城市客車低速碰撞緩解系統(tǒng)設(shè)計

黃文青，陳凌珊

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

研究表明，駕駛員的不當(dāng)操作會導(dǎo)致90%以上的交通事故[1]。為了進一步提升道路交通安全狀況，減少因駕駛員誤操作而造成的交通事故，先進駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）正得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]。ADAS 通過各類傳感器感知周圍環(huán)境信息，并在緊急工況下向駕駛員發(fā)出警示，或者主動介入車輛控制，達到提升車輛主動安全性能的目的[3]。

對于城市客車來說，具有代表性的ADAS是自動緊急制動系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 能夠識別車輛前方的碰撞危險，并警示駕駛員采取相應(yīng)措施，必要時可自主采取制動手段減輕或者避免碰撞[4]。2014 年，歐洲新車碰撞中心（E-NCAP）將AEB 納入汽車安全等級評價體系[5]。JT/T 1094-2016《營運客車安全技術(shù)條件》也要求我國9 m 以上營運客車應(yīng)裝備AEB 系統(tǒng)[6]。在此背景下，本文設(shè)計了一種城市客車低速碰撞緩解系統(tǒng)。它除了具有AEB的功能外，還有車道偏離預(yù)警的功能，能夠更好地提升客車在城市工況下的主動安全性能。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

城市客車低速碰撞緩解系統(tǒng)主要由傳感器、控制系統(tǒng)、執(zhí)行器、被控對象4 部分組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

其中，控制系統(tǒng)主要進行有效目標(biāo)和安全狀態(tài)的判斷。其主要部件為圖像傳感器、77 G Hz 毫米波雷達、傳感器融合主機、GPS 天線、陀螺儀、顯示屏以及各類連接線。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)前向碰撞預(yù)警、低速碰撞緩解和車道偏離預(yù)警等功能，也能夠進行總線通訊與故障診斷。

1.1 前向碰撞預(yù)警

此功能由車身前方安裝的77 GHz 毫米波雷達與擋風(fēng)玻璃安裝的圖像傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，通過算法實時監(jiān)測前方障礙物的位置、距離和相對速度。當(dāng)計算到前方行駛路線上有障礙物并且可能發(fā)生碰撞時，及時通過聲光報警提醒駕駛員注意。前方行駛路線上的障礙物包括目前現(xiàn)有的障礙物或可能移動到行駛路線上的障礙物，可能發(fā)生碰撞的依據(jù)通常是預(yù)碰撞時間與該車輛目前最大剎車距離相關(guān)的一個綜合系數(shù)，系統(tǒng)借助傳感器融合得出的真實目標(biāo)信息與車輛監(jiān)控系統(tǒng)采集的車輛狀態(tài)信息進行決策，輸出控制信號并及時發(fā)出聲光報警提醒駕駛員，如圖2 所示。在常規(guī)的碰撞預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)對于橫向快速移動的障礙物具備非常強大的追蹤能力，例如電瓶車、奔跑的行人等，為駕駛員及行人提供更全面的安全保障。報警階段，視頻和必要的總線數(shù)據(jù)會被存儲在本地以及遠程服務(wù)器，以供監(jiān)控和取證使用。

圖2 前向碰撞預(yù)警功能設(shè)計Fig.2 Design of forward collision warning function

1.2 低速碰撞緩解

在實現(xiàn)前向碰撞預(yù)警的基礎(chǔ)上，傳感器融合主機通過向 EBS、其他同類的 ECU（例如ESC、ABS）或者通過控制加裝的繼動閥請求減速度控制，通過發(fā)動機、變速箱、減速器、排氣制動和其他制動手段綜合控制，實現(xiàn)減速，以達到碰撞緩解的目的，如圖3 所示。在制動的過程中，同樣會有聲光報警提示；對于加裝方向盤震動電機的車輛，會有方向盤震動提示。制動階段，視頻和必要的總線數(shù)據(jù)記錄會被存儲在本地及遠程服務(wù)器，以供監(jiān)控和取證使用。

圖3 低速碰撞緩解功能設(shè)計Fig.3 Design of low-speed collision mitigation function

1.3 車道偏離預(yù)警

此功能是由安裝在擋風(fēng)玻璃上的圖像傳感器實現(xiàn)的。圖像傳感器實時監(jiān)測行駛的前方道路，當(dāng)檢測范圍內(nèi)有車道線或者路緣，并且監(jiān)測到車輛行駛趨勢偏離現(xiàn)有的車道，會發(fā)出聲光報警提示，提示駕駛員車輛即將偏離本車道，如圖4 所示。判斷發(fā)生車道偏離的依據(jù)是圖像傳感器監(jiān)測前方車道線的變化，當(dāng)車輪外側(cè)距離車道線的距離小于0.15 m 或者有偏離車道線的趨勢，系統(tǒng)將自動進行計算并及時發(fā)出聲光報警信號。

圖4 車道偏離預(yù)警功能設(shè)計Fig.4 Design of lane departure warning function

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

一般的駕駛輔助系統(tǒng)主要包含感知、控制和決策3 部分，所以系統(tǒng)的硬件架構(gòu)也要充分考慮這3 部分的功能要求，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.5 System hardware architecture

