汽車科技有限公司 研發(fā)中心，北京，通州 101100；2.萬向錢潮股份有限公司 技術(shù)中心，杭州 066004）

研究表明，約93%的交通事故都是由于駕駛員的錯誤操作導(dǎo)致[1]。為了進一步提高道路交通安全性，幫助駕駛員減少錯誤操作，以先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）為代表的智能汽車安全技術(shù)逐漸得到重視和發(fā)展。ADAS 系統(tǒng)根據(jù)雷達、攝像頭等傳感器探測環(huán)境信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)駕駛員當(dāng)前的操作有導(dǎo)致事故的危險時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出信息提示或預(yù)警，提醒駕駛員糾正駕駛行為回避危險。在緊急工況下，由于留給駕駛員的反應(yīng)時間很少，一些系統(tǒng)通過主動介入對車輛進行控制，幫助駕駛員回避或減輕事故造成的危害。德國聯(lián)邦交通研究所（BAST）的研究表明，70%的嚴重交通事故都可以通過ADAS 避免[2]。在緊急工況下，當(dāng)前最有代表性的ADAS 系統(tǒng)是自動緊急制動系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 系統(tǒng)在碰撞危險非常高時通過緊急制動來避免碰撞或減輕碰撞程度。2014 年，歐盟新車認證程序（Euro-NCAP）中引入了對AEB 城市系統(tǒng)（AEB City）和AEB 公路系統(tǒng)（AEB Inter-Urban）的測試和評價[3]。中國汽車技術(shù)研究中心也將AEB納入了2018 版C-NCAP 車輛評價體系。根據(jù)Euro-NCAP 的測試，AEB 可以避免27%的交通事故，并且能夠大幅降低碰撞事故中人員受傷害的程度。當(dāng)前應(yīng)用的AEB 系統(tǒng)普遍以電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electric Stability Controller，ESC）做執(zhí)行器，但以ESC 作為緊急制動執(zhí)行器需要對ESC 硬件及性能進行專門強化，并且ESC 響應(yīng)精度和時間均有局限性。線控制動系統(tǒng)具有傳統(tǒng)制動系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，比如：制動響應(yīng)快速、制動能量高、結(jié)構(gòu)簡單、便于擴展和增加其它電控制功能等，這些優(yōu)勢將使線控制動技術(shù)取代傳統(tǒng)的以液壓為主的制動系統(tǒng)，成為未來制動系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[4-5]。線控制動系統(tǒng)比ESC 具備更高的制動響應(yīng)速度和精度，能顯著提高AEB 制動系統(tǒng)的性能。

1 AEB 系統(tǒng)方案

本項目確定了以下AEB 系統(tǒng)架構(gòu)：傳感器選用77 G 毫米波雷達，主要用于目標(biāo)檢測，具備探測距離遠、距離精度高、中遠程自動切換的優(yōu)勢，可追蹤多達64 個目標(biāo)；制動執(zhí)行機構(gòu)為線控電子液壓制動系統(tǒng)（Electric Hydraulic Brake，EHB），并集成AEB 功能算法；量產(chǎn)方案中ESC 作為EHB 的壓力備份冗余以及車輛信息交互。系統(tǒng)架構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 AEB 系統(tǒng)架構(gòu)原理

2 線控制動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 線控制動系統(tǒng)方案原理

當(dāng)前已具備成熟量產(chǎn)EHB 能力的企業(yè)多數(shù)為外資廠商。國內(nèi)汽車零部件企業(yè)和高校進行了預(yù)研和產(chǎn)品開發(fā)工作，國內(nèi)如浙江亞太、萬向集團、上海拿森、同濟同馭、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北航等都開展了EHB 產(chǎn)品的理論研究及產(chǎn)品試制開發(fā)工作。

設(shè)計開發(fā)了一種線控制動系統(tǒng)（屬于EHB 線控制動分類），該樣機開發(fā)英文簡稱為WBS（Wire Brake System），原理如圖2 所示。

圖2 線控制動系統(tǒng)原理

WBS 系統(tǒng)工作原理：常規(guī)制動工況下駕駛員采取制動時，踩下制動踏板，控制器通過讀取踏板角度信號確認車輛制動需求，常開型制動主缸隔離電磁閥上電關(guān)閉，模擬器常閉電磁閥上電打開，制動主缸油液通過模擬器常閉電磁閥進入模擬器主缸，并由制動主缸和模擬器主缸共同作用反饋合適的制動腳感。線控制動系統(tǒng)制動力源由電動柱塞泵提供，并由高壓蓄能器儲壓，以減少油泵工作次數(shù)并提高系統(tǒng)壓力響應(yīng)速度?？刂破魍ㄟ^判斷踏板角度傳感器等信號，控制電磁閥開度及柱塞泵工作，按照控制邏輯控制線控制動系統(tǒng)輸出相應(yīng)制動力，此時制動踏板和制動力是完全解耦的。如果線控制動系統(tǒng)發(fā)生故障，進入備用制動狀態(tài)，控制器控制制動主缸隔離電磁閥斷電打開，模擬器常閉電磁閥斷電關(guān)閉，模擬器停止工作，此時制動油液通過制動主缸和制動主缸隔離電磁閥直接進入備用制動回路，提供車輛備用制動力。對于ADAS 系統(tǒng)（AEB、ACC 等）所需的減速度或制動力請求，可直接發(fā)送目標(biāo)給EHB 控制系統(tǒng)，由EHB 控制器進行減速響應(yīng)[6-7]。

