AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

蘭永斌　趙帥　時(shí)彥平　賈凱

摘 要：針對(duì)有行人出現(xiàn)時(shí)汽車自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）的測(cè)試需求，本研究設(shè)計(jì)了一種行人檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括假人目標(biāo)、假人驅(qū)動(dòng)裝置以及控制系統(tǒng)，可以根據(jù)《中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程》（C-NCAP）的AEB行人測(cè)試場(chǎng)景要求，驅(qū)動(dòng)假人目標(biāo)按規(guī)定的路線移動(dòng)，并與測(cè)試汽車的駕駛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的行人檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了假人目標(biāo)移動(dòng)位移、移動(dòng)速度和駕駛機(jī)器人的協(xié)同測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該行人檢測(cè)系統(tǒng)的一次成功率超過90%，假人速度控制的精度達(dá)到96%，假人與測(cè)試汽車的碰撞位置準(zhǔn)確度達(dá)到96%，可以模擬行人出現(xiàn)時(shí)的汽車緊急制動(dòng)場(chǎng)景。該AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)可以用于C-NCAP行人測(cè)試，在汽車AEB功能測(cè)評(píng)中得到應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)安全;自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）;行人測(cè)試

中圖分類號(hào)：U463.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）15-0008-06

Abstract： Aiming at the test requirements of automatic emergency braking （AEB） of vehicle when pedestrians appear， this research designs a pedestrian detection system. The system mainly includes the dummy target， the dummy drive device and the control system， which can drive the dummy target to move along the prescribed route according to the AEB pedestrian test scene requirements of "China New Car? Assessment Program" （C-NCAP）， and achieve interconnection with the driving robot of the test vehicle. In order to verify the effectiveness of the pedestrian detection system， the moving displacement， moving speed and driving robot of the dummy target are tested. The test results show that the first success rate of the human detection system in this line reaches more than 90%， the accuracy of the dummy's speed control reaches 96%， and the accuracy of the collision position between the dummy and the test vehicle reaches 96%， which can simulate the emergency braking scene of the vehicle when the pedestrian appears. The AEB pedestrian testing system can be used for C-NCAP pedestrian testing， and has been applied in automotive AEB function evaluation， with strong practical application value.

Keywords： active safety;automatic emergency braking （AEB）;pedestrian testing

我國(guó)每年重特大事故中，交通事故數(shù)和因交通事故死亡人數(shù)分別占到總數(shù)的69%和78.9%，全球因道路交通事故造成的人員傷亡逐年遞增，為了降低該風(fēng)險(xiǎn)造成的危害，自動(dòng)緊急制動(dòng)（Autonomous Emergency Brake，AEB）系統(tǒng)在汽車上的安裝率也越來越高[1-2]。AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)通過汽車上的傳感器識(shí)別并跟蹤行人軌跡，若有碰撞危險(xiǎn)，則系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)并自動(dòng)采取制動(dòng)措施使汽車停止，從而保護(hù)道路環(huán)境中的行人[3-6]。為了對(duì)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面測(cè)試及評(píng)價(jià)，我國(guó)發(fā)布實(shí)施的《C-NCAP管理規(guī)則（2018年版）》對(duì)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)范[7]。這對(duì)于完善AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、降低交通環(huán)境中行人的受傷率具有實(shí)際價(jià)值。

為了驗(yàn)證和評(píng)估AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)的性能，國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了多種AEB行人檢測(cè)裝置[8]。奧地利4active System公司開發(fā)的AEB行人檢測(cè)裝置通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)較為緊湊，但靈活性較差，試驗(yàn)操作不便。英國(guó)ABD（Anthony Best Dynamics）公司開發(fā)的AEB行人檢測(cè)裝置采用盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)，靈活性較好，但成本較高。上述AEB行人檢測(cè)設(shè)備可以較好地評(píng)估歐洲交通環(huán)境下的典型危險(xiǎn)場(chǎng)景，但是與我國(guó)道路行人交通習(xí)慣存在較大差異，設(shè)備和維護(hù)成本較高，不符合我國(guó)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)和測(cè)試要求。因此，本文針對(duì)我國(guó)AEB行人檢測(cè)的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)，它可以很好地契合C-NCAP的測(cè)試規(guī)定，系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景可基于我國(guó)行人習(xí)慣靈活調(diào)整，并通過多次測(cè)試進(jìn)行有效性驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，本研究所設(shè)計(jì)的AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)滿足相關(guān)測(cè)試要求，可以作為AEB功能測(cè)評(píng)和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的支撐工具。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)，C-NCAP設(shè)定了4種典型測(cè)試場(chǎng)景：遠(yuǎn)端碰撞CVFA-50、遠(yuǎn)端碰撞CVFA-25、近端碰撞CVNA-25和近端碰撞CVNA-75[9]。如圖1所示，假人目標(biāo)與測(cè)試車輛中心線兩者之間的水平距離（[D]）為6 m（遠(yuǎn)端）或4 m（近端）。測(cè)試汽車行駛速度（[vv]）為20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h，假人移動(dòng)速度為5.0 km/h和6.5 km/h，其移動(dòng)方向與測(cè)試汽車呈垂直狀態(tài)，在汽車頭部寬度的25%處（M點(diǎn)）、50%（C點(diǎn)）和75%處（K點(diǎn)）分別進(jìn)行碰撞測(cè)試。

