基于事故數(shù)據(jù)行人AEB系統(tǒng)傳感器參數(shù)優(yōu)化

邱圓超, 朱宜燦

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 上海 201620)

隨著當(dāng)今世界科技水平不斷進(jìn)步,汽車(chē)行業(yè)也逐漸朝著電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展,但安全同樣是不容忽視的問(wèn)題.我國(guó)道路交通情況復(fù)雜,人車(chē)混行現(xiàn)象較多,行人作為道路使用者中的弱勢(shì)群體,整體傷亡量非常大[1].先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System,ADAS)作為自動(dòng)駕駛的重要組成部分,能夠幫助駕駛員避免或減輕事故危害.德國(guó)聯(lián)邦交通研究所(BASt)研究表明,70%嚴(yán)重交通事故都可以通過(guò)ADAS避免[2].自動(dòng)緊急制動(dòng)(Autonomous Emergency Braking,AEB)系統(tǒng)是ADAS系統(tǒng)中備受關(guān)注的一種,對(duì)提高車(chē)輛安全有很大作用.

AEB系統(tǒng)利用各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛前方環(huán)境,并根據(jù)算法預(yù)判當(dāng)前環(huán)境危險(xiǎn)程度,當(dāng)檢測(cè)到前方有潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí),系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警告以提醒駕駛員采取措施規(guī)避危險(xiǎn),并在駕駛員沒(méi)有及時(shí)對(duì)警告信號(hào)做出反應(yīng)或采取的制動(dòng)力不足且碰撞危險(xiǎn)變得十分緊急時(shí),系統(tǒng)提供制動(dòng)力,通過(guò)自動(dòng)制動(dòng)主動(dòng)介入方式來(lái)避免碰撞事故發(fā)生或減輕碰撞事故嚴(yán)重程度[3-5].近年來(lái),歐美日等地區(qū)在行人保護(hù)方面愈加重視,如歐盟汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系第127條(ECE R127)《機(jī)動(dòng)車(chē)輛關(guān)于行人安全性能的統(tǒng)一規(guī)定》已作為歐盟強(qiáng)制法規(guī),行人保護(hù)相關(guān)測(cè)試規(guī)程也逐漸成為安全星級(jí)評(píng)價(jià)的一部分.在國(guó)內(nèi),行人保護(hù)技術(shù)相對(duì)落后,以中國(guó)特色交通數(shù)據(jù)為依托,加強(qiáng)這方面技術(shù)研發(fā)迫在眉睫.2014年,歐洲新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程Euro-NCAP正式將AEB系統(tǒng)納入新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程[6],同時(shí)在2016年將行人AEB系統(tǒng)作為弱勢(shì)道路使用者(VRU)保護(hù)的一部分;中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)[7]從2018年開(kāi)始也將AEB納入評(píng)分體系中,其中包括行人自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試.

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)AEB系統(tǒng)的研究也越來(lái)越多,Anderson等[8]通過(guò)對(duì)AEB系統(tǒng)傳感器參數(shù)、系統(tǒng)延遲、制動(dòng)減速度等進(jìn)行分析,得出系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)其效用的影響;Huang等[9]分析瑞典人車(chē)事故相對(duì)位置特征以及AEB系統(tǒng)識(shí)別精度的影響因素等,并通過(guò)一系列試驗(yàn)得到識(shí)別系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)值;同濟(jì)大學(xué)李霖等[10-12]根據(jù)行車(chē)記錄儀記錄的實(shí)際道路狀況,著重分析自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景,并在PreScan軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn);廣汽研究院劉建平等[13]通過(guò)對(duì)不同車(chē)型AEB系統(tǒng)性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,得到AEB系統(tǒng)即碰時(shí)間(TTC)值設(shè)置在0.5～1.2 s更為合理;Chen等[14]基于事故數(shù)據(jù)分析3種中國(guó)典型行人危險(xiǎn)場(chǎng)景,研究發(fā)現(xiàn)AEB系統(tǒng)可以減少20%行人碰撞事故.

