劉宏偉，張 杰，朱恩利，黃雪梅，楊佳飛

（1.國(guó)機(jī)智駿（北京）汽車(chē)科技有限公司 研發(fā)中心，北京，通州 101100；2.萬(wàn)向錢(qián)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(cuò)誤操作導(dǎo)致[1]。為了進(jìn)一步提高道路交通安全性，幫助駕駛員減少錯(cuò)誤操作，以先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）為代表的智能汽車(chē)安全技術(shù)逐漸得到重視和發(fā)展。ADAS 系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)、攝像頭等傳感器探測(cè)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(xiǎn)時(shí)，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(xiǎn)。在緊急工況下，由于留給駕駛員的反應(yīng)時(shí)間很少，一些系統(tǒng)通過(guò)主動(dòng)介入對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制，幫助駕駛員回避或減輕事故造成的危害。德國(guó)聯(lián)邦交通研究所（BAST）的研究表明，70%的嚴(yán)重交通事故都可以通過(guò)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(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 系統(tǒng)在碰撞危險(xiǎn)非常高時(shí)通過(guò)緊急制動(dòng)來(lái)避免碰撞或減輕碰撞程度。2014 年，歐盟新車(chē)認(rèn)證程序（Euro-NCAP）中引入了對(duì)AEB 城市系統(tǒng)（AEB City）和AEB 公路系統(tǒng)（AEB Inter-Urban）的測(cè)試和評(píng)價(jià)[3]。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心也將AEB納入了2018 版C-NCAP 車(chē)輛評(píng)價(jià)體系。根據(jù)Euro-NCAP 的測(cè)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(dòng)執(zhí)行器需要對(duì)ESC 硬件及性能進(jìn)行專門(mén)強(qiáng)化，并且ESC 響應(yīng)精度和時(shí)間均有局限性。線控制動(dòng)系統(tǒng)具有傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如：制動(dòng)響應(yīng)快速、制動(dòng)能量高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于擴(kuò)展和增加其它電控制功能等，這些優(yōu)勢(shì)將使線控制動(dòng)技術(shù)取代傳統(tǒng)的以液壓為主的制動(dòng)系統(tǒng)，成為未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[4-5]。線控制動(dòng)系統(tǒng)比ESC 具備更高的制動(dòng)響應(yīng)速度和精度，能顯著提高AEB 制動(dòng)系統(tǒng)的性能。

1 AEB 系統(tǒng)方案

本項(xiàng)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(dá)，主要用于目標(biāo)檢測(cè)，具備探測(cè)距離遠(yuǎn)、距離精度高、中遠(yuǎn)程自動(dòng)切換的優(yōu)勢(shì)，可追蹤多達(dá)64 個(gè)目標(biāo)；制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為線控電子液壓制動(dòng)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(chē)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 線控制動(dòng)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(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件企業(yè)和高校進(jìn)行了預(yù)研和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，國(guó)內(nèi)如浙江亞太、萬(wàn)向集團(tuán)、上海拿森、同濟(jì)同馭、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北航等都開(kāi)展了EHB 產(chǎn)品的理論研究及產(chǎn)品試制開(kāi)發(fā)工作。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種線控制動(dòng)系統(tǒng)（屬于EHB 線控制動(dòng)分類），該樣機(jī)開(kāi)發(fā)英文簡(jiǎn)稱為WBS（Wire Brake System），原理如圖2 所示。

圖2 線控制動(dòng)系統(tǒng)原理

WBS 系統(tǒng)工作原理：常規(guī)制動(dòng)工況下駕駛員采取制動(dòng)時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，控制器通過(guò)讀取踏板角度信號(hào)確認(rèn)車(chē)輛制動(dòng)需求，常開(kāi)型制動(dòng)主缸隔離電磁閥上電關(guān)閉，模擬器常閉電磁閥上電打開(kāi)，制動(dòng)主缸油液通過(guò)模擬器常閉電磁閥進(jìn)入模擬器主缸，并由制動(dòng)主缸和模擬器主缸共同作用反饋合適的制動(dòng)腳感。線控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力源由電動(dòng)柱塞泵提供，并由高壓蓄能器儲(chǔ)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^(guò)判斷踏板角度傳感器等信號(hào)，控制電磁閥開(kāi)度及柱塞泵工作，按照控制邏輯控制線控制動(dòng)系統(tǒng)輸出相應(yīng)制動(dòng)力，此時(shí)制動(dòng)踏板和制動(dòng)力是完全解耦的。如果線控制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)入備用制動(dòng)狀態(tài)，控制器控制制動(dòng)主缸隔離電磁閥斷電打開(kāi)，模擬器常閉電磁閥斷電關(guān)閉，模擬器停止工作，此時(shí)制動(dòng)油液通過(guò)制動(dòng)主缸和制動(dòng)主缸隔離電磁閥直接進(jìn)入備用制動(dòng)回路，提供車(chē)輛備用制動(dòng)力。對(duì)于ADAS 系統(tǒng)（AEB、ACC 等）所需的減速度或制動(dòng)力請(qǐng)求，可直接發(fā)送目標(biāo)給EHB 控制系統(tǒng)，由EHB 控制器進(jìn)行減速響應(yīng)[6-7]。

