基于ECE R131的商用車AEB系統(tǒng)性能試驗研究

張恒嘉　王驍　張明君　郭潤清　郭魁元　崔曉川

摘要：該文介紹車輛自動緊急制動（AEB）系統(tǒng)的技術(shù)原理與控制方案，詳細(xì)分析歐盟頒布的ECE R131法規(guī)對商用車AEB性能的測試方法和要求，在此基礎(chǔ)上開發(fā)商用車AEB性能測試系統(tǒng)和搭建測試場景，并依據(jù)ECE R131完成對商用車AEB性能的道路驗證測試。測試結(jié)果表明：試驗車輛完全符合ECE R131對AEB系統(tǒng)性能的要求，且基于77GHz毫米波雷達(dá)的商用車AEB系統(tǒng)更易于識別動態(tài)目標(biāo)，AEB系統(tǒng)內(nèi)部的信號傳輸具有0.2～0.4s的延時，為國內(nèi)商用車AEB系統(tǒng)的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)的制定提供幫助。

關(guān)鍵詞：商用車；AEB系統(tǒng)；ECE R131；測試系統(tǒng)；驗證

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0140-07

0引言

車輛的追尾碰撞是道路交通中發(fā)生最頻繁的事故之一，誘因是駕駛員注意力的分散或是對交通狀況的誤判。AEB系統(tǒng)可自動探測前方車輛、行人目標(biāo)，評估碰撞風(fēng)險，必要時發(fā)出警報或自主施加制動，在挽救生命及財產(chǎn)損失上有著突出效能。歐洲Euro-NCAP對實際道路下的AEB功能有效性進(jìn)行了研究，分析顯示配備AEB功能的車輛與未配備該功能的車輛相比，追尾事故減少了38%：如果所有汽車都配備AEB系統(tǒng)，那么交通意外率將會減少27%，每年約可以挽救8 000人的生命。在汽車安全要求日益嚴(yán)格的背景下，裝備AEB已成為趨勢。

商用車作為許多重大交通事故的源頭，其AEB技術(shù)的研究成為近年來各國關(guān)注的重點。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會于2008年5月在整個歐洲范圍內(nèi)開展FOT（field operation test）主動安全項目研究，積累了大量實際路況及各速度、各場景下的AEB安全性能數(shù)據(jù)，于2012年首先制訂并公布了針對商用車的AEB法規(guī)ECE R131，對AEB的功能、試驗方法等做了詳細(xì)規(guī)定；歐盟同年在ECE R131的基礎(chǔ)上，采用更嚴(yán)格的指標(biāo)約束形成（EU）No 347/2012指令并分階段對各成員國強制執(zhí)行。日本在2014年根據(jù)本國的交通事故發(fā)生頻率、交通限速狀況制定了針對客車和貨車的AEB法規(guī)TRIAS 12-J113。美國機動車工程師學(xué)會在2015年發(fā)布了適用于總重超過4535kg的商用車AEB測試方法，版本號為J3029_2015。在我國GB 7258——2017《機動車運行安全技術(shù)條件》中已明確規(guī)定大于11m的客車需安裝AEB系統(tǒng)并符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而我國有關(guān)商用車AEB系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)也正在制定中，這些都體現(xiàn)了我國對商用車AEB技術(shù)及其應(yīng)用的重視。

ECE R131作為世界上首個測試評價商用車AEB性能的標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。本文首先介紹基于毫米波雷達(dá)的商用車AEB系統(tǒng)的技術(shù)原理和系統(tǒng)控制方案，然后詳細(xì)介紹ECER131對商用車AEB系統(tǒng)性能的測試方法和要求，研究開發(fā)進(jìn)行商用車AEB性能測試的具體方案，最后進(jìn)行道路驗證試驗，以期為國內(nèi)商用車AEB系統(tǒng)開發(fā)和測評標(biāo)準(zhǔn)的制定提供幫助。