本研究通過(guò)PC-Crash進(jìn)行52個(gè)車(chē)輛與行人碰撞事故案例重建,基于目前主流傳感器參數(shù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景確定最優(yōu)組合,并采用PreScan軟件搭建52個(gè)真實(shí)事故測(cè)試場(chǎng)景,驗(yàn)證所選參數(shù)有效性,為建立適用于我國(guó)真實(shí)道路交通情況的行人AEB系統(tǒng)提供參考.

1 事故案例篩選與分析

1.1 事故來(lái)源

本文所選真實(shí)交通事故數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家車(chē)輛事故深度調(diào)查體系(National Automobile Accident In-depth Investigation System,NAIS)上海松江站點(diǎn)近5年來(lái)所采集的事故案例,每個(gè)事故案例經(jīng)過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)采集、事故分析、PC-Crash事故重建、視頻分析等方式進(jìn)行過(guò)程還原,最終提煉出包含2 200余項(xiàng)參數(shù)變量的深度事故數(shù)據(jù).本文根據(jù)AEB適用條件,從事故重建準(zhǔn)確性角度出發(fā),制定以下原則來(lái)篩選數(shù)據(jù).

1) 事故參與方行人僅涉及1人,同時(shí)也不包括碰撞推行二輪車(chē)人員或二次碰撞等案例;

2) 事故參與方車(chē)輛車(chē)型為轎車(chē)、SUV或MPV,且為單一車(chē)輛參與,不包括兩車(chē)或多車(chē)連續(xù)碰撞;

3) 碰撞事故帶有事發(fā)視頻或汽車(chē)事故數(shù)據(jù)記錄器(Event Data Recorder,EDR)數(shù)據(jù).

1.2 事故案例分析

按照篩選原則,從松江案例庫(kù)共篩選出52個(gè)樣本.通過(guò)采集到的車(chē)輛損壞、行人傷害、事故環(huán)境等信息,運(yùn)用PC-Crash軟件進(jìn)行事故重建,并通過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)視頻或者EDR數(shù)據(jù)進(jìn)行事故信息校準(zhǔn),最終得到碰撞全過(guò)程,部分車(chē)輛與行人碰撞事故案例見(jiàn)表1.

表1 部分車(chē)輛與行人碰撞事故案例Table 1 Some cases of collision accident between vehicle and pedestrian

通過(guò)分析52個(gè)事故案例,得到碰撞車(chē)速一般分布在40～60 km/h,約占樣本案例38.6%,車(chē)輛與行人發(fā)生碰撞時(shí)平均碰撞速度為54.1 km/h,行人平均速度為5.8 km/h,如圖1和圖2所示,可作為仿真分析時(shí)車(chē)輛與行人速度選取依據(jù).

圖1 車(chē)輛碰撞速度Fig.1 Collision speed of vehicle

圖2 行人運(yùn)動(dòng)速度Fig.2 Movement speed of pedestrian

2 傳感器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化參數(shù)確定

行人AEB系統(tǒng)大多數(shù)使用雷達(dá)和攝像頭進(jìn)行傳感器融合,基于探測(cè)模塊對(duì)前方障礙物進(jìn)行識(shí)別,持續(xù)判斷危險(xiǎn)程度,并通過(guò)自動(dòng)制動(dòng)以避免或減輕事故傷害.傳統(tǒng)AEB避撞大多采用單級(jí)制動(dòng)策略,往往會(huì)比駕駛員正常避撞操作更突然,影響駕乘體驗(yàn).本文以駕駛員舒適性分級(jí)制動(dòng)策略為基礎(chǔ),進(jìn)行傳感器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化.

