麋鹿測(cè)試駕駛場(chǎng)景下智能駕駛機(jī)器人的應(yīng)用

鄭繼虎　徐發(fā)達(dá)　張?zhí)K林　徐樹杰　張慶余

摘 要：伴隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展，汽車的主動(dòng)安全性能越來(lái)越受到關(guān)注。麋鹿測(cè)試是針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向、底盤、懸掛三大硬件系統(tǒng)和ESP功能的高速高危測(cè)試試驗(yàn)，用于檢驗(yàn)汽車在高速行進(jìn)場(chǎng)景下完成S轉(zhuǎn)向的主動(dòng)安全性能。本文首先對(duì)麋鹿測(cè)試ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行解讀，并論證了智能駕駛機(jī)器人替代駕駛員完成測(cè)試以保障測(cè)試過(guò)程中人身安全的可行性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了智能駕駛機(jī)器人在麋鹿測(cè)試中的可靠性。

關(guān)鍵詞：麋鹿測(cè)試（Moose test）;智能駕駛機(jī)器人;路徑規(guī)劃

1 引言

“中國(guó)制造2025”將汽車產(chǎn)業(yè)列為十大關(guān)鍵領(lǐng)域之一，其中智能網(wǎng)聯(lián)汽車作為行業(yè)發(fā)展兩大主題之一備受關(guān)注[1]，在國(guó)家政策的支持和行業(yè)機(jī)構(gòu)的參與下，智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心已將車輛的主動(dòng)安全納入到中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）測(cè)試評(píng)價(jià)體系中，以汽車AEB功能測(cè)試為例，在測(cè)試過(guò)程中如何保障測(cè)試人員安全、保證車輛航向角度和車輛速度精確性的問(wèn)題亟待解決[2]。

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的智能駕駛機(jī)器人，通過(guò)模擬人類駕駛員踩踏板、打轉(zhuǎn)向和換檔位的動(dòng)作，設(shè)計(jì)了一種可控制車輛完成轉(zhuǎn)向、速度和檔位控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠在不對(duì)車輛進(jìn)行任何改裝的前提下替代駕駛員進(jìn)行可靠性、危險(xiǎn)性和高精度的車輛道路試驗(yàn)。

2 麋鹿測(cè)試

ISO 3888-2：2002規(guī)定了一種汽車在高速場(chǎng)景下進(jìn)行緊急避障的麋鹿測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中對(duì)速度的控制精度要求高，并存在爆胎、失控甚至翻車的安全威脅[3]。麋鹿測(cè)試（Moose test）中“Moose”是指瑞典特有的駝鹿，駝鹿習(xí)慣高速橫穿公路，由于其四肢高于乘用車前端高度，但成年駝鹿的體重在300-500kg，雄性駝鹿還有巨大的堅(jiān)硬鹿角。一旦與高速行駛的車輛碰撞，駝鹿纖細(xì)的四肢會(huì)被撞斷，整個(gè)身體由于慣性拍向前擋風(fēng)玻璃，并且安全氣囊順利彈出概率很小，極易造成傷亡事故。

2.1 麋鹿測(cè)試的原因

圖1為駝鹿與車輛高度的對(duì)比示意圖，其中紅色虛線表明成年駝鹿四肢高度與SUV車型前端高度基本相等。圖2對(duì)駝鹿橫穿馬路與車輛碰撞進(jìn)行了圖示說(shuō)明，由圖2可知在汽車前進(jìn)方向上發(fā)生碰撞，該方向上動(dòng)量守恒，具體計(jì)算說(shuō)明如下：

根據(jù)動(dòng)量守恒可得：

碰撞時(shí)間近似等于汽車以碰撞前速度行進(jìn)駝鹿肢體寬度的距離所需時(shí)間，即：

將，，帶入上述兩式，計(jì)算可得碰撞瞬間沖擊力為：

由此可知，在汽車與駝鹿碰撞的瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，前擋風(fēng)玻璃和車輛A柱無(wú)法承受如此巨大的沖擊，嚴(yán)重威脅駕駛員的生命安全。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在瑞典每年至少每公里發(fā)生一次駝鹿撞車事故，每年超過(guò)2000頭駝鹿死于交通事故[4]，事故中車輛安全氣囊無(wú)法正常彈出、前擋風(fēng)玻璃無(wú)法承受駝鹿巨大體重的沖擊等問(wèn)題使得車輛的被動(dòng)安全配置無(wú)用武之地，因此只能要求對(duì)車輛的主動(dòng)安全性能進(jìn)行優(yōu)化和完善，尤其是在緊急情況下車輛的避障和避障后航向糾正的能力。