1AEB技術(shù)原理與控制方案

1.1AEB技術(shù)原理

AEB系統(tǒng)通過傳感器對車輛前方障礙物及駕駛員指令進(jìn)行監(jiān)測，測定車輛與前方障礙物的相對距離、相對速度，估算車輛與前方障礙物的碰撞時間（time tocollision，TTC），評價車輛實際工況與駕駛員意圖的誤差，根據(jù)評價結(jié)果分階段向駕駛員發(fā)出制動提醒并對車輛進(jìn)行不同程度的自主制動。常用的傳感器多為雷達(dá)，其對目標(biāo)參數(shù)的測量分為定位參數(shù)和特征參數(shù)：定位參數(shù)與尺寸、位置有關(guān)，包括速度、加速度和三維空間坐標(biāo)：特征參數(shù)用于推導(dǎo)目標(biāo)的尺寸、形狀、姿態(tài)和電磁參數(shù)等信息用于識別目標(biāo)。目前在商用車上使用最為普遍的是毫米波雷達(dá)，其具有抗干擾能力強、可測距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。大多數(shù)車載毫米波雷達(dá)均采用調(diào)頻連續(xù)波方式，其測量原理如圖1所示。當(dāng)發(fā)射的連續(xù)調(diào)頻信號遇到前方目標(biāo)時會產(chǎn)生與發(fā)射信號相比有一定延時的回波，再通過雷達(dá)混頻器對回波進(jìn)行混頻處理，從而得到車輛與目標(biāo)的相對距離和相對速度等信息。毫米波雷達(dá)的測速和測距公式為

1.2AEB控制方案

以前方障礙物為靜態(tài)目標(biāo)為例，圖2列出了典型的AEB系統(tǒng)控制方案：t0時刻AEB系統(tǒng)通過車前的傳感器檢測到前方靜態(tài)目標(biāo)；車輛行進(jìn)到t1時刻，若駕駛員未采取較強的制動以避免碰撞，AEB系統(tǒng)將向其發(fā)出聲光報警信號，并將車輛制動系統(tǒng)調(diào)整到預(yù)制動狀態(tài)；t2時刻，若駕駛員仍未采取緊急制動或避讓措施時，系統(tǒng)將通過限制發(fā)動機扭矩實現(xiàn)瞬間緊急制動（一般不會持續(xù)，僅用于向駕駛員提供一種觸覺報警信號）；t3時刻，若駕駛員仍未做出制動反應(yīng)，系統(tǒng)判定已無法通過駕駛員人為操作避免碰撞時，將自主地利用車輛的基礎(chǔ)制動系統(tǒng)進(jìn)行緊急制動，以避免碰撞或降低碰撞時刻的車速。

2eCE R131對AEB性能的試驗方法及評價指標(biāo)

2.1試驗方法

ECE R131規(guī)定的車輛適用范圍為M2、N2、M3、N3，其他商用車如O類車等并不作考量。規(guī)定了靜態(tài)目標(biāo)的AEB預(yù)警與激活（靜態(tài)試驗）、移動目標(biāo)的AEB預(yù)警與激活（動態(tài)試驗）、AEB功能的誤觸發(fā)及AEB系統(tǒng)模擬失效共4項試驗。對試驗場地也做了統(tǒng)一規(guī)定，要求在長度超過800m的混凝土或瀝青道路上進(jìn)行，路面狀況應(yīng)平坦、干燥、具有良好附著力，試驗時環(huán)境溫度應(yīng)在0-45℃之間，風(fēng)速不影響試驗正常開展，水平能見度良好。

2.1.1靜態(tài)試驗方法

如圖3（a）所示，靜態(tài)試驗開始前，目標(biāo)車輛應(yīng)靜置于和試驗車輛所在的同一車道內(nèi)。為保證試驗車輛能在正常范圍內(nèi)識別障礙物，ECE R131規(guī)定兩者的中心線距離<0.5m；為了給予試驗車輛探測目標(biāo)車輛的時間，規(guī)定試驗開始前兩者應(yīng)保持>120m的縱向距離。正式試驗時，駕駛員駕駛試驗車輛以（80±2）km/h車速勻速直線駛向靜止的目標(biāo)車輛，為排除駕駛員人為因素干擾，ECE R131規(guī)定測試期間除輕微的方向修正外，不能對車輛做任何調(diào)整。AEB系統(tǒng)應(yīng)能檢測到前方障礙物并在適當(dāng)階段采取制動，減輕碰撞。當(dāng)試驗車輛與目標(biāo)車輛發(fā)生接觸或試驗車輛車速為0則可認(rèn)為試驗結(jié)束。