2.2 線控制動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架及裝車(chē)驗(yàn)證

對(duì)所設(shè)計(jì)的WBS 線控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架驗(yàn)證，臺(tái)架包括：輪缸、制動(dòng)管路、線控制動(dòng)模塊、踏板等，其中輪缸壓力、踏板轉(zhuǎn)角、踏板力可通過(guò)傳感器采集至示波器，線控制動(dòng)模塊相關(guān)制動(dòng)壓力目標(biāo)或反饋信號(hào)可通過(guò)CAN 線與上位機(jī)通訊。

圖3 線控制動(dòng)臺(tái)架示意圖

實(shí)車(chē)裝車(chē)過(guò)程對(duì)原車(chē)制動(dòng)踏板、制動(dòng)主缸、真空助力器進(jìn)行了替換，通過(guò)CAN 通訊方式采集線控制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)信息。

圖4 WBS 測(cè)試臺(tái)架

圖5 WBS 裝車(chē)圖

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該線控制動(dòng)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(shí)間、響應(yīng)精度上均具備優(yōu)勢(shì)，可提高AEB系統(tǒng)能力。線控制動(dòng)系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 線控制動(dòng)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(jì)

3.1 毫米波雷達(dá)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

對(duì)毫米波目標(biāo)CAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取幀ID、檢測(cè)到的目標(biāo)個(gè)數(shù)、目標(biāo)的序號(hào)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(duì)解析出來(lái)的檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行篩選，去除無(wú)效目標(biāo)、高度目標(biāo)、篩選出本車(chē)道的候選目標(biāo)。雷達(dá)在掃描期間偶爾會(huì)出現(xiàn)的非空信號(hào)目標(biāo)，這種信號(hào)出現(xiàn)時(shí)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(dòng)性較大，沒(méi)有實(shí)際意義，對(duì)目標(biāo)車(chē)輛和防撞預(yù)警也會(huì)產(chǎn)生影響，因此需要去除。前方具備通過(guò)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(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)可能會(huì)造成車(chē)輛誤動(dòng)作。圖7為毫米波雷達(dá)主要篩選算法。

圖7 毫米波雷達(dá)篩選算法

3.2 毫米波雷達(dá)實(shí)車(chē)輸出測(cè)試

毫米波雷達(dá)目標(biāo)篩選和處理后，完成毫米波雷達(dá)裝車(chē)并進(jìn)行各路況測(cè)試，同時(shí)編寫(xiě)上位機(jī)程序用以顯示目標(biāo)檢測(cè)效果。

圖8 前向毫米波樣車(chē)

該雷達(dá)具備較好的目標(biāo)識(shí)別能力，通過(guò)實(shí)際路況測(cè)試，對(duì)具備高度信息的障礙物（如廣告牌、減速帶）能識(shí)別并過(guò)濾，對(duì)成人目標(biāo)可做到有效識(shí)別。

在完成毫米波雷達(dá)輸出信號(hào)準(zhǔn)確度確認(rèn)后，在毫米波雷達(dá)輸出CAN 信息中增加一路CAN ID信息，其中涵蓋危險(xiǎn)目標(biāo)的碰撞時(shí)間（Time to Collision，TTC）計(jì)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(guò)濾效果

圖10 行人檢測(cè)效果

4 AEB 系統(tǒng)功能實(shí)車(chē)驗(yàn)證

4.1 AEB 系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

AEB 主要功能邏輯如圖11 所示，主要包含：（1）TTC 及制動(dòng)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(chē)速＞0，擋位處于D 擋，EPS 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角是否回位等，如全部滿足則輸出TTC 給AEB 系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)壓力的計(jì)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(shí)際TTC 值＜觸發(fā)值，則認(rèn)為AEB/FCW 功能被觸發(fā)，由線控制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行制動(dòng)壓力計(jì)算值，完成緊急制動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作。在緊急制動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中，如果滿足AEB 抑制條件，如：駕駛員主動(dòng)轉(zhuǎn)向避險(xiǎn)、加速踏板明顯被踩踏等，都認(rèn)為駕駛員主動(dòng)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(dòng)減速度保證制動(dòng)安全，但這會(huì)造成制動(dòng)舒適性及駕駛員安全感降低。