2.2 麋鹿測(cè)試的規(guī)范

麋鹿測(cè)試在ISO標(biāo)準(zhǔn)中名稱為Passenger cars-Test track for a severe lane-change manoeuvre-Part 2：Obstacle avoidance，屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3888內(nèi)容之一，該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)性能和抓地能力的進(jìn)行了規(guī)范和要求。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)地要求

麋鹿測(cè)試對(duì)車輛類型、測(cè)試場(chǎng)地尺寸、測(cè)試流程甚至路錐都進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)范，其測(cè)試對(duì)象包括乘用車以及總質(zhì)量不超過(guò)3.5噸的輕型商用車。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，車輛在測(cè)試過(guò)程中按照測(cè)試順序（圖中黑色箭頭方向）需要完成如下動(dòng)作：直線路段加速，直行路段L1，左轉(zhuǎn)向區(qū)域A1，直行路段L2，右轉(zhuǎn)向區(qū)域A2，直行路段L3。

測(cè)試場(chǎng)地尺寸如圖3所示，其中場(chǎng)地總長(zhǎng)為61m，虛線區(qū)域與道路邊界組成了車輛轉(zhuǎn)向范圍，黑色實(shí)心圓點(diǎn)為路錐，場(chǎng)地的具體尺寸如表1所示。

其中，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)特定位置和特殊尺寸進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)：

（1）測(cè)試開始前，首先測(cè)量車輛寬度，標(biāo)準(zhǔn)中要求的車寬不包括車輛兩側(cè)后視鏡寬度;

（2）路錐擺放要求為每段長(zhǎng)直路段起點(diǎn)中點(diǎn)終點(diǎn)各一個(gè)，擺放時(shí)路錐基圓必須與道路邊界外切以保證場(chǎng)地尺寸的準(zhǔn)確性，另外路錐的外形尺寸也有限定性要求，詳情如圖4所示;

（3）測(cè)試過(guò)程中，在直行路段L1的最后一組路錐處記錄儀表車速;

（4）測(cè)試過(guò)程中通過(guò)特定位置后，駕駛員禁止與加速踏板、減速踏板進(jìn)行任何接觸;在長(zhǎng)直路段L1額外擺放路錐兩個(gè)（圖3中紅色虛線），用于為駕駛員提供參考標(biāo)志。

2.2.2 測(cè)試流程要求

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)要求，麋鹿測(cè)試步驟如下：

（1）按照?qǐng)龅爻叽缫笸瓿蓞^(qū)域規(guī)劃和路錐擺放，測(cè)試車輛乘客滿載并在后備箱配備相應(yīng)負(fù)重以達(dá)到車輛的客貨滿載狀態(tài);

（2）啟動(dòng)車輛，在進(jìn)入直行路段L1時(shí)保證車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不低于2000r/min;

（3）通過(guò)直行路段L1的虛線位置時(shí)，松開加速踏板，在完成測(cè)試前不進(jìn)行任何踏板操作;

（4）在測(cè)試過(guò)程中，嚴(yán)禁車輛與任意路錐有任何接觸，若滿足此條件則該速度下麋鹿測(cè)試通過(guò)，反之，則再次進(jìn)行試驗(yàn);

（5）在車輛性能允許的前提下，不斷的提高車輛速度，重復(fù)測(cè)試步驟（1）（2）（3）（4）直至達(dá)到車輛可完成測(cè)試的最大速度;

（6）達(dá)到測(cè)試最大速度后，記錄下測(cè)試車輛儀表盤速度，再次以該速度進(jìn)行兩次測(cè)試以保證測(cè)試結(jié)果的有效性。

3 智能駕駛機(jī)器人場(chǎng)景應(yīng)用

通過(guò)第二章對(duì)麋鹿測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的分析可知，麋鹿測(cè)試存在著以下幾個(gè)問(wèn)題亟待解決，具體如下：