2.1.2動態(tài)試驗方法

和靜態(tài)試驗類似，如圖3（b）所示，動態(tài)試驗開始前也要求目標(biāo)車輛和試驗車輛位于同一車道內(nèi)，中心線距離<0.5m且兩者縱向距離>120m，測試期間除輕微的方向修正外，駕駛員不能對車輛做任何調(diào)整。試驗時，試驗車輛和目標(biāo)車輛分別以（80±2）km/h和（12±2）km/h（對表1中2#類車型為（67±2）km/h）車速勻速直線行駛，AEB系統(tǒng)應(yīng)能檢測到前方移動目標(biāo)并在一定階段采取制動，避免碰撞。當(dāng)試驗車輛與目標(biāo)車輛發(fā)生接觸、試驗車輛車速為0或試驗車輛車速小于目標(biāo)車輛則可認(rèn)為試驗結(jié)束。

2.1.3AEB功能誤觸發(fā)試驗方法

為了測試AEB系統(tǒng)在日常使用中是否會出現(xiàn)誤報警，ECE R131規(guī)定了AEB誤觸發(fā)試驗方法，圖3（c）為該測試方法下的場景布置：將兩輛M1類目標(biāo)車輛平行置于試驗場地內(nèi)，兩車橫向間距為4.5m，尾部對齊，車頭朝向與試驗車輛相同。試驗開始前試驗車輛保持（50±2）km/h車速勻速直線行駛至少60m，試驗時以該車速從兩目標(biāo)車輛正中軌道通過。

2.1.4AEB系統(tǒng)模擬失效檢驗方法

ECE R131規(guī)定當(dāng)車輛正常啟動時，應(yīng)能啟動一個連續(xù)的黃色光信號來提醒駕駛員AEB系統(tǒng)已經(jīng)啟動并可正常工作。模擬AEB系統(tǒng)或其某一組件中出現(xiàn)線路或電力等故障而導(dǎo)致AEB功能失效（但不應(yīng)斷開AEB系統(tǒng)與儀表的信號傳輸）時，車輛應(yīng)立即在儀表盤上向駕駛員提供該黃色光報警信號，要求當(dāng)車輛車速超過15km/h后的10s時間內(nèi)儀表盤上必須產(chǎn)生持續(xù)報警信號，且只要模擬失效仍存在則當(dāng)車輛重新點火時應(yīng)立即重新激活該報警信號。對于某些帶有關(guān)閉AEB功能按鈕的車型，當(dāng)駕駛員主動關(guān)閉AEB功能時，應(yīng)提供與AEB功能失效報警形式不相同的報警信號，使駕駛員能夠區(qū)分。

2.2AEB性能評價指標(biāo)

由于商用車在制動技術(shù)上的差異性，ECE R131將M和N類車輛按制動系統(tǒng)類型和最大總質(zhì)量（GVM）進(jìn)行分類評價，但采用的測試方法是相同的，差別也僅限于技術(shù)指標(biāo)限值的不同。表1列出了各類車輛的AEB靜態(tài)和動態(tài)試驗評價指標(biāo)。定義T1、T2、T3、T4分別為第1次報警時刻、第2次報警時刻、達(dá)到緊急制動時刻（a=0.4g）和試驗結(jié)束時刻，TTC3為T3時刻的TTC時間，△T1、△T2分別為第1次和第2次報警時刻相對于緊急制動時刻的時差，△v1為緊急制動開始（即T3）時刻試驗車輛車速降低值，△v2為試驗結(jié)束（即T4）時刻在AEB作用下試驗車輛的速度降低值，其中動態(tài)試驗要求不得發(fā)生碰撞?！鱐1、△T2、△v1、△v2分別由式（2）～式（5）求得：

