唐野　劉世東

摘 要：本文針對傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)在面對先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）時的不足，通過構(gòu)建整車多域式的電控方案，設(shè)計支持ADAS功能開發(fā)的仿真平臺。該平臺以邏輯單元的形式，通過分析ADAS功能的需求定義，實現(xiàn)車輛縱向和側(cè)向運動的耦合控制。為驗證平臺的合理性及有效性，以交通擁堵輔助（TJA）功能為例，結(jié)合車輛動力學軟件進行分析驗證。仿真結(jié)果表明，ADAS功能得到正確響應，仿真平臺符合預期設(shè)計。

關(guān)鍵詞：仿真平臺;主動安全;運動集成

1 前言

1.1 開發(fā)背景

伴隨著人工智能、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)及移動互聯(lián)的快速發(fā)展，人們需求的不斷變更，推動汽車從單一的交通工具，向智能移動空間進行轉(zhuǎn)型，汽車屬性得到了重新定義與賦能。傳統(tǒng)的整車電控系統(tǒng)，以分布式電子控制單元的方式，確保整車功能的集成控制。然而分布式的E/E架構(gòu)，因運算能力有限、通訊鏈路過長、網(wǎng)絡(luò)負載率高和帶寬不足等問題，嚴重制約了ADAS功能的快速發(fā)展。鑒于此，域控制器（Domain Control Unit，DCU）的設(shè)計得以廣泛應用，不同于傳統(tǒng)的分布式E/E架構(gòu)，整車電控系統(tǒng)以域的形式被重新劃分，如：動力域、底盤域、車身域和主動安全域等，架構(gòu)如圖1所示。

1.2 研究意義

實現(xiàn)多域電子電氣架構(gòu)下的仿真平臺搭建，具有重大意義。一方面，主機廠和零部件供應商可以在同一套架構(gòu)下進行功能開發(fā)，避免出現(xiàn)邏輯重疊或信號失配等問題，降低系統(tǒng)冗余程度，加速整車研發(fā)周期，同時也為后續(xù)電控系統(tǒng)的功能升級和擴展提供基礎(chǔ)。另一方面，該平臺可以作為白盒化的測試工具，通過場景搭建和開/閉環(huán)信號交互等方式，進行單元測試和系統(tǒng)集成測試，以驗證電控系統(tǒng)中其他控制器的邏輯關(guān)系，在設(shè)計過程中對風險進行提前甄別，最終優(yōu)化整車性能。

2 實施方案

2.1 主動安全域系統(tǒng)構(gòu)成

ADAS功能主要圍繞“感知+決策+控制”的思路進行開發(fā)。其中，感知系統(tǒng)通過雷達、攝像頭等車載傳感器，對周圍環(huán)境和車輛狀態(tài)進行探測，輸出車輛和行人大小、速度、位置以及其他交通燈、交通標識、道路坡路、道路曲率等交通信息。決策系統(tǒng)，在含主動安全功能的整車中，扮演著駕駛員的角色。通過獲取感知系統(tǒng)輸出的交通信息和駕駛員自身動作，進行功能邏輯判斷和優(yōu)先級仲裁，在系統(tǒng)安全閾值的范圍內(nèi)，輸出車輛期望的姿態(tài)變化值。控制系統(tǒng)，一般指車輛的轉(zhuǎn)向、檔位、驅(qū)動和制動等執(zhí)行機構(gòu)，保證決策系統(tǒng)發(fā)出的請求值能夠得到有效地響應和執(zhí)行。

2.2 控制器邏輯單元

針對主動安全功能所應用的不同典型場景，設(shè)計控制器包含以下邏輯單元：

縱向控制單元，可實現(xiàn)自動緊急剎車、自適應巡航等功能。該邏輯單元通過前向雷達或前向攝像頭，輸出同車道方向車輛的位姿變化關(guān)系，計算目標加速度，對車輛驅(qū)動和制動相關(guān)子系統(tǒng)進行閉環(huán)控制，以保證相鄰汽車之間有足夠的安全距離，并實現(xiàn)車輛定速行駛。