2.2 線控制動系統(tǒng)臺架及裝車驗證

對所設(shè)計的WBS 線控制動系統(tǒng)進行了臺架驗證，臺架包括：輪缸、制動管路、線控制動模塊、踏板等，其中輪缸壓力、踏板轉(zhuǎn)角、踏板力可通過傳感器采集至示波器，線控制動模塊相關(guān)制動壓力目標(biāo)或反饋信號可通過CAN 線與上位機通訊。

圖3 線控制動臺架示意圖

實車裝車過程對原車制動踏板、制動主缸、真空助力器進行了替換，通過CAN 通訊方式采集線控制動系統(tǒng)相關(guān)信息。

圖4 WBS 測試臺架

圖5 WBS 裝車圖

通過試驗驗證了該線控制動系統(tǒng)具備較高的壓力控制精度（穩(wěn)態(tài)≤200 kPa），快速的壓力響應(yīng)（0 ～8 000 kPa ≤180 ms），與ESC 相比較在響應(yīng)時間、響應(yīng)精度上均具備優(yōu)勢，可提高AEB系統(tǒng)能力。線控制動系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 線控制動系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果

3 環(huán)境感知及控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 毫米波雷達測試及數(shù)據(jù)處理

對毫米波目標(biāo)CAN 數(shù)據(jù)進行解析，獲取幀ID、檢測到的目標(biāo)個數(shù)、目標(biāo)的序號及其置信度、橫向位置、橫向速度、縱向位置、縱向速度等數(shù)據(jù)。對解析出來的檢測目標(biāo)進行篩選，去除無效目標(biāo)、高度目標(biāo)、篩選出本車道的候選目標(biāo)。雷達在掃描期間偶爾會出現(xiàn)的非空信號目標(biāo)，這種信號出現(xiàn)時間極短，連續(xù)性差，偶爾出現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)在數(shù)值上跳動性較大，沒有實際意義，對目標(biāo)車輛和防撞預(yù)警也會產(chǎn)生影響，因此需要去除。前方具備通過性的障礙物目標(biāo)信息，比如高架橋、減速帶、限高桿、指示牌等，這些目標(biāo)出現(xiàn)在毫米波視場范圍內(nèi)時可能會造成車輛誤動作。圖7為毫米波雷達主要篩選算法。

圖7 毫米波雷達篩選算法

3.2 毫米波雷達實車輸出測試

毫米波雷達目標(biāo)篩選和處理后，完成毫米波雷達裝車并進行各路況測試，同時編寫上位機程序用以顯示目標(biāo)檢測效果。

圖8 前向毫米波樣車

該雷達具備較好的目標(biāo)識別能力，通過實際路況測試，對具備高度信息的障礙物（如廣告牌、減速帶）能識別并過濾，對成人目標(biāo)可做到有效識別。

在完成毫米波雷達輸出信號準(zhǔn)確度確認后，在毫米波雷達輸出CAN 信息中增加一路CAN ID信息，其中涵蓋危險目標(biāo)的碰撞時間（Time to Collision，TTC）計算等相關(guān)信息，可作為AEB 功能算法輸入。

圖9 高速路廣告牌過濾效果

圖10 行人檢測效果

4 AEB 系統(tǒng)功能實車驗證

4.1 AEB 系統(tǒng)控制策略設(shè)計

AEB 主要功能邏輯如圖11 所示，主要包含：（1）TTC 及制動壓力算法；（2）激活及抑制條件。

首先判斷是否滿足AEB 激活條件，如：車速＞0，擋位處于D 擋，EPS 方向盤轉(zhuǎn)角是否回位等，如全部滿足則輸出TTC 給AEB 系統(tǒng)進行制動壓力的計算，如不滿足則AEB 功能被抑制或退出。設(shè)定TTC 觸發(fā)值，如果實際TTC 值＜觸發(fā)值，則認為AEB/FCW 功能被觸發(fā)，由線控制動系統(tǒng)執(zhí)行制動壓力計算值，完成緊急制動執(zhí)行動作。在緊急制動執(zhí)行過程中，如果滿足AEB 抑制條件，如：駕駛員主動轉(zhuǎn)向避險、加速踏板明顯被踩踏等，都認為駕駛員主動干預(yù)，AEB 功能將被抑制。

