車輛自動緊急制動系統(tǒng)仿真與應(yīng)用研究

曾 杰，游國平，胡 雄，廖 偉，丁雪聰

(1.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量檢驗檢測中心(重慶)，重慶 401329；2.汽車主動安全測試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化重點實驗室，重慶 401329)

自動緊急制動系統(tǒng)(AEBS)是車輛主動安全的重要技術(shù)之一，AEBS在駕駛員無法正確辨識前方道路上的危險碰撞工況時，通過自動緊急制動操作降低車速，以減緩碰撞速度或避免碰撞[1-3]。AEBS主要由感知、決策、控制、執(zhí)行四部分組成[4]，感知模塊主要由毫米波雷達和攝像頭組成，決策模型通常以碰撞時間TTC、與目標物相對速度、相對距離、自車速度、減速度等參數(shù)構(gòu)成，并通過向EBS、ESP系統(tǒng)請求車輛制動減速度以達到降低車速的目標[5]。AEBS研發(fā)過程中，常使用場景軟件、動力學(xué)模型軟件、控制模型軟件進行聯(lián)合仿真,文獻[6-7]使用Trucksim/Carsim與simulink對AEBS控制策略進行仿真，文獻[8-9]使用Prescan+Carsim+simulink搭建AEBS的仿真測試平臺，研究AEBS的控制策略與人機交互系統(tǒng)。多軟件聯(lián)合仿真將提高仿真建模的復(fù)雜度，同時增加系統(tǒng)仿真成本[10]。本文聚焦某型客車的制動性能，使用單一的SCANeR場景仿真軟件中自帶的客車車輛模型，并結(jié)合實車測試結(jié)果對所建客車車輛模型的制動性能準確度進行確認，隨后把所設(shè)計的AEBS模型編輯為可執(zhí)行程序文件，嵌入至SCANeR軟件的進程中調(diào)用，實現(xiàn)測試工況場景、控制模型、車輛仿真模型在同一平臺下的快速仿真。最后將仿真后的AEBS模型應(yīng)用至某型客車，通過具體的測試工況驗證AEBS仿真模型與實車場地測試的誤差，為AEBS開發(fā)和驗證過程提供技術(shù)參考。

1 客車SCANeR模型與模型驗證

在仿真環(huán)境中，車輛模型作為響應(yīng)AEBS制動命令的執(zhí)行器，車輛制動性能將直接影響AEBS的性能表現(xiàn)。本文使用SCANeR仿真軟件建立客車車輛模型與仿真場景，與傳統(tǒng)的動力學(xué)軟件比，SCANeR軟件集成了豐富的場景建模、傳感器建模、高保真渲染、多節(jié)點并行仿真的能力，具有豐富的動力學(xué)模塊和易于使用的硬件在環(huán)仿真接口，自帶了卡車、客車、乘用車等車輛模型，并可以對車輛模型進行常規(guī)的制動、加速、操穩(wěn)等性能仿真。SCANeR可直接調(diào)用Carsim等軟件所建立的動力學(xué)模型文件，并可將動力學(xué)模型部署在實時系統(tǒng)上運行，可直接支持硬件在環(huán)、整車在環(huán)仿真測試。

1.1 客車SCANeR模型建立

在對AEBS的決策與控制進行仿真時，需使用整車模型以響應(yīng)AEBS的制動命令。由于AEBS主要控制車輛的制動，因此需要建立整車的SCANeR模型，并重點關(guān)注整車模型與實車的縱向制動性能誤差，使AEBS的控制與決策算法的仿真結(jié)果可靠。

本文裝備AEBS的客車的車長為12 m，其EBS可直接通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送制動減速度請求。使用SCANeR車輛模型庫中與該客車外觀、底盤參數(shù)相近的車輛模型，如圖1所示。

圖1 客車實車與客車SCANeR模型

SCANeR自帶的整車模型屬于簡化模型，無法更改車輛的制動系統(tǒng)模塊，如制動主缸尺寸和主缸壓力等參數(shù)，但可調(diào)整SCANeR車輛模型中的最大制動踏板力BF(輸入)和設(shè)置制動響應(yīng)時間T0(輸出)，從而調(diào)節(jié)SCANeR車輛模型的最大制動減速度amax、從制動開始至車輛停止的制動距離d和耗時T1。其中，T0根據(jù)1.2節(jié)中的實車制動測試結(jié)果設(shè)置。當不斷調(diào)整BF使SCANeR車輛模型與實車的制動性能表現(xiàn)接近時，即認為用于AEBS仿真的客車SCANeR模型滿足使用要求。本文設(shè)定可接受的整車SCANeR模型仿真與實車制動試驗的結(jié)果誤差為：amax誤差的絕對值≤0.2 m/s2；d誤差的絕對值≤5 m；T1誤差的絕對值≤0.5 s。

