高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Level 2）開(kāi)發(fā)研究

何班本 文翊 劉帥

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢430056）

主題詞：自動(dòng)駕駛 高級(jí)駕駛輔助（ADAS） 硬件構(gòu)架 網(wǎng)聯(lián)構(gòu)架

縮略語(yǔ)

ADAS Advanced Driving Assistance System ESC Electronic Speed Controller EPS Electric Power Steering EMS Engine Management System VCU Vehicle control unit ACC Adaptive Cruise Control LDW Lane Departure Warning System LKA Lane Keep Assistant System LCA Lane Center Assistant System ICA Intelligent Cruise Assist

0 引言

汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)早已進(jìn)入白熱化狀態(tài)，目前，汽車的客觀性指標(biāo)（汽車性能、配置、可靠耐久性、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性）已經(jīng)成為業(yè)界的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。汽車消費(fèi)者不僅僅把目光聚焦在品牌、外觀、內(nèi)飾等因素上，也開(kāi)始關(guān)注車輛的智能輔助駕駛等科技技術(shù)。

1 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS, Advanced Driving Assistance System）利用傳感器（包括雷達(dá)、攝像頭以及衛(wèi)星導(dǎo)航等），在汽車行駛過(guò)程中，實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍環(huán)境、收集數(shù)據(jù)、感知融合。通過(guò)ADAS控制器，對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，最后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ESC、EPS、EMS 或VCU）對(duì)車輛進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高級(jí)輔助駕駛功能。

1.1 自動(dòng)駕駛分級(jí)及高級(jí)輔助駕駛

如表1所示，參考SAE自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分，將自動(dòng)駕駛劃分為6個(gè)等級(jí)，Level 0僅針對(duì)輔助駕駛中的報(bào)警階段；Level 1是輔助駕駛；Level 2是部分自動(dòng)駕駛；Level 3 是有限自動(dòng)駕駛；Level 4 和Level 5 則是高度和完全自動(dòng)駕駛[1]。高級(jí)輔助駕駛（ADAS）主要是針對(duì)自動(dòng)駕駛的Level 0、Level 1、Level 2，從Level 2跨越到Level 3是高級(jí)駕駛輔助實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，技術(shù)最難突破。目前國(guó)內(nèi)智能汽車技術(shù)的發(fā)展還處于輔助駕駛階段，距離最高層次的無(wú)人駕駛尚需時(shí)日。

表1 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分級(jí)[1]

1.2 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Level 2）

目前國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛Level 2 級(jí)別高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），現(xiàn)介紹Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)。

Level 2 級(jí)別的ADAS 系統(tǒng)利用環(huán)境感知傳感器（前毫米波雷達(dá)、前攝像頭），在汽車行駛過(guò)程中，感知周圍的道路環(huán)境?？刂茊卧獙?duì)環(huán)境原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并替代駕駛員分析決策車輛下一步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)給EPS、ESC、EMS/VCU發(fā)送相應(yīng)指令，對(duì)車輛橫向和縱向進(jìn)行閉環(huán)控制[2]。

(1)Level 2 級(jí)別的ADAS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)橫向和縱向控制的主要功能

ACC-自適應(yīng)巡航：能實(shí)現(xiàn)全速范圍(0～150 km/h)內(nèi)控制本車跟隨前車起步或者停下；

AEB-自動(dòng)緊急制動(dòng)：AEB-C 能針對(duì)前車緊急制動(dòng)工況，輔助本車駕駛員制動(dòng)，以避免或者減緩碰撞，AEB-P能針對(duì)本車前方橫穿行人工況，輔助本車駕駛員制動(dòng)，以避免或者減緩碰撞；

FCW-前碰撞預(yù)警：在與前車存在追尾碰撞危險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)報(bào)警提醒駕駛員及時(shí)制動(dòng)；

LDW-車道偏離預(yù)警：高速工況下駕駛員無(wú)意識(shí)偏離車道時(shí)對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒；

LKA-車道保持輔助：高速狀態(tài)下，若車輛偏離車道且未開(kāi)啟轉(zhuǎn)向燈，系統(tǒng)自動(dòng)提供方向盤糾正力矩對(duì)車輛進(jìn)行糾偏；

LCA-車道居中輔助：高速狀態(tài)下，采用自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，形成橫向控制的持續(xù)干預(yù)，確保車輛一直在車道中間。

(2)Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)硬件架構(gòu)