圖11 AEB 功能邏輯流程

以ESC 為執(zhí)行器的AEB 系統(tǒng)因其壓力控制精度較低、響應(yīng)慢，TTC 觸發(fā)多采用最大制動減速度保證制動安全，但這會造成制動舒適性及駕駛員安全感降低。

所設(shè)計的以線控制動為執(zhí)行器的AEB 系統(tǒng)采用制動安全距離為控制目標(biāo)，可根據(jù)實際工況實時調(diào)節(jié)制動減速度，可明顯改善制動效果及舒適性。

設(shè)TTC 觸發(fā)時，兩車相對速度為V0，兩車相對距離為S0，相對安全距離目標(biāo)為Ssafe，前車減速度為afro（目標(biāo)信息可由毫米波雷達提供），本車減速度為a，根據(jù)動力學(xué)公式：

本車減速度控制目標(biāo)：

進一步考慮整車模型、道路、制動系統(tǒng)模型等，得到輪缸制動壓力P與本車制動減速度目標(biāo)a的解析關(guān)系：式中：dw為輪缸直徑；BF為制動效能因數(shù)；n為單輪輪缸數(shù)量；r為制動有效半徑。

根據(jù)所匹配的實際車型參數(shù)，換算關(guān)系為P=

Vector 公司的CANoe 具有強大的CAN 總線設(shè)計及仿真功能，借助CANoe_Simulink 軟件接口，可使Simulink 控制模型與整車CAN 網(wǎng)絡(luò)實時通訊，搭建快速控制原型，驗證算法的實時性和可靠性，聯(lián)合模型如圖12 所示。

圖12 AEB 功能算法Simulink 模型

4.2 AEB 系統(tǒng)功能測試

在封閉場地對AEB 樣車進行功能測試驗證，試驗設(shè)備構(gòu)成如圖13 所示。在10 ～40 km/h 本車車速范圍內(nèi)，對前靜止目標(biāo)進行AEB 功能隨機測試，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)記錄儀進行記錄和分析。

如圖14 所示，AEB 功能執(zhí)行過程中，為控制制動距離，由TTC 直接計算得到的制動力計算值可能會產(chǎn)生波動或減小，通過AEB 功能算法保證制動力不減，并根據(jù)危險程度降低做實時制動力值更新，AEB 制動結(jié)束時刻之后，適當(dāng)延時制動力輸出，維持制動效果。

圖13 AEB 試驗設(shè)備構(gòu)成

圖14 AEB 制動力執(zhí)行測試曲線

如圖15 所示，試驗結(jié)果基本體現(xiàn)了AEB 預(yù)期功能策略。制動力目標(biāo)值與TTC 值有函數(shù)關(guān)系，TTC 檢測精度對制動力目標(biāo)有較大影響，這會影響實際制動精度及制動舒適性，從根源上應(yīng)優(yōu)化毫米波雷達的濾波算法，并且在AEB 策略輸入端也做好TTC 真值的校驗。

圖15 TTC 及車速測試曲線

前文中式（3）計算了制動力和整車制動減速度的關(guān)系，但實際測試中發(fā)現(xiàn)：僅穩(wěn)態(tài)滿足式（3）的結(jié)果，實際上由于線控制動系統(tǒng)響應(yīng)時間、風(fēng)阻、載荷等因素的影響，呈現(xiàn)出圖16 所示的制動力與減速度對應(yīng)關(guān)系，這對AEB 制動效果的影響至關(guān)重要，需要據(jù)此進行標(biāo)定。

圖16 不同車速制動力與減速度的關(guān)系

對本車車速10 ～40 km/h 范圍內(nèi)的AEB 功能觸發(fā)效果進行了測試統(tǒng)計，系統(tǒng)能根據(jù)不同本車車速實時調(diào)整制動力值，實測制動距離誤差在±0.5 m內(nèi)，制動距離穩(wěn)定，達到設(shè)計目標(biāo)，如圖17 所示。

圖17 TTC 及車速測試曲線

5 結(jié)論

設(shè)計了一種線控制動系統(tǒng)，臺架及實車搭載試驗驗證了該線控制動系統(tǒng)制動響應(yīng)速度和精度的先進性。所選用的毫米波雷達具備較好的目標(biāo)距離識別精度，可有效地輸出AEB 系統(tǒng)所需的危險目標(biāo)信息。設(shè)計了AEB 核心算法中的抑制/激活條件、TTC 觸發(fā)邏輯、制動力-減速度計算、載荷估計等模塊，通過快速控制原型進行實車驗證，基本達到開發(fā)目標(biāo)，為后續(xù)量產(chǎn)開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。