C-NCAP中的AEB行人測(cè)試場(chǎng)景是基于歐洲和美國(guó)交通事故數(shù)據(jù)建立的，與我國(guó)行人交通習(xí)慣存在較大差異，為此需要建立適合我國(guó)行人交通行為的測(cè)試方案。本研究設(shè)定2種測(cè)試場(chǎng)景[10-11]。一是近距離測(cè)試場(chǎng)景（CPN）：汽車速度為5～25 km/h，假人和測(cè)試汽車的距離為7 m。二是遠(yuǎn)距離測(cè)試場(chǎng)景（CPF）：測(cè)試汽車速度為10～60 km/h（10 km/h為間隔），假人與測(cè)試汽車的距離為20 m。假人移動(dòng)速度為5.4 km/h，碰撞位置為汽車中間位置處。

1.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

針對(duì)C-NCAP以及行人測(cè)試相關(guān)的規(guī)定，AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有如下功能：目標(biāo)假人可在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下以一定速度行駛;駕駛機(jī)器人能夠控制汽車按一定的速度和路線行駛;為了使假人與測(cè)試汽車發(fā)生指定位置的碰撞，假人與測(cè)試汽車互聯(lián)互通，保持實(shí)時(shí)通信。

根據(jù)上述功能需求，本研究設(shè)計(jì)了測(cè)試過程，如圖2所示。將假人固定在托板上，借助牽引帶驅(qū)動(dòng)假人和托板移動(dòng)，并在假人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試汽車上安裝通信設(shè)備，借助實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)站完成汽車與假人速度、位置的信息交互，滿足測(cè)試場(chǎng)景的碰撞要求。

根據(jù)C-NCAP的規(guī)定，假人移動(dòng)速度為5.0 km/h、5.4 km/h、6.5 km/h，測(cè)試車速介于5～60 km/h，汽車行駛方向與假人移動(dòng)方向保持垂直。

2 硬件實(shí)現(xiàn)過程

2.1 假人目標(biāo)優(yōu)化

如圖3所示，基于C-NCAP的尺寸規(guī)定分別設(shè)計(jì)了成人假人目標(biāo)和兒童假人目標(biāo)，并在假人表面涂抹紅外反射二氧化鈦IR-1000，能夠在850～910 nm范圍內(nèi)使假人的紅外反射率保持在40%～60%，有效提升了假人的視覺和紅外特性[12]。

2.2 假人目標(biāo)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

假人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分為牽引帶、驅(qū)動(dòng)和隨動(dòng)端以及托板。其中，托板上配置磁鐵單元，可以讓假人支撐桿借助磁性的作用與托板緊密結(jié)合，以便支撐假人直立移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)測(cè)試汽車碰撞到假人時(shí)，磁性連接中斷，假人脫離托板，避免損壞其他部件。

如圖5所示，牽引帶驅(qū)動(dòng)端的組成部分主要有電源、無線通信模塊、控制器以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

假人目標(biāo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，汽車速度和位置信息由無線通信模塊傳遞給控制器，控制器根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)牽引帶開始工作，實(shí)現(xiàn)假人位置的移動(dòng)。

3 開發(fā)控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的控制策略

按照AEB測(cè)試規(guī)程要求，在控制汽車的自動(dòng)駕駛機(jī)器人上安裝慣性導(dǎo)航儀和差分精確定位裝置，分別測(cè)量出汽車的實(shí)時(shí)加速度、速度、偏航角以及精確位置，并通過無線通信模塊將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸EB行人檢測(cè)系統(tǒng)。AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試規(guī)程對(duì)汽車速度、假人速度以及碰撞位置的規(guī)定，計(jì)算出假人應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)的精確時(shí)間。假人移動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)裝置可以根據(jù)測(cè)試汽車的狀態(tài)和位置，實(shí)時(shí)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行加減速控制，最終使假人和測(cè)試汽車的運(yùn)動(dòng)關(guān)系符合測(cè)試規(guī)程的要求，發(fā)生指定位置的碰撞測(cè)試。

AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛機(jī)器人之間有兩個(gè)通信通道，通過915 MHz信道頻率，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）基準(zhǔn)站可將GPS定位信息發(fā)送到AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)以及汽車的駕駛機(jī)器人。通過2.4 GHz信道頻率，駕駛機(jī)器人則將汽車的位置、速度信息傳輸?shù)紸EB行人檢測(cè)系統(tǒng)。AEB行人檢測(cè)通信及控制過程如圖7所示。

3.2 設(shè)計(jì)差分定位模塊

全球定位系統(tǒng)（GPS）的一般定位誤差大于3 m，不能滿足測(cè)試要求的精度，為此借助差分定位方法來精確定位汽車和假人目標(biāo)[13]。差分定位模塊分為RTK基準(zhǔn)站和移動(dòng)站兩大部分，RTK基準(zhǔn)站放置在空曠的區(qū)域，在測(cè)試汽車和假人目標(biāo)上均安裝移動(dòng)站。RTK基準(zhǔn)站收集基本的GPS定位數(shù)據(jù)，然后將信息傳輸給移動(dòng)站，移動(dòng)站基于自身的GPS定位信息和RTK基準(zhǔn)站發(fā)送的GPS定位信息，通過載波相位差分解算的方法，最終獲得厘米級(jí)的定位信息，進(jìn)而控制駕駛機(jī)器人和假人目標(biāo)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，滿足測(cè)試場(chǎng)景對(duì)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的要求。

3.3 設(shè)計(jì)假人驅(qū)動(dòng)控制器

AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)控制器通過接收測(cè)試汽車的位置、速度信息，實(shí)時(shí)分析和比較汽車實(shí)時(shí)位置是否與控制器計(jì)算要求的觸發(fā)點(diǎn)保持一致，以此判斷是否驅(qū)動(dòng)假人開始移動(dòng)。假人移動(dòng)觸發(fā)后，通過采用與測(cè)試場(chǎng)景相匹配的電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法，控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)假人位置的精確控制?？刂破鞯闹骺匦酒⊿TM32F767）可以接收各模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行處理，被控芯片（STM32F103）可以精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊如圖8所示。

3.4 假人驅(qū)動(dòng)算法

AEB行人測(cè)試場(chǎng)景中，假人有加速、勻速以及減速的不同過程，這就要求對(duì)假人的速度進(jìn)行精確控制，以便將假人傳送到指定的位置。為此，設(shè)計(jì)如圖9所示的驅(qū)動(dòng)控制算法，將加減速過程細(xì)化為減減速階段、加減速階段、勻速階段、減加速階段以及加加速階段，并且加速度變化率保持恒定。

設(shè)[vs]為初速度，[ve]為末速度，加速度的急動(dòng)度為[J]，時(shí)間為t，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，假人的加速度[a]、速度[v]以及位移[s]計(jì)算公式如表1所示。

3.5 系統(tǒng)綜合控制

3.5.1 計(jì)算系統(tǒng)觸發(fā)點(diǎn)?；诓罘志_定位系統(tǒng)和假人移動(dòng)站獲取假人初始位置[P0]的坐標(biāo)（[x1]，[y1]）和碰撞點(diǎn)[P1]的坐標(biāo)（[x2]，[y2]）。同時(shí)，由移動(dòng)站獲取汽車頭部中點(diǎn)[V1]處坐標(biāo)（[x3]，[y3]）和航向角[R]。由車速[v0]和假人到碰撞點(diǎn)所需的時(shí)間[T]，計(jì)算得出系統(tǒng)觸發(fā)點(diǎn)[M]的坐標(biāo)（[x4]，[y4]）。

3.5.2 調(diào)整測(cè)試汽車的姿態(tài)和位置。計(jì)算車頭中心點(diǎn)[V1]與直線[MP1]的距離[D2]和汽車航向角[R]與[MP1]的夾角[δ]。測(cè)試汽車的駕駛機(jī)器人根據(jù)[D2]和[δ]的變化，控制方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使汽車的航向角和位置滿足測(cè)試要求[14]。

3.5.3 系統(tǒng)綜合測(cè)試。駕駛機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新汽車車頭中心點(diǎn)[V1]的坐標(biāo)，并發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)，然后由AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)綜合比較[V1]點(diǎn)與[M]點(diǎn)，當(dāng)[x3]=[x4]并且[y3]=[y4]時(shí)，驅(qū)動(dòng)假人移動(dòng)，并按測(cè)試場(chǎng)景的要求調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得汽車達(dá)到[P1]點(diǎn)時(shí)，假人移動(dòng)到[P1]點(diǎn)。系統(tǒng)綜合控制示意圖如圖10所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試及驗(yàn)證