1.2 客車SCANeR模型驗證

整車SCANeR模型的驗證過程如下：

1)根據(jù)實車初始制動試驗結(jié)果，設(shè)置整車SCANeR模型的初始最大制動踏板力BF(輸入)和相應(yīng)的T0(輸出)。

2)使用試驗中相同的制動工況，在SCANeR軟件中仿真整車SCANeR模型的制動性能參數(shù)amax、d和T1，若這三個參數(shù)均在上述設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，則驗證過程結(jié)束。

3)若三個參數(shù)中有一個不在誤差范圍內(nèi)，則相應(yīng)地增大或減少3 N的最大制動踏板力輸入BF，再重復(fù)步驟2)，直到三個參數(shù)都滿足上述設(shè)定誤差為止。

本文將客車實車加載至最大總質(zhì)量(18 000 kg)，試驗路面為干燥、平整、峰值附著系數(shù)大于0.8的制動專用路面[11]。為保證試驗結(jié)果的準確性，使用制動機器人進行制動試驗，制動開始車速為80 km/h。在車輛靜止時，通過制動機器人逐漸增加制動踏板力，達到最大制動踏板行程時的初始最大制動踏板力BF為378 N。隨后以該BF作為實車制動試驗的踏板力輸入，由測試設(shè)備測得的客車制動響應(yīng)時間T0為0.56 s。

最終SCANeR車輛模型與實車試驗驗證參數(shù)的對比如表1和圖2所示。

表1 制動踏板力與制動性能參數(shù)對比

圖2 制動減速度響應(yīng)曲線對比

2 AEBS仿真模型

AEBS仿真模型主要由傳感、碰撞評估算法、制動控制模塊組成，碰撞評估算法主要涉及碰撞時間、安全距離等參數(shù)[12]，同時根據(jù)車輛制動性能與駕駛員反應(yīng)時間，合理設(shè)置AEBS功能觸發(fā)的碰撞時間閾值。AEBS的環(huán)境感知主要為毫米波雷達，本文在SCANeR軟件中建立毫米波雷達模型，并將車輛前方的目標運動信息直接傳遞給AEBS仿真模型。AEBS模型根據(jù)與前方目標的碰撞風(fēng)險等級，向1.1節(jié)中的SCANeR整車模型請求制動減速度。由于主要針對研究AEBS的決策與控制算法，從而省略了油門、轉(zhuǎn)向、制動踏板輸入。

2.1 分級碰撞風(fēng)險評估模型

本文考慮實際道路上車輛的加速和制動場景，采用強化碰撞距離時間ETTC[11]作為設(shè)計AEBS仿真模型的重要閾值參數(shù)，ETTC由式(1)定義：

(1)

式中:vsv、vtv分別為自車與前車的速度;asv、atv分別為自車與前車的加速度；Rt為自車與前車的相對距離。

本文以ETTC將AEBS功能劃分為三個階段，設(shè)計了分級碰撞風(fēng)險評估模型:① 當ETTC>Tw時，車輛處于安全距離階段，不發(fā)出任何預(yù)警或制動措施；② 當ETTC ≤Tw時，車輛處于預(yù)警階段以提醒駕駛員，并使用輕微制動；③ 當ETTC ≤Tb時，預(yù)警階段結(jié)束，車輛進入緊急制動階段，且向車輛制動系統(tǒng)請求相應(yīng)的制動減速度以在短時間內(nèi)降低車速。上述中，Tw為預(yù)警階段開始的ETTC閾值，Tb為緊急制動階段開始的ETTC閾值，Tw與Tb的取值與自車車速關(guān)聯(lián)，自車車速越高對應(yīng)的Tw與Tb越大(即應(yīng)提前)。本文的Tw與Tb取值由式(2)定義：

(2)

2.2 車輛制動需求減速度算法

出于行車安全考慮，本文以避免碰撞為AEBS設(shè)計目標，即制動結(jié)束的狀態(tài)為|vsv-vtv|≤0。當AEBS處于緊急制動階段時，任意時刻下的車速與制動減速度需滿足式(3)：

2(vsv-vtv)·ETTC-(asv-atv)·ETTC2+2Rt≥0

(3)

將式(3)變形可得到自車制動減速度需求asv至少應(yīng)滿足式(4)的條件：

(4)