車輛增加前毫米波雷達(dá)和前攝像頭便能實(shí)現(xiàn)Level 2 級(jí)系統(tǒng)功能，相應(yīng)的系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括：前毫米波雷達(dá)、前攝像頭、ESC、EPS 和EMS/VCU（ADAS 執(zhí)行機(jī)構(gòu)），以及快撥鍵和組合儀表（ADAS 人機(jī)交互），如圖1所示。

圖1 Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)硬件架構(gòu)

(3)Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)Level 2級(jí)系統(tǒng)功能，駕駛員通過(guò)方向盤快撥鍵或MP5開(kāi)啟ADAS 相關(guān)功能，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將開(kāi)啟功能信號(hào)發(fā)送至整車CAN總線，雷達(dá)和攝像頭對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，控制器將決策控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（ESC、EPS、EMS/VCU），同時(shí)將ADAS 狀態(tài)信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給儀表，如圖2所示。

2 基于某款電動(dòng)汽車的ADAS（Level 2）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)Level 2開(kāi)發(fā)，分為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)整車集成開(kāi)發(fā)。本文介紹ADAS系統(tǒng)整車集成開(kāi)發(fā)，主要分為需求定義階段、方案詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、方案驗(yàn)證及完善階段、產(chǎn)品投放階段。本文以某款純電動(dòng)汽車項(xiàng)目的Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為例，進(jìn)行開(kāi)發(fā)說(shuō)明。

2.1 需求定義階段

根據(jù)配置定義和整車參數(shù)性能要求，對(duì)ADAS 系統(tǒng)完成競(jìng)品分析、功能可行性及需求分析、系統(tǒng)功能定義及方案構(gòu)想設(shè)計(jì)，如表2所示，同時(shí)完成零部件布置及接口設(shè)計(jì)、供應(yīng)商定點(diǎn)、關(guān)聯(lián)系統(tǒng)初步需求發(fā)布、確定功能安全目標(biāo)。

圖2 Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表2 ADAS 功能包及配置

2.2 方案詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

簽訂系統(tǒng)開(kāi)發(fā)合同和技術(shù)協(xié)議，開(kāi)展產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)：包括確定系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范、完善功能性能定義、系統(tǒng)用電信息表、布置接口定義、功能安全定義、以及對(duì)VCU/ESC/EPS/IC/MP5/BCM/線束/等相關(guān)系統(tǒng)需求文檔編制和固化，最后制定智能駕駛系統(tǒng)診斷協(xié)議和下線檢測(cè)方案，形成診斷規(guī)范，完成產(chǎn)品認(rèn)可。下面以布置接口定義和對(duì)相關(guān)系統(tǒng)需求進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

2.2.1 布置接口定義

根據(jù)雷達(dá)性能參數(shù)要求、車身造型，設(shè)定前雷達(dá)合理的布置位置。雷達(dá)離地高度（雷達(dá)天線軸到地面的垂直距離）推薦50 cm 左右，但當(dāng)離地高度接近30 cm 可能會(huì)有過(guò)多的地面反射信號(hào)干擾。雷達(dá)與保護(hù)蓋之間的距離大于8 mm（2 倍波長(zhǎng)，避免復(fù)雜近場(chǎng)對(duì)雷達(dá)波束的影響）且小于50 mm（避免過(guò)大的雷達(dá)波相交面）。雷達(dá)橫向位置坐標(biāo)在-30 cm～30 cm。

圖3 ADAS前雷達(dá)和前攝像頭布置示意

如圖3 所示，前攝像頭最好的垂直安裝位置是擋風(fēng)玻璃的中心，但允許偏移擋風(fēng)玻璃中心線10 cm 以內(nèi)。支架應(yīng)該安裝在干凈的玻璃區(qū)域內(nèi)，保證攝像頭視角區(qū)域不能被絹印或者被其它物體遮擋。鏡頭模塊與擋風(fēng)玻璃之間應(yīng)該保證至少1 mm的間隙。開(kāi)口應(yīng)該由投影在擋風(fēng)玻璃各層的視角決定，支架安裝在擋風(fēng)玻璃的位置公差通常是±1 mm（定位）和±2.5°（旋轉(zhuǎn)），如圖3。

2.2.2 相關(guān)系統(tǒng)需求

Level 2級(jí)別的ADAS系統(tǒng)的典型代表功能是ICA（Intelligent Cruise Assist）單車道智能巡航控制，融合了對(duì)車身的縱向（全速自適應(yīng)巡航控制）和橫向（車道居中輔助）的控制，從而在減輕駕駛疲勞的同時(shí)保證在擁堵?tīng)顩r下的行車安全。該系統(tǒng)可以根據(jù)路況選擇跟隨前車或?qū)④嚿肀３衷谲嚨乐醒搿?/p>

