基于毫米波雷達的自動緊急剎車系統(tǒng)設計

阮海庭 楊朝陽 殷春風 劉婷 阮倩

摘? 要：設計了一種基于毫米波雷達的自動緊急制動（AEB）控制系統(tǒng)，其能夠自動檢測前方的障礙，并在緊急情況下發(fā)出預警信號提醒駕駛員制動甚至主動強制制動，保證駕駛員安全?；贏RS408-21毫米波雷達，設計了上位機雷達標定軟件用于配置、標定雷達參數和獲取雷達檢測的目標信息?；贛PC5748G微控制器設計了外圍電路系統(tǒng)板，作為AEB系統(tǒng)主控制器。制定了基于車速和碰撞時間的預警和緊急制動策略。AEB系統(tǒng)的實車試驗結果表明，系統(tǒng)功能符合設計要求，提升了汽車的主動安全性能。

關鍵詞：毫米波雷達;AEB;控制策略;汽車主動安全

中圖分類號：U463.5? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）03-0037-04

Abstract： An automatic emergency braking （AEB） control system based on millimeter wave radar is designed， which can automatically detect obstacles in front and remind the driver to brake or even actively brake in an emergency to ensure the safety of drivers. Based on the ARS408-21 millimeter wave radar， the upper computer radar calibration software is designed to configure， calibrate the radar parameters and obtain the target information of the radar detection. Based on the MPC5748G microcontroller， the peripheral circuit board is designed as the main controller of the AEB system. Early warning and emergency braking strategies based on vehicle speed and collision time were developed. The vehicle test results of the AEB system show that the system function meets the design requirements and improves the active safety performance of the vehicle.

Key Words： Millimeter-wave radar; AEB; control strategy; automotive active safety

隨著汽車交通事故的日漸增多，2014年初，歐洲新車碰撞測試中心（E-NCAP）正式將自動緊急制動（AEB，Autonomous Emergency Braking）納入評分體系，作為對汽車安全等級的評價。資料顯示，AEB系統(tǒng)已經被證實可以有效減少意外碰撞事故。在車速小于50km/h時，安裝AEB系統(tǒng)的車輛可以減少38%的車輛追尾事故[1]。當今，開發(fā)AEB系統(tǒng)的整車及零部件廠商越來越多，但不同車型存在較大差異。開發(fā)適合特定車輛的AEB控制系統(tǒng)，對增加汽車的主動安全性有重要的意義。

1? ? AEB系統(tǒng)設計

1.1? ?總體設計

整個AEB系統(tǒng)總體組成為：大陸公司ARS408-21毫米波雷達、NXP公司MPC5748G微控制器、制動助力電機、Vector公司VN1610 CAN收發(fā)器、自主設計PC端雷達標定軟件，實車驗證時需接入車輛ECU（MPC5604B）。

整個AEB系統(tǒng)架構由感知層，決策層，執(zhí)行層三部分組成。

感知層，由ARS408-21毫米波雷達感知前方道路情況，并將前方物體信息通過CAN總線發(fā)送至決策層。

決策層，由MPC5748G微控制器根據感知層發(fā)送過來的信號，通過特定控制策略，做出決策，將決策以CAN信號輸出至執(zhí)行層。

執(zhí)行層，由車輛ECU（MPC5604B）接收MPC5748G微控制發(fā)送的制動CAN信號，車輛ECU將CAN信號處理后轉發(fā)至制動助力電機的驅動器，驅動器將CAN信號轉換為PWM信號驅動制動助力電機，采用基于模型預測控制的制動策略執(zhí)行制動操作。

其中，Vector VN1610 CAN 接口主要用于建立雷達與PC機之間的連接，用來傳輸指令與數據，設置雷達參數，監(jiān)控雷達數據。

1.2? ?硬件選型和設計

硬件方面，選用NXP 公司MPC5748G芯片及自主設計的外圍電路和系統(tǒng)板作為AEB系統(tǒng)的主控制器。MPC5748G微控制器含三個處理器內核，時鐘頻率高，運算速度快，滿足對雷達信息及時采集和處理的要求，有多路CAN、LIN、FlexRay收發(fā)接口，滿足多路通訊要求，適合作為AEB主控制器[2]。圖2為MPC5748G系統(tǒng)板硬件圖。

選用大陸公司ARS408-21毫米波雷達作為信號采集硬件。圖3為ARS408-21硬件圖。ARS408-21采用快斜率FMCW（調頻連續(xù)波）調頻方式，在一個測量周期內可以獨立的測量目標橫向和縱向的速度和距離，雷達的實時刷新頻率為17Hz。ARS408可在短時間內探測250m以內的目標，并能同時分辨多個目標的相對速度與角度，且可以連續(xù)跟蹤多個物體[3]。圖4為ARS408-21雷達掃描范圍和距離關系圖。

1.3? ?軟件設計

雷達標定軟件基于Microsoft Visual Studio 2013集成開發(fā)工具進行開發(fā)。根據ARS408-21官方接口文檔，及Vector VN1610官方接口文檔[4]，設計C#程序界面，圖5為雷達標定軟件雷達設置界面圖。編寫后臺程序，驅動Vector VN1610設備，設計主進程和CAN總線收發(fā)報文解析等線程，實現雷達數據顯示，雷達設置，雷達過濾器設置，檢測區(qū)設置，雷達數據保存等功能。通過設計的雷達標定系統(tǒng)，調試和配置雷達的各項參數。