對于靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗，如果按觸發(fā)AEB功能的危險工況發(fā)生的時間順序，可以定義試驗車輛減速度（a=0.4g）時刻之前為報警階段，a=0.4g時刻之后為緊急制動階段（見圖4、圖5）。ECE R131對AEB系統(tǒng)有效性的評價描述如下：在報警階段，當(dāng)AEB檢測到危險并產(chǎn)生報警時，ECE R131認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先提供駕駛員自主制動避險（而不是AEB系統(tǒng)干預(yù)制動）的機會，因此ECE R131規(guī)定AEB系統(tǒng)的第1次報警時刻不得晚于緊急制動激活前1.4s，第2次報警時刻不得晚于激活緊急制動前0.8s：為了鼓勵A(yù)EB系統(tǒng)更友好地進(jìn)入到緊急制動階段，不至于在報警階段降速過大而產(chǎn)生頓挫感，規(guī)定報警階段的速度降低值不得超過15km/h或30%△v2（取兩者中較大值）；在緊急制動階段，為了給駕駛員足夠的時間發(fā)現(xiàn)危險并采取制動，規(guī)定AEB系統(tǒng)必須在TTC≤3s后才能觸發(fā)緊急制動：為檢驗AEB系統(tǒng)提供的自主緊急制動起到的實際效果，ECE R131還規(guī)定在試驗結(jié)束（TIC=0或目標(biāo)車輛車速大于試驗車輛車速）時，靜態(tài)試驗中的1#、2#類車輛（見表1）的速度降低值分別不應(yīng)低于20km/h和10km/h，動態(tài)試驗中對1#、2#類車輛的要求為試驗車輛和目標(biāo)車輛不得發(fā)生碰撞。

對于誤觸發(fā)試驗，ECE R131認(rèn)為AEB系統(tǒng)的報警信號不應(yīng)過早或過于頻繁，以免干擾駕駛員正常行駛，因此應(yīng)減少誤觸發(fā)幾率，其規(guī)定以單次誤觸發(fā)試驗中AEB系統(tǒng)不會發(fā)生誤報警為評價指標(biāo)，試驗車輛若能正常通過圖3（c）所示測試場景而不產(chǎn)生額外的AEB報警信號即認(rèn)為符合要求。對于模擬失效檢驗，要求符合2.1.4所述報警信號要求。

3商用車AEB性能測試系統(tǒng)及測試場景

3.1商用車AEB性能測試系統(tǒng)

由于誤觸發(fā)和模擬失效檢驗屬于功能性驗證試驗，不需要使用額外儀器采集數(shù)據(jù)，因此不做敘述，僅介紹用于靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗的測試系統(tǒng)。根據(jù)ECE R13 1要求，為了完成對商用車AEB靜態(tài)和動態(tài)試驗的測試與評價，需要測量試驗車輛和目標(biāo)車輛的車速、相對距離、TTC以及試驗車輛的減速度等數(shù)據(jù)。建立的商用車AEB性能測試系統(tǒng)主要由具有二次差分功能的高精度GPS測試系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和臺車系統(tǒng)組成。

具有二次差分功能的高精度GPS測試系統(tǒng)主要由兩個移動站和一個基準(zhǔn)站組成?；鶞?zhǔn)站固定在地面上，兩個移動站分別安裝在試驗車輛和目標(biāo)車輛上。在靜態(tài)試驗中，由于目標(biāo)物靜止因此僅在試驗車輛上安裝移動站即可。一般要求，基準(zhǔn)站和移動站放置在同一開闊、無遮擋區(qū)域，且一旦基準(zhǔn)站放置完畢后不允許移動?；鶞?zhǔn)站由電臺、GNSS接收機和控制器組成，主要用于產(chǎn)生差分GPS數(shù)據(jù)，并通過電臺向移動站傳送，記錄GPS原始定位信息，通過電臺接收移動站測試數(shù)據(jù)，并通過計算機監(jiān)控軟件實時顯示等。移動站由組合慣導(dǎo)系統(tǒng)、GNSS接收機、GPS接收天線、電臺等組成，主要用于接收GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)送的實時位置、速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析和組包以及接收基準(zhǔn)站發(fā)送的差分?jǐn)?shù)，記錄后通過電臺傳回基準(zhǔn)站，實現(xiàn)前后車輛之間相對數(shù)據(jù)的測量。通過基準(zhǔn)站和移動站的配合使用，可以控制位置精度在2cm以內(nèi)，速度精度達(dá)到1km/h，從而精確測量試驗車輛和目標(biāo)車輛的車速、減速度以及兩車的相對距離、TTC。