為了對(duì)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，本文按照C-NACP規(guī)定的行人測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行了行人危險(xiǎn)工況測(cè)試，以驗(yàn)證AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)假人目標(biāo)位置、速度的控制精度以及AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)與測(cè)試汽車的無線通信性能。如圖11所示，首先進(jìn)行單功能測(cè)試，在不同測(cè)試場(chǎng)景下，AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)不與駕駛機(jī)器人聯(lián)動(dòng)，測(cè)試電機(jī)控制算法對(duì)假人的驅(qū)動(dòng)控制精度。

每種測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行3次試驗(yàn)，由于不同測(cè)試場(chǎng)景下假人與測(cè)試汽車的距離要求不同，一共完成了（4+11）×3=45次試驗(yàn)，相關(guān)測(cè)試結(jié)果如表2所示?；谠囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，假人目標(biāo)控制精度達(dá)到96%（控制精度=符合要求試驗(yàn)次數(shù)/總試驗(yàn)次數(shù)）。研究表明，本文所設(shè)計(jì)的AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)試要求對(duì)假人移動(dòng)過程進(jìn)行精確控制。

如圖12所示，在單功能測(cè)試完成后，將AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)與駕駛機(jī)器人聯(lián)通，測(cè)試兩者之間的無線通信性能，查看假人與測(cè)試汽車的碰撞點(diǎn)是否滿足測(cè)試場(chǎng)景的規(guī)程要求。

根據(jù)C-NCAP進(jìn)行20次試驗(yàn)（測(cè)試車速為20～60 km/h，每種測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行5次試驗(yàn)），根據(jù)國(guó)內(nèi)測(cè)試場(chǎng)景要求進(jìn)行11次試驗(yàn)，共進(jìn)行31次試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表3所示，表中的數(shù)字表示第幾次試驗(yàn)完全達(dá)到測(cè)試場(chǎng)景規(guī)定的碰撞速度、位置等關(guān)鍵指標(biāo)。由表3的統(tǒng)計(jì)情況可知，1次試驗(yàn)即達(dá)到要求的概率為90%，2次試驗(yàn)即達(dá)到要求的概率為100%。

在測(cè)試過程中，AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)假人速度以及假人與測(cè)試汽車碰撞位置的檢測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到96%，由于地面摩擦力不均及牽引帶的彈性，在單功能測(cè)試45次試驗(yàn)中，有2次出現(xiàn)誤差大于精度有效范圍的情況，但其綜合誤差仍然較小，可以滿足測(cè)試規(guī)程對(duì)于精度的要求。

在對(duì)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)和駕駛機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測(cè)試時(shí)，除了3次由于AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)與駕駛機(jī)器人的無線通信被其他設(shè)備干擾外，兩者之間的無線通信始終保持良好。由此可知，應(yīng)當(dāng)在空曠無干擾的環(huán)境下進(jìn)行AEB行人測(cè)試。在無其他通信干擾的情況下，AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)可以較好地與駕駛機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測(cè)試。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)可以用于C-NCAP和中國(guó)行人測(cè)試場(chǎng)景，相較于國(guó)外的AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)的控制參數(shù)可以靈活調(diào)整，滿足國(guó)內(nèi)交通場(chǎng)景的行人檢測(cè)要求;整個(gè)系統(tǒng)成本較低，可供更多的AEB行人測(cè)試和研發(fā)單位使用，有助于推進(jìn)AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)更新。本文設(shè)計(jì)的AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)也存在一定不足，比如，假人目標(biāo)沒有考慮雷達(dá)的反射特性，與《歐洲新車評(píng)估規(guī)程》（E-NCAP）等國(guó)外測(cè)試規(guī)范沒有很好的適用性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)C-NCAP和AEB行人測(cè)試的要求，對(duì)假人移動(dòng)過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)與駕駛機(jī)器人的實(shí)時(shí)無線通信。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的AEB行人檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)假人目標(biāo)速度和位移的控制精度達(dá)到96%，與駕駛機(jī)器人的聯(lián)動(dòng)測(cè)試一次成功率達(dá)到90%，所開發(fā)的假人目標(biāo)具備人體特征及紅外反射特性，能夠用于行人危險(xiǎn)工況的測(cè)試，其測(cè)試精度較高，它是汽車AEB系統(tǒng)功能測(cè)評(píng)和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的有效支撐工具。

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