(1)相關(guān)舒適性要求

系統(tǒng)控制車輛沿中心線行駛，行駛范圍距離中心范圍誤差不超過(guò)20 cm，側(cè)向加速度控制在±3 m/s2內(nèi)；平路巡航速度控制精度±1 km/h, 坡路巡航速度控制精度±3 km/h；在車速高于20 m/s 后，最大減速度不得超過(guò)3.5 m/s2；當(dāng)車速低于5 m/s后，最大減速度不得超過(guò)5 m/s2。

(2)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（VCU/ESC/EPS）性能要求

對(duì)關(guān)聯(lián)控制器要求—VCU：車輪端真實(shí)扭矩（整車控制器在CAN上發(fā)送的值）和實(shí)際（物理）車輪端扭矩的延遲不能超過(guò)200 ms，最大偏差±40 N·m；初始請(qǐng)求的扭矩和實(shí)際（物理）輪端扭矩延遲不能超過(guò)700 ms；請(qǐng)求的扭矩和實(shí)際（物理）輪端扭矩延遲不能超過(guò)300 ms，如圖4所示。

圖4 ADAS 對(duì)VCU扭矩要求

關(guān)聯(lián)控制器要求—ESC：AEB 制動(dòng)過(guò)程中需要啟動(dòng)車身穩(wěn)定控制，制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先保證車身穩(wěn)定；制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)正確響應(yīng)ADAS 發(fā)出的prefill 請(qǐng)求；制動(dòng)系統(tǒng)在響應(yīng)ADAS 減速請(qǐng)求時(shí)應(yīng)點(diǎn)亮制動(dòng)燈；ADAS 請(qǐng)求發(fā)出到開(kāi)始剎車的延遲時(shí)間應(yīng)小于60 ms；為了保證剎車性能，在達(dá)到穩(wěn)定的減速值前，超調(diào)值不應(yīng)大于實(shí)際請(qǐng)求值的30%；主車執(zhí)行自動(dòng)剎車剎停后，剎車系統(tǒng)應(yīng)該保持有足夠的制動(dòng)力以在1.5 s 內(nèi)使車輛保持停止，如圖5所示。

圖5 ADAS對(duì)ESC要求

對(duì)關(guān)聯(lián)控制器要求—EPS：在ADAS 功能發(fā)出目標(biāo)轉(zhuǎn)角/扭矩后，EPS對(duì)此信號(hào)能較好的響應(yīng)。響應(yīng)延遲小（跟蹤誤差＜100 ms），不允許存在與目標(biāo)信號(hào)相反的偏差（無(wú)下沖），最大穩(wěn)定時(shí)間＜150 ms，盡可能避免超調(diào)（超調(diào)量＜5%或1°，以較高者為準(zhǔn)），穩(wěn)態(tài)誤差控制在一定的范圍內(nèi)（＜3%或0.5°或0.1+0.1×目標(biāo)轉(zhuǎn)角值，較大者為準(zhǔn)）,如圖6。

圖6 ADAS對(duì)EPS要求

2.2.3 相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

在對(duì)各相關(guān)系統(tǒng)確定需求后，根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期和不同階段樣車狀態(tài)，需開(kāi)展約3次大范圍的聯(lián)合調(diào)試以逐步確定信號(hào)的穩(wěn)定連接、功能的實(shí)現(xiàn)、性能的達(dá)成，見(jiàn)表3。

2.3 方案驗(yàn)證及完善階段

2.3.1 方案驗(yàn)證

硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來(lái)模擬受控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)I/O 接口與被測(cè)ECU 連接，搭載整車后，在整車層面上進(jìn)行全方位的功能、性能試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證ADAS 系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

表3 ADAS/ESC/EPS/VCU聯(lián)合調(diào)試

試驗(yàn)策劃包括試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置、試驗(yàn)公里數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)定、試驗(yàn)設(shè)備選擇。試驗(yàn)周期的設(shè)定依據(jù)試驗(yàn)公里數(shù)和試驗(yàn)車輛臺(tái)數(shù)確定，一臺(tái)車按每天約500 km 計(jì)算。試驗(yàn)公里數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定：ADAS系統(tǒng)第一次搭載整車項(xiàng)目，試驗(yàn)公里數(shù)建議不少于600000 km；ADAS 系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力總成變化等適配項(xiàng)目，試驗(yàn)公里數(shù)建議不少于50000 km。