行人AEB系統(tǒng)傳感器參數(shù)主要涉及雷達(dá)水平探測(cè)角度θ、攝像機(jī)電荷耦合器件(CCD)尺寸和雷達(dá)探測(cè)距離等,而雷達(dá)探測(cè)距離與水平探測(cè)角度存在一定相關(guān)性.雷達(dá)水平探測(cè)角度決定行人被探測(cè)到的概率,且隨著探測(cè)角度增加,事故中行人被探測(cè)到的概率均增加[15],從而降低碰撞速度或避免發(fā)生碰撞,而攝像機(jī)CCD尺寸與視場(chǎng)角相關(guān),因此正確選擇CCD尺寸可以使系統(tǒng)得到最優(yōu)化設(shè)計(jì).

本文選擇θ、CCD尺寸作為參數(shù)優(yōu)化對(duì)象,并從系統(tǒng)安全性角度出發(fā),以無(wú)碰撞時(shí)停止距離和碰撞速度最優(yōu)解為最終指標(biāo),即無(wú)碰撞時(shí)與目標(biāo)行人距離越遠(yuǎn),有碰撞時(shí)與目標(biāo)行人碰撞速度越小,系統(tǒng)效果越好.將不同傳感器參數(shù)分別設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行PreScan虛擬測(cè)試,得出該場(chǎng)景下試驗(yàn)指標(biāo).目前市面上主流傳感器設(shè)定值見(jiàn)表2.

表2 傳感器設(shè)置Table 2 Sensor setting

2.2 不同場(chǎng)景最優(yōu)參數(shù)組合確定

為確定雷達(dá)和攝像機(jī)參數(shù)最優(yōu)組合,本文選擇Euro-NCAP[6]中4種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試,如圖3所示.首先進(jìn)行每一個(gè)場(chǎng)景最優(yōu)參數(shù)搭配,并在PreScan軟件中進(jìn)行仿真分析,雷達(dá)和攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置如圖4和圖5所示,然后再進(jìn)行各場(chǎng)景最終搭配與仿真分析.

圖3 Euro-NCAP標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景Fig.3 Standard test scenarios of Euro-NCAP

本文依據(jù)事故案例得出的碰撞速度選擇仿真測(cè)試中車(chē)輛與行人速度,行人速度設(shè)為5 km/h不變,選 取車(chē)速為40和60 km/h進(jìn)行測(cè)試,分別將雷達(dá)與攝像機(jī)不同參數(shù)設(shè)置進(jìn)行搭配,每一種搭配進(jìn)行一次仿真測(cè)試,由于測(cè)試次數(shù)較多,僅展示圖3(a)中場(chǎng)景1測(cè)試結(jié)果,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3.

圖4 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameters setting of radar

圖5 攝像機(jī)參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameters setting of camera

由表3可以得到,對(duì)場(chǎng)景1不同試驗(yàn)工況進(jìn)行不同參數(shù)組合測(cè)試,θ為80°、CCD為1/2英寸,車(chē)速為40 km/h時(shí),完全避免碰撞,且與目標(biāo)行人距離最遠(yuǎn);車(chē)速為60 km/h時(shí),沒(méi)有避免碰撞,但其碰撞速度遠(yuǎn)低于其他參數(shù)組合;分別用同樣方式應(yīng)用到各個(gè)場(chǎng)景,最終得到各個(gè)場(chǎng)景最優(yōu)組合,見(jiàn)表4.

2.3 最優(yōu)參數(shù)組合確定

仿真測(cè)試結(jié)果表明,Euro-NCAP中每一個(gè)場(chǎng)景最優(yōu)傳感器參數(shù)組合基本都存在差異,以此為基礎(chǔ),把得到的各個(gè)場(chǎng)景傳感器最優(yōu)參數(shù)組合分別應(yīng)用到其他場(chǎng)景中,以最終確定適用于4個(gè)場(chǎng)景的最優(yōu)組合,測(cè)試方案及結(jié)果見(jiàn)表5.