（1）車輛測(cè)試速度快，轉(zhuǎn)向快，橫向加速度大，車輛極易發(fā)生側(cè)傾、側(cè)滑甚至翻車的危險(xiǎn)，駕乘人員安全難以保障;

（2）車輛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和松開加速踏板的位置等參數(shù)要求非常嚴(yán)格，并且測(cè)試過(guò)程中禁止接觸加速踏板和減速踏板;

（3）為了保證測(cè)試的完成，需要具有豐富駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員操控車輛，重復(fù)的高速閃避測(cè)試影響駕駛員效率;

智能駕駛機(jī)器人能夠在高危場(chǎng)景、重復(fù)性測(cè)試場(chǎng)景和對(duì)精度高要求的測(cè)試場(chǎng)景下替代人類駕駛員完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)。一方面保障麋鹿測(cè)試中駕乘人員的安全，另一方面也能夠保障麋鹿測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性。

3.1 智能駕駛機(jī)器人機(jī)構(gòu)解決方案

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心基于車輛耐久性測(cè)試試驗(yàn)需求完成了智能駕駛機(jī)器人的研發(fā)和產(chǎn)品迭代，目前已經(jīng)完成了第三代產(chǎn)品的開發(fā)與實(shí)車測(cè)試工作。考慮到麋鹿測(cè)試對(duì)精度的嚴(yán)苛要求和安全隱患，智能駕駛機(jī)器人經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和算法升級(jí)已經(jīng)完全可以替代駕駛員完成高速場(chǎng)景下緊急避障的麋鹿測(cè)試。

面向麋鹿測(cè)試的智能駕駛機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)和踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。其中，轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)（如圖5所示）的機(jī)械原理為，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上安裝有主動(dòng)齒輪，與主動(dòng)齒輪嚙合的從動(dòng)齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)向基座轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向基座通過(guò)尼龍綁帶固定在方向盤上，從而實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向控制。轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛方向盤在±500°的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行控制，并且能夠柔性適應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)要求的方向盤尺寸，最大程度的減小了由于裝配不同軸引起的控制誤差。

踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如圖6所示）則是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)曲軸連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)加速踏板和減速踏板的踩踏、釋放動(dòng)作，是對(duì)人類駕駛員踏板控制動(dòng)作的模仿。正常駕駛過(guò)程中，駕駛員無(wú)需同時(shí)踩踏加速和減速兩個(gè)踏板，因此，踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一部驅(qū)動(dòng)電機(jī)配備電磁離合交叉斷開吸合的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)踏板的不同步控制。踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)調(diào)距螺桿支撐的方式，可適應(yīng)上汽集團(tuán)、長(zhǎng)城汽車的多款車型前艙尺寸，并實(shí)現(xiàn)了加裝踏板執(zhí)行機(jī)構(gòu)的前提下主駕駛位可繼續(xù)乘坐安全員的測(cè)試要求。

3.2 智能駕駛機(jī)器人算法解決方案

麋鹿測(cè)試對(duì)直行路段和轉(zhuǎn)向區(qū)域的長(zhǎng)度做出了嚴(yán)格的限制，其車道寬度也取決于車輛寬度?？紤]到測(cè)試路段縱向距離和轉(zhuǎn)向方式相對(duì)固定的，且測(cè)試過(guò)程中車輛速度略有減小而直行路段的寬度逐漸增大，所以測(cè)試首要問(wèn)題是解決車輛在直行路段切換過(guò)程中左右轉(zhuǎn)向的控制問(wèn)題。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心針對(duì)麋鹿測(cè)試，目前采用預(yù)瞄點(diǎn)路徑規(guī)劃和PID算法相結(jié)合的控制方法對(duì)駕駛機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行進(jìn)行控制以保證車輛順利通過(guò)測(cè)試。

測(cè)試車輛在高速行駛工況下，從直行路段L1經(jīng)轉(zhuǎn)向區(qū)域A1進(jìn)入直行路段L2的過(guò)程中，車輛動(dòng)作順序如下：左轉(zhuǎn)→直行→右轉(zhuǎn);而在由直行路段L2經(jīng)轉(zhuǎn)向區(qū)域A2進(jìn)入直行路段L3的過(guò)程中，車輛則需要進(jìn)行以下動(dòng)作：右轉(zhuǎn)→直行→左轉(zhuǎn)。