AEB系統(tǒng)主控制器MPC5748G的軟件架構為：微控制器，底層驅動，復雜驅動，中間層和應用層。圖6為AEB主控制器軟件架構圖。

底層和中間層相關驅動程序相關程序通過S32 Design Studio for Power Architecture軟件開發(fā)。主要完成系統(tǒng)時鐘配置，中斷配置，IO配置，PWM配置，CAN收發(fā)和緩沖區(qū)配置。

中間層主要完成底層接口與應用層接口的對接，主要是CAN協(xié)議、XCP和UDS協(xié)議集成。

應用層即AEB控制策略，使用Matlab軟件開發(fā)。通過Matlab/ Simulink模型，實現雷達報文解析，雷達控制策略，輸出預警和制動信號到執(zhí)行器。對搭建完成的模型進行參數關聯，數據管理等配置后，生成嵌入式代碼和標定A2L文件[5]。

MPC5748G通過CAN總線接收雷達濾波處理后的數據結果，獲取障礙物的橫縱向速度、距離，運動狀態(tài)等信息，根據這些信息通過控制策略，給出不同的處理信號到執(zhí)行器。其中，預警信號由MPC5748G發(fā)出的不同頻率的PWM波驅動外接蜂鳴器發(fā)出，制動信號由CAN報文發(fā)送至車輛ECU，車輛ECU驅動制動機構制動。圖7為MPC5748G控制器主程序流程圖。

2? ? AEB控制策略設計與實驗

2.1? ?AEB控制策略設計

AEB控制策略通過Matlab/ Simulink設計，設計思路基于TTC計算控制預警信號和制動信號的發(fā)出時間。TTC（time to collision）定義：假設自車和前車以當前車速繼續(xù)前進，在經過TTC時間之后將會發(fā)生碰撞[6]。

對于縱向運動障礙物，根據縱向距離DistLong和縱向相對速度VrelLong，計算TTC。

對于橫向穿越運動障礙物，根據橫向距離DistLat和橫向相對速度VrelLat，考慮車寬，計算TTC。

對于縱向運動且橫向穿越障礙物，縱向距離DistLong和縱向相對速度VrelLong，橫向距離DistLat和橫向相對速度VrelLat，計算TTC[7]。

根據汽車AEB行業(yè)大量實驗數據，通過使用Matlab進行曲線擬合，得到制動時車速v與制動預警信號Ty之間存在下列關系

得到制動時車速v與強制制動信號Tz之間存在下列關系

實車測試階段主要采用40km/h工況，代入公式計算，得1.8s內可能碰撞時給出預警信號，0.8s內可能碰撞時給出制動信號?？紤]到各車型制動最大減速度，和制動器起壓時間差異，為保證實驗安全起見，前期采用計算結果提前0.5s作為控制參數，即2.3s內發(fā)出預警信號，1.3s內強制制動。后期再通過標定優(yōu)化，確定最優(yōu)參數。圖8為控制策略程序流程圖。

2.2? ?實車測試實驗

實車測試所用車輛為東風E30，通過車上配備低壓蓄電池（12V）給雷達供電和MPC5748G AEB控制器。雷達安裝與車輛前方中心位置（如圖8中紅色標記）。AEB控制器通過CAN總線與車輛ECU（MPC5604B）建立連接。CAN通訊速率設置為500kB/s。AEB控制器從車輛ECU獲取車速等車輛信息，同時也發(fā)送制動信號給ECU，ECU驅動制動助力電機進行緊急制動。預警信號由MPC5748G控制器連接的蜂鳴器產生。

實驗表明，車速40km/h工況下，系統(tǒng)能在2.3s內發(fā)出預警信號提示駕駛員制動，1.3s內主動緊急制動，滿足設計要求。

3? ?結論

1）設計的AEB主控制器的硬件電路，以及雷達標定上位機軟件都能正常工作，滿足要求，具有擴展性。

2）基于TTC的AEB控制策略，預警制動準確率93.7%。復雜情況下，由于雷達信號干擾存在誤報情況。

3）整個AEB控制系統(tǒng)有效、可用，能很大程度上避免駕駛員的駕駛失誤造成的交通事故，提高汽車主動安全性，具有工程價值。

在今后的研究中要在實車測試標定環(huán)節(jié)多考慮車輛實際可能遇到的各種工況和道路、天氣條件，逐一分類優(yōu)化控制策略和控制參數，滿足產品級要求。

參考文獻：

[1]Fildes B， Keall M， Bos N， et al. Effectiveness of low speed autonomous emergency braking in real-world rear-end crashes.[J]. Accident; analysis and prevention. 2015， 81： 24.

[2]MPC5748G Reference Manual Version 5， 2016.

[3]ARS40X_Technical_Documentation Version 1.91， 2018.

[4]Vector XL Driver Library Description Version 9.7， 2016.

[5]陳攀，張承瑞，羅映.利用MATLAB/RTW的嵌入式代碼自動生成與整合[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2018，39（04）：738-741.

[6]Murata E， Usui T， Nogi K， et al. Study on TTC Distribution when Approaching a Lead Vehicle[C]SAE 2016 World Congress and Exhibition.2016.

[7]余志生.汽車理論.第5版[M].機械工業(yè)出版社，2009.