JT/T 1242—2019[12]對預(yù)警階段的降速量要求為：任何自車減速量不應(yīng)超過15 km/h或總減速量30%兩者間的最大值。因此預(yù)警階段不能持續(xù)請求較大的制動減速度，需采用點剎或者請求較短的制動持續(xù)時間。本文設(shè)計預(yù)警階段車輛減速量vw為 8 km/h，且預(yù)警階段的制動減速度aw設(shè)計為3.0 m/s2。根據(jù)上述的分級碰撞風(fēng)險評估模型和避免碰撞的原則，設(shè)計的AEBS仿真模型的邏輯如圖3所示。

圖3 AEBS決策模型與控制模型的邏輯圖

3 AEBS仿真模型與實車測試驗證

本文主要采用CCRs、CCRm、CCRb三個典型追尾場景工況，具體描述為：① CCRs工況的vsv=80 km/h,vtv=0；② CCRm工況的vsv=80 km/h,vtv=12 km/h；③ CCRb工況的vsv=72 km/h,vtv=72 km/h。試驗開始前自車與目標車保持相對距離Rt=30 m，且至少持續(xù)保持7 s，隨后目標車在0.3 s內(nèi)達到3.0 m/s2的制動減速度，并以3.0 m/s2減速度持續(xù)減速至停車。

3.1 AEBS仿真模型的閉環(huán)仿真平臺

基于SCANeR軟件，搭建起如圖4所示的進行AEBS快速仿真的閉環(huán)仿真平臺。在SCANeR軟件中建立起毫米波雷達模型，將2.2節(jié)提出的AEBS控制算法編輯為可執(zhí)行程序，嵌入至SCANeR進程庫中進行調(diào)用。AEBS決策與控制算法程序模塊直接通過共享內(nèi)存讀取車輛SCANeR模型運動信息和毫米波雷達模型信息，實時計算需求的SCANeR模型的減速度信號。

圖4 AEBS模型閉環(huán)仿真平臺示意圖

3.2 仿真與實車測試驗證

將2.2節(jié)設(shè)計的AEBS算法寫入AEBS控制器，并將在CCRs、CCRm、CCRb三種工況中的Tw、Tb對應(yīng)式(2)中的第三式,分別設(shè)定為3.0 s和1.8 s，同時安裝RT300的陀螺儀作為自車車速與減速度感知傳感器。三種工況的Tw、Tb測試結(jié)果見表2，其余參數(shù)的仿真/測試結(jié)果見表3。由表2、表3可知：

表2 Tw與Tb的測試結(jié)果

表3 三種工況的仿真/測試結(jié)果對比

1)CCRs和CCRm工況的Tw與Tb的實車測試值與設(shè)計值的誤差≤0.2 s，可以認為滿足設(shè)計要求；CCRb工況的Tw與Tb的實車測試值與設(shè)計值的誤差較大，不符合設(shè)計要求。

2)仿真與測試的制動距離的誤差df≤3.0 m，仿真與測試的制動耗時的誤差T1f≤0.5 s，均在誤差范圍內(nèi)。

3)vw的仿真值與測試值均符合JT/T 1242—2019[12]對預(yù)警階段的降速量要求；aw的仿真值和測試值與設(shè)計值的誤差在0.2 m/s2之內(nèi)，滿足1.1節(jié)對減速度誤差的要求。

4)三種工況的vw、df、T1f均滿足設(shè)計要求，車輛最終能夠避免與前車發(fā)生碰撞，因此本文設(shè)計的AEBS模型符合最初的設(shè)計原則。

從三種工況的測試結(jié)果可知：

1)本文提出的AEBS控制算法，能較好地反映模型實車的制動規(guī)律和趨勢。

2)CCRs工況下，實車測試結(jié)果并未出現(xiàn)與仿真結(jié)果相同的制動力釋放特點，而是快速轉(zhuǎn)入緊急制動階段以實現(xiàn)避免碰撞的預(yù)期控制邏輯。

3)三種工況下，由于被測實車安裝了EBS，實車在達到較大制動減速度時，減速度曲線由于EBS的作用會有小幅振蕩。

4)SCANeR車輛模型因簡化未考慮EBS的影響，制動響應(yīng)較為直接，因而AEBS模型表現(xiàn)出的制動減速度曲線較為平直，要提高建模精度，就應(yīng)考慮EBS的影響。其中CCRb工況的AEBS模型仿真與實車測試結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 CCRb工況測試結(jié)果-減速度對比圖

4 結(jié) 論

對比CCRs、CCRm、CCRb三種工況的仿真與實車驗證測試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)實車CCRb工況下的預(yù)警與制動時機需進一步優(yōu)化，以貼近設(shè)計參數(shù)值。

2)客車AEBS模型不夠精確，因此仿真與實車制動曲線有一定差異。

3)本文提出的驗證方法，可達到快速初步驗證AEBS控制策略的目標。

4)后續(xù)工作中，應(yīng)進一步提高建模精度，從而提高仿真結(jié)果的準確度。