由表中數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論:

1) 對(duì)于車(chē)輛行駛速度在40 km/h以下的試驗(yàn)工況,碰撞均能夠避免;

2) 車(chē)輛行駛速度為60 km/h時(shí),碰撞均無(wú)法避免,但是碰撞速度大幅降低;

表3 仿真測(cè)試結(jié)果Table 3 Simulation test results

表4 不同測(cè)試場(chǎng)景下傳感器最優(yōu)參數(shù)組合Table 4 Sensor optimal parameters combination under different test scenarios

表5 測(cè)試方案及結(jié)果Table 5 Test plan and results

3) 將試驗(yàn)中無(wú)碰撞時(shí)與目標(biāo)行人的距離以及碰撞時(shí)的碰撞速度求和,得到當(dāng)θ為80 °、CCD為1/2英寸時(shí),4個(gè)場(chǎng)景下無(wú)碰撞時(shí)與目標(biāo)距離求和最大為2.94 m,大于其他兩種組合的2.46 m與2.06 m,碰撞時(shí)速度求和最小為147.1 km/h,小于其他兩種組合的151.7 km/h與150.7 km/h.

結(jié)合PreScan仿真數(shù)據(jù)與分析結(jié)果,最終得到可以適用于4種場(chǎng)景傳感器最優(yōu)參數(shù)組合,θ為80°,攝像機(jī)CCD為1/2尺寸.

3 參數(shù)優(yōu)化后仿真分析

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化后行人AEB系統(tǒng)效果,以及對(duì)我國(guó)實(shí)際道路交通情況的適用性,將優(yōu)化前后行人AEB系統(tǒng)應(yīng)用到52個(gè)人車(chē)事故樣本案例中,并進(jìn)行PC-Crash事故重建,如圖6和圖7所示,然后在PreScan軟件中搭建52個(gè)測(cè)試場(chǎng)景,并進(jìn)行虛擬測(cè)試仿真,部分測(cè)試場(chǎng)景如圖8所示.

將52個(gè)事故案例進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后的仿真分析,并記錄每一個(gè)事故案例的碰撞速度,最終根據(jù)事故前車(chē)輛速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,仿真結(jié)果見(jiàn)表6.

圖6 真實(shí)環(huán)境事故示意圖Fig.6 Schematic diagram of real environmental accident

圖7 事故過(guò)程CAD圖Fig.7 CAD drawing of accident process

表6 優(yōu)化后仿真結(jié)果Table 6 Simulation results after optimization

仿真測(cè)試結(jié)果表明,有一半事故能夠完全避免.當(dāng)車(chē)速小于40 km/h時(shí),碰撞能夠避免,當(dāng)車(chē)速在40～60 km/h行駛時(shí),有 18例事故不會(huì)發(fā)生碰撞,其余12例事故案例碰撞車(chē)速都小于40 km/h;當(dāng)車(chē)輛行駛速度大于60 km/h 時(shí),有2例事故碰撞速度小于40 km/h,其余均大于40 km/h,測(cè)試結(jié)果表明優(yōu)化后的AEB系統(tǒng)達(dá)到避免或減緩碰撞的效果.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)行人AEB系統(tǒng)傳感器參數(shù)設(shè)置進(jìn)行研究,通過(guò)Euro-NCAP標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試場(chǎng)景得到傳感器最 優(yōu)參數(shù)組合,即雷達(dá)水平探測(cè)角為80°,攝像機(jī)CCD為1/2英寸.通過(guò)PreScan軟件將參數(shù)優(yōu)化后AEB系統(tǒng)應(yīng)用于52個(gè)真實(shí)事故案例中,驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)組合具有可行性.此外,參數(shù)優(yōu)化后AEB系統(tǒng)雖已達(dá)到避免或減緩碰撞的效果,但在車(chē)輛高速行駛時(shí)的表現(xiàn)卻不盡如人意,車(chē)輛高速避撞將成為下一步的研究重點(diǎn).

圖8 部分PreScan測(cè)試場(chǎng)景Fig.8 Some test scenarios in PreScan