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在試驗車輛上，用于采集試驗車輛的數(shù)據(jù)和由目標(biāo)車輛移動站經(jīng)基準(zhǔn)站經(jīng)電臺發(fā)送來的數(shù)據(jù)。

3.2商用車AEB性能測試場景

搭建的靜態(tài)試驗場景如圖6（a）所示，將軟性目標(biāo)車和試驗車輛置于同一測試車道內(nèi)，試驗車輛位于軟性目標(biāo)車后部適當(dāng)距離，加速至（80±2）km/h車速后保持勻速行駛，當(dāng)車速穩(wěn)定后開始數(shù)據(jù)記錄，以試驗車輛撞上軟性目標(biāo)車或成功剎停為試驗結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。需要說明的是，試驗開始前應(yīng)通過GPS基準(zhǔn)站將軟性目標(biāo)車所處位置設(shè)置為零點位置并做好標(biāo)記，測試中試驗車輛的各項數(shù)據(jù)將以該標(biāo)記點為基準(zhǔn)點測得。

搭建的動態(tài)試驗場景如圖6（b）所示，采用一段較長的導(dǎo)軌，兩端分別連接軟性目標(biāo)車和拖車，通過拖車拖動軟性目標(biāo)車移動而使得兩者具有相同的速度、減速度。在AEB性能測試中，為保證試驗安全性，不能以真實車輛作為目標(biāo)車進(jìn)行試驗，而是采用軟性目標(biāo)車來代替目標(biāo)車輛。該類軟性目標(biāo)車具有與實際M1類車輛相同的視覺、雷達(dá)和反射量屬性，且能承受最大50km/h的后部撞擊而不損壞。試驗開始后，前車以（12±2）km/h車速保持勻速行駛，試驗車輛以（80±2）km/h車速追趕前車，以試驗車輛撞上軟性目標(biāo)車或成功剎停為試驗結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

4商用車AEB性能驗證試驗

4.1試驗車輛

采用某款國產(chǎn)長途客車作為試驗車輛，依據(jù)ECE R13 1要求進(jìn)行AEB系統(tǒng)性能測試。該試驗車輛配備了某款基于77gHz毫米波雷達(dá)的主動安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作車速范圍在15-125km/h，最多同時偵測6個目標(biāo)，能夠在全天候場景下快速感知0-200m范圍內(nèi)周邊環(huán)境物體距離、速度、方位角等信息。試驗車輛參數(shù)見表2，可見其屬于M3類車輛且采用氣壓制動，在進(jìn)行AEB測試時應(yīng)按照表1所示的1#類車型，參照ECE R131的要求進(jìn)行試驗。

4.2試驗結(jié)果分析

根據(jù)第2小節(jié)所述AEB性能測試系統(tǒng)和測試場景，進(jìn)行基于ECE R131的AEB靜態(tài)和動態(tài)測試道路試驗，得到關(guān)鍵的試驗結(jié)果如表3所示，完整的試驗數(shù)據(jù)記錄見圖7～圖8。