經(jīng)過(guò)參數(shù)分析和前期試驗(yàn)得知，在左轉(zhuǎn)過(guò)程中直行路段L1末端左側(cè)和直行路段L3前端左側(cè)的路錐容易被車輛的左后輪碰撞，同理，在右轉(zhuǎn)過(guò)程中直行路段L2前端右側(cè)和末端右側(cè)的路錐容易被車輛的右后輪碰撞，高頻碰撞路錐如圖7中紅點(diǎn)所示。

測(cè)試車型的車輛軸距、車寬等參數(shù)是固定的，如何控制車輛的轉(zhuǎn)彎半徑成為測(cè)試路徑規(guī)劃中的首要考慮因素。測(cè)試過(guò)程中，車輛經(jīng)過(guò)標(biāo)示線速度后不再增加。對(duì)由L1經(jīng)過(guò)A1進(jìn)入L2這段距離研究分析時(shí)可近似認(rèn)為車速不變，并且考慮到汽車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的強(qiáng)非線性特征，故對(duì)測(cè)試車輛采用預(yù)瞄點(diǎn)控制方法。

預(yù)瞄控制基于汽車行駛軌跡與預(yù)期路徑誤差最小原則，將預(yù)瞄點(diǎn)位置和車輛實(shí)時(shí)的位置、速度作為整個(gè)控制系統(tǒng)的輸入，通過(guò)計(jì)算車輛理想橫向加速度并考慮駕駛員反應(yīng)滯后和車輛動(dòng)態(tài)反應(yīng)滯后的誤差，最終實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的測(cè)試車輛軌跡控制。

圖8為測(cè)試車輛經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向區(qū)域A1時(shí)的規(guī)劃路徑，當(dāng)測(cè)試車輛行駛至C1位置時(shí)完成轉(zhuǎn)向角度為θ1的左轉(zhuǎn)動(dòng)作，以O(shè)1為圓心，R1為半徑沿圓弧C1C2轉(zhuǎn)向行駛至C2，隨后直線行駛至C3，最后以O(shè)2為圓心，R2為半徑沿圓弧C3C4轉(zhuǎn)向行駛至C4，完成測(cè)試要求的第一次轉(zhuǎn)向。

當(dāng)測(cè)試車輛行駛進(jìn)入轉(zhuǎn)向區(qū)域A2前，車速相對(duì)轉(zhuǎn)向區(qū)域A1略有降低且直行路段L3寬度增加，車輛的轉(zhuǎn)向控制難度降低，在控制流程中，操作步驟與轉(zhuǎn)向區(qū)域A1相同，只是轉(zhuǎn)向方向改為右轉(zhuǎn)向，在此不再進(jìn)行贅述。

中國(guó)汽車技術(shù)研究中根據(jù)ISO麋鹿測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了場(chǎng)地規(guī)劃，基于預(yù)瞄點(diǎn)路徑規(guī)劃的PID控制算法對(duì)智能駕駛機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行控制，最終操控長(zhǎng)城汽車某款SUV以30Km/h和50Km/h的行駛速度（如圖9所示）順利完成了麋鹿測(cè)試。

4 總結(jié)

伴隨著ADAS技術(shù)的逐漸成熟，汽車的智能化程度也越來(lái)越高。中國(guó)的道路交通場(chǎng)景中包括機(jī)動(dòng)車、自行車、電動(dòng)車、行人等多個(gè)參與者使得駕駛場(chǎng)景更為復(fù)雜，因此，對(duì)汽車的安全性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。

智能駕駛機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和成熟，為傳統(tǒng)的被動(dòng)安全性能測(cè)試和以麋鹿測(cè)試為代表的主動(dòng)安全性能測(cè)試場(chǎng)景中的高危測(cè)試場(chǎng)景提供了行之有效的解決方案，一方面最大限度的保障測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，另一方面也最大程度的保障了實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]于凱，吳志新，鄭繼虎，等.智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)[M].北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2019：1-2.

[2]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司.C-NCAP管理規(guī)則（2018年版）[S].2018：8-9.

[3]ISO 3888-2：2002，Passenger cars-Test track for a severe lane-change manoeuvre-Part 2：Obstacle avoidance[S].2003.

[4]http：//dy.163.com/v2/article/detail/E389UP7U0521C5UM.html，2018.