側(cè)向控制單元，可實現(xiàn)車輛保持輔助、車道偏移預防等功能，一般需通過前向攝像頭識別車道線等環(huán)境信息，計算當前道路曲率及側(cè)向偏移量，基于二自由度車輛動力學模型或預瞄點規(guī)劃，計算目標行駛軌跡并輸出目標轉(zhuǎn)角或力矩值至轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)。

功能仲裁單元，可處理人機共駕過程中主動安全功能的激活、抑制和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)等情況。例如，當車道保持輔助功能激活時，駕駛員施加一個同向的方向盤轉(zhuǎn)角，此時功能仲裁單元應對駕駛員意圖進行解析，并協(xié)調(diào)測試控制單元輸出新的力矩值，以保證車輛不發(fā)生較大的偏航。此外，當多個主動安全功能同時觸發(fā)時，該邏輯單元需根據(jù)功能定義、功能安全等級，仲裁分析當前車輛執(zhí)行動作的優(yōu)先級，并輸出相應的功能控制信號。

預警單元，以碰撞時間（Time to Collision，TTC）等安全閾值計算為主。常見的預警功能包括前向碰撞預警和車輛變道預警等。當駕駛員長時間脫手、閉眼或車輛有可能發(fā)生碰撞時，控制器觸發(fā)報警信號控制音箱蜂鳴、方向盤抖動，以聽覺或觸覺的方式提示駕駛員接管車輛并進行轉(zhuǎn)向、制動等避撞動作，及時避免交通事故發(fā)生。

數(shù)據(jù)融合單元，主要對多傳感器輸出的目標級信息進行處理運算。一般而言，車載傳感器會因路面、光照和天氣等因素產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)波動。針對復雜的主動安全功能動態(tài)駕駛?cè)蝿眨蚩刂破餍枰獙崿F(xiàn)雷達、雙目攝像頭、慣導和GPS等多傳感器的目標識別和數(shù)據(jù)融合，匹配深度學習算法，對所探測目標類型（如：成年人、兒童、自行車和樹木）和目標間位姿關(guān)系（如：位移、速度和角度）進行信息互補和優(yōu)化處理，最終生成一致性的環(huán)境信息，供其他邏輯單元進行決策控制。同時，該邏輯單元的設(shè)計也為后續(xù)整車功能升級、系統(tǒng)冗余備份提供基礎(chǔ)，最大程度地保證了主動安全功能的舒適性和安全性。

2.3 仿真平臺搭建

為實現(xiàn)主動安全功能的正向開發(fā)，采用基于模型的設(shè)計方法，設(shè)計功能狀態(tài)機，并在Matlab/Siumlink環(huán)境下完成功能的控制策略編寫。結(jié)合上節(jié)設(shè)計的邏輯單元，構(gòu)建支持ADAS功能開發(fā)的仿真平臺如圖3所示，該平臺包含發(fā)動機控制EMS、縱向控制EPS、檔位控制TCU、主動安全控制ADAS、人機交互控制HMI、側(cè)向控制ESP等多個模塊，模塊間通過虛擬總線BUS進行互聯(lián)，具備完整的信號交互接口。車輛動力學模型輸出如輪速、方向盤轉(zhuǎn)角、主缸壓力等車輛狀態(tài)信號，實現(xiàn)ADAS系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

3 仿真測試驗證

仿真平臺中所包含的功能模型需通過測試，方可對其控制邏輯進行合理性驗證。為此，采用CarSim車輛動力學軟件作為仿真工具，車輛參數(shù)配置如圖4所示。

3.1 TJA彎道跟車啟停工況

交通擁堵輔助功能（Traffic Jam Assist，TJA），是一種在車輛低速通過交通擁堵路段時，通過對行駛方向及相鄰車道的實時環(huán)境監(jiān)測，自動實現(xiàn)縱向及側(cè)向控制的駕駛輔助功能，功能速度限值一般為0-60kph。