所設(shè)計(jì)的以線控制動(dòng)為執(zhí)行器的AEB 系統(tǒng)采用制動(dòng)安全距離為控制目標(biāo)，可根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)減速度，可明顯改善制動(dòng)效果及舒適性。

設(shè)TTC 觸發(fā)時(shí)，兩車(chē)相對(duì)速度為V0，兩車(chē)相對(duì)距離為S0，相對(duì)安全距離目標(biāo)為Ssafe，前車(chē)減速度為afro（目標(biāo)信息可由毫米波雷達(dá)提供），本車(chē)減速度為a，根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式：

本車(chē)減速度控制目標(biāo)：

進(jìn)一步考慮整車(chē)模型、道路、制動(dòng)系統(tǒng)模型等，得到輪缸制動(dòng)壓力P與本車(chē)制動(dòng)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(dòng)效能因數(shù)；n為單輪輪缸數(shù)量；r為制動(dòng)有效半徑。

根據(jù)所匹配的實(shí)際車(chē)型參數(shù)，換算關(guān)系為P=

Vector 公司的CANoe 具有強(qiáng)大的CAN 總線設(shè)計(jì)及仿真功能，借助CANoe_Simulink 軟件接口，可使Simulink 控制模型與整車(chē)CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通訊，搭建快速控制原型，驗(yàn)證算法的實(shí)時(shí)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(cè)試

在封閉場(chǎng)地對(duì)AEB 樣車(chē)進(jìn)行功能測(cè)試驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖13 所示。在10 ～40 km/h 本車(chē)車(chē)速范圍內(nèi)，對(duì)前靜止目標(biāo)進(jìn)行AEB 功能隨機(jī)測(cè)試，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行記錄和分析。

如圖14 所示，AEB 功能執(zhí)行過(guò)程中，為控制制動(dòng)距離，由TTC 直接計(jì)算得到的制動(dòng)力計(jì)算值可能會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)或減小，通過(guò)AEB 功能算法保證制動(dòng)力不減，并根據(jù)危險(xiǎn)程度降低做實(shí)時(shí)制動(dòng)力值更新，AEB 制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻之后，適當(dāng)延時(shí)制動(dòng)力輸出，維持制動(dòng)效果。

圖13 AEB 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成

圖14 AEB 制動(dòng)力執(zhí)行測(cè)試曲線

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

圖15 TTC 及車(chē)速測(cè)試曲線

前文中式（3）計(jì)算了制動(dòng)力和整車(chē)制動(dòng)減速度的關(guān)系，但實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：僅穩(wěn)態(tài)滿足式（3）的結(jié)果，實(shí)際上由于線控制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、風(fēng)阻、載荷等因素的影響，呈現(xiàn)出圖16 所示的制動(dòng)力與減速度對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)AEB 制動(dòng)效果的影響至關(guān)重要，需要據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。

圖16 不同車(chē)速制動(dòng)力與減速度的關(guān)系

對(duì)本車(chē)車(chē)速10 ～40 km/h 范圍內(nèi)的AEB 功能觸發(fā)效果進(jìn)行了測(cè)試統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)能根據(jù)不同本車(chē)車(chē)速實(shí)時(shí)調(diào)整制動(dòng)力值，實(shí)測(cè)制動(dòng)距離誤差在±0.5 m內(nèi)，制動(dòng)距離穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖17 所示。

圖17 TTC 及車(chē)速測(cè)試曲線

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種線控制動(dòng)系統(tǒng)，臺(tái)架及實(shí)車(chē)搭載試驗(yàn)驗(yàn)證了該線控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)響應(yīng)速度和精度的先進(jìn)性。所選用的毫米波雷達(dá)具備較好的目標(biāo)距離識(shí)別精度，可有效地輸出AEB 系統(tǒng)所需的危險(xiǎn)目標(biāo)信息。設(shè)計(jì)了AEB 核心算法中的抑制/激活條件、TTC 觸發(fā)邏輯、制動(dòng)力-減速度計(jì)算、載荷估計(jì)等模塊，通過(guò)快速控制原型進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，基本達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)，為后續(xù)量產(chǎn)開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。