依據(jù)ADAS系統(tǒng)的功能/性能設(shè)定試驗(yàn)場(chǎng)景，逐項(xiàng)對(duì)功能/性能達(dá)成情況進(jìn)行點(diǎn)檢。自動(dòng)駕駛Level 2 級(jí)別的ADAS系統(tǒng)的典型特征是能同時(shí)對(duì)車輛縱向及橫向進(jìn)行控制，下面以縱向控制（ACC）進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。用目標(biāo)車以恒定速度切入到測(cè)試車輛后方為例，進(jìn)行測(cè)試案例介紹。

對(duì)于HOST車輛（測(cè)試車輛），駕駛員啟動(dòng)ACC，設(shè)定巡航速度為100 km/h，設(shè)定車間時(shí)距3 s，切入距離20 m；對(duì)于LV 車輛（目標(biāo)車輛），設(shè)定速度80 km/h，當(dāng)HOST車輛切入約1 s后目標(biāo)車輛減速；

要求自適應(yīng)巡航系統(tǒng)減速平穩(wěn)，無(wú)制動(dòng)系統(tǒng)過(guò)度制動(dòng)現(xiàn)象；要求自適應(yīng)巡航系統(tǒng)減速過(guò)程中，無(wú)明顯的噪音及振動(dòng)產(chǎn)生；要求車輛達(dá)到穩(wěn)態(tài)定速巡航后，實(shí)際車速與巡航設(shè)定車速間的誤差小于3 km/h.；要求車輛減速度低于減速度上限；要求車輛減速度變化低于減速度變化上限；要求系統(tǒng)能夠在自車開(kāi)始侵入前車車道前識(shí)別前車為非自車車道車輛，在自車侵入前車車道半個(gè)車身后識(shí)別前車為自車車道車輛，如表4。

表4 ACC測(cè)試場(chǎng)景

2.3.2 方案完善

方案完善階段，對(duì)ADAS 專項(xiàng)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，進(jìn)行原因分析、對(duì)策制定、方案修改裝車、改善效果確認(rèn)。下面以在Level 2 級(jí)別的ADAS 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一起質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

問(wèn)題描述：ACC 激活，設(shè)定車速74 km/h，超越模式下，實(shí)際車速80 km/h，自車前方有目標(biāo)車，車距較遠(yuǎn)，駕駛員松開(kāi)油門踏板后，自車開(kāi)始減速到26 km/h，直到目標(biāo)車消失，自車才開(kāi)始加速。

原因分析：ACC 應(yīng)用PID 控制策略將加速請(qǐng)求轉(zhuǎn)化成扭矩請(qǐng)求。電動(dòng)車可以提供比燃油車大很多的負(fù)扭矩以支持ACC 減速，在駕駛員接管控制時(shí)，ACC計(jì)算減速度請(qǐng)求，并一直進(jìn)行負(fù)扭矩請(qǐng)求，這個(gè)過(guò)程中積分項(xiàng)一直累加負(fù)扭矩，直到最大負(fù)扭矩，當(dāng)松開(kāi)油門后ACC請(qǐng)求正扭矩，實(shí)際請(qǐng)求扭矩會(huì)從該負(fù)扭矩開(kāi)始請(qǐng)求，導(dǎo)致減速感受差。

對(duì)策制定：更新ACC 控制模塊,在軟件中增加I Gain的重置。當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門踏板后，系統(tǒng)由ACC Override 模式切換到ACC 系統(tǒng)控制模式，將ACC 在Override模式下的I Gain累積的負(fù)偏差量請(qǐng)求重置，可立即從極低的負(fù)扭矩請(qǐng)求重置回到正扭矩請(qǐng)求。

改善效果確認(rèn)：將更新優(yōu)化后的軟件刷寫到試驗(yàn)車輛，進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)車測(cè)試效果良好，如圖7所示。

3 結(jié)語(yǔ)

ADAS 系統(tǒng)由駕駛員來(lái)決定駕駛權(quán)的分配，環(huán)境感知傳感器（前雷達(dá)和前攝像頭）對(duì)車道線和車輛的識(shí)別率達(dá)到92%～95%，但還是存在漏報(bào)危險(xiǎn)，因此駕駛員必須承擔(dān)完整的環(huán)境感知和車輛操縱任務(wù)。使用單車道智能巡航控制功能時(shí)，駕駛員仍需要持續(xù)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，且雙手不能脫離方向盤。在需要駕駛員接管的情況下（如轉(zhuǎn)向、超車、并道、系統(tǒng)故障、意外操作等），駕駛員需要承擔(dān)駕駛工作。

圖7 ACC測(cè)試數(shù)據(jù)分析