結(jié)合表3和圖7～圖8對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，圖7～圖8中時間軸零點位置代表T1時刻。靜態(tài)試驗中，報警階段維持1.45s后轉(zhuǎn)入緊急制動階段，T3時刻前后車距離23.83m，TTC為1.22s，AEB系統(tǒng)控制車輛進(jìn)入緊急制動，試驗車輛減速度從0.4g迅速增大到0.7g左右，碰撞時刻在試驗車輛車速已降至24km/h。動態(tài)試驗中，目標(biāo)車輛以12km/h車速勻速行駛，試驗車輛以80km/h車速追趕目標(biāo)車輛，報警階段維持1.49s，T3時刻前后車距離27.2m，TTC為1.69s，試驗車輛減速度迅速增大到0.6g左右并維持了近2s，在這期間試驗車輛車速迅速降低并接近目標(biāo)車輛，在第5.39s時試驗車輛車速小于目標(biāo)車輛車速，成功避免碰撞。以上過程及結(jié)果符合表1中的評價指標(biāo)，由此認(rèn)為試驗車輛AEB性能滿足ECE R13 1規(guī)定的靜態(tài)和動態(tài)試驗要求。

對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，雖然靜態(tài)和動態(tài)試驗的△T1和△T2接近，但動態(tài)試驗中的TTC3時間大于靜態(tài)試驗TTC3時間約1s。TTC3時間表示AEB系統(tǒng)達(dá)到緊急制動狀態(tài)時刻的TTC時間，可從側(cè)面反映AEB系統(tǒng)識別物體的靈敏性，因此從表3結(jié)果可初步判斷采用毫米雷達(dá)波的AEB系統(tǒng)更易于識別動態(tài)目標(biāo)。為進(jìn)一步驗證此結(jié)論，選用5輛與本次試驗車輛尺寸相仿的客車車型進(jìn)行AEB靜態(tài)和動態(tài)試驗，5個車型均采用毫米雷達(dá)波做為AEB傳感器，結(jié)果如表4所示?？梢姼鬈囆驮趧討B(tài)試驗中的TTC3時間均高于靜態(tài)試驗，平均高于TTC3靜 1.16s。

實際測試時還發(fā)現(xiàn)，車輛內(nèi)部儀表信號和制動指令的數(shù)據(jù)傳輸具有較大延遲，對測試結(jié)果影響很大。圖9給出了某次AEB動態(tài)試驗車輛的減速度-時間曲線。試驗數(shù)據(jù)顯示T1VEH比T1CAN延遲0.37s，T3VEH比T3CAN延遲0.22s，說明在AEB系統(tǒng)檢測到碰撞報警后0.37s才能通過聲光信號傳遞給駕駛員，而AEB系統(tǒng)在做出緊急制動判斷0.22s后車輛制動機構(gòu)才能收到指令并執(zhí)行緊急制動。結(jié)合表3的AEB驗證試驗中報警間隔時間△T1和△T2的測試結(jié)果僅略高于表1所示的標(biāo)準(zhǔn)要求0.02-0.09s。可以看出，如果信號延遲繼續(xù)增加則試驗車型將不符合表1的限值要求，未來在車型實際道路駕駛時也極有可能因CAN總線負(fù)載過高延遲加大，造成AEB系統(tǒng)制動不及時而產(chǎn)生危險。車輛制造商應(yīng)采取措施減少車輛CAN總線信號傳輸延時，這對于提高AEB系統(tǒng)的功能有效性將有很大幫助。

5結(jié)束語

本文介紹了全球商用車AEB系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及基于毫米波雷達(dá)的AEB系統(tǒng)的技術(shù)原理、控制方案，并詳細(xì)分析了ECE R131法規(guī)對商用車AEB系統(tǒng)性能的測試評價方法。開發(fā)了一套用于測試評價商用車AEB性能的測試系統(tǒng)，并完成道路試驗驗證，為國內(nèi)商用車AEB系統(tǒng)的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定提供幫助。

通過分析道路驗證試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于靜態(tài)目標(biāo)，搭載毫米雷達(dá)波的AEB系統(tǒng)更易于識別動態(tài)目標(biāo)；AEB系統(tǒng)信號傳輸具有延時性，延時時間在0.2～0.4s，較大的延時時間不利于AEB系統(tǒng)的有效運行。