感知部分主要是圖像傳感器、77 GHz 毫米波雷達和陀螺儀（可選裝）。其中，圖像傳感器與主機之間的通信方式為19 200 b/s的LIN通信，能夠?qū)崿F(xiàn)識別目標(biāo)類型、位置信息的功能；雷達與主機之間的通信方式為500 kb/s 的CAN 通信，能夠?qū)崿F(xiàn)探測目標(biāo)位置、速度信息的功能；陀螺儀與主機之間的通信方式為250 kb/s 的CAN 通信，能夠?qū)崿F(xiàn)獲取車輛的角度等信息的功能。

控制部分主要是傳感器融合主機，它主要是利用一定的傳感器融合算法自動分析、綜合圖像傳感器、77 GHz 毫米波雷達等車載傳感器檢測到的目標(biāo)信息，并進行信息處理從而得到真實目標(biāo)信息，以便完成所需要的決策和估計。

決策部分主要是PCAN，ICAN，EBS，它們與主機之間的通信方式為250 kb/s 的CAN 通信，能夠?qū)崿F(xiàn)獲取整車狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)和控制EBS 執(zhí)行決策的功能。

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

城市客車低速碰撞緩解系統(tǒng)的軟件架構(gòu)自上而下依次為應(yīng)用層、內(nèi)核層和寄存器層，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.6 System software architecture

應(yīng)用層主要是FCW、低速碰撞緩解、LDW三個功能的應(yīng)用程序，是面向用戶的。用戶可以通過MATLAB/Siumulink 搭建三部分功能的控制策略模型，然后進行報文解析，輸出警示和制動信號到執(zhí)行器以完成相應(yīng)操作；同時，如果對模型進行了參數(shù)關(guān)聯(lián)等配置后，還可以生成相應(yīng)的嵌入式代碼和標(biāo)定文件。

內(nèi)核層中，BIOS 是一個可拓展的實時操作系統(tǒng)，提供線程、信號量、中斷等特性，連接之間的隊列和消息傳遞使用BIOS 信號量實現(xiàn)。進程間通信IPC 是用于處理器之間通信的軟件API，能夠提供功能、多處理器堆、多處理器鏈表（ListMP）、消息隊列和通知等。BIOS 和IPC利用的處理器應(yīng)用有IPU1 C0（M4）、IPU1 C0（M4）、DSP（C66X）和EVE。BSP Drivers 是基于FVID2 接口控制和適配VIP/VPE/DSS/ISS 硬件的視頻驅(qū)動程序（如VIP 捕獲、DSS 顯示、ISS捕獲、ISS 處理、VPE 縮放等）和串行驅(qū)動程序（如I2C，SPI，UART 板特定的驅(qū)動程序和傳感器驅(qū)動程序等）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的軟件包有NSP，NDK，AVB。Vision LIB 是為DSP 優(yōu)化的視覺算法內(nèi)核；EVE LIB 是為EVE 優(yōu)化的視覺算法內(nèi)核，其中包括用于EVE 算法執(zhí)行的框架。

該系統(tǒng)通過對圖像傳感器和77 GHz 毫米波雷達等載傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)果進行處理得到目標(biāo)的真實信息，然后根據(jù)各個功能的控制策略給出不同的信號到執(zhí)行器完成制動操作，其主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.7 System main programme flow chart

4 系統(tǒng)控制策略

城市客車低速碰撞緩解系統(tǒng)控制策略的設(shè)計主要是基于TTC 來控制預(yù)警和制動等操作的實施，同時使相關(guān)狀態(tài)信息出現(xiàn)在顯示屏上。

4.1 前向碰撞預(yù)警控制策略

前向碰撞預(yù)警檢測目標(biāo)主要有車輛和行人兩類，預(yù)警級別分為一級和二級預(yù)警（其中，一級為低等級，二級為高等級）。在默認狀態(tài)下，顯示屏上的警示圖標(biāo)不亮，也沒有聲音報警信息。

當(dāng)TTC 處于預(yù)警閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)進行目標(biāo)類別判斷，區(qū)分行人和車輛后進行預(yù)警（顯示屏上圖標(biāo)和聲音報警）。本系統(tǒng)的前向碰撞預(yù)警中，預(yù)警閾值范圍為2.8 s

前向碰撞預(yù)警的控制策略如圖8 所示。其中，ICON 表示顯示屏的警示圖標(biāo)狀態(tài)，VOICE 表示聲音預(yù)警的狀態(tài)，car 指車輛，pde 指行人。

圖8 FCW 控制策略Fig.8 FCW control strategy

4.2 低速碰撞緩解控制策略

運行車速方面，低速碰撞緩解在10 km/h 以下的車速下不響應(yīng)預(yù)警、制動，在10 km/h 以上的車速下正常運行。在默認狀態(tài)下，前向碰撞預(yù)警不觸發(fā)，低速碰撞緩解不觸發(fā)，車輛保持原來的運動狀態(tài)不減速。

如圖9 所示，當(dāng)TTC<4.4 s 時，系統(tǒng)進入前向碰撞預(yù)警狀態(tài)，提示駕駛員采取制動措施使車輛減速，但尚未觸發(fā)低速碰撞緩解；如果駕駛員未能及時采取相應(yīng)措施使得TTC ≤3 s，則在前向碰撞預(yù)警的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)進入低速碰撞緩解狀態(tài)，此時系統(tǒng)自動執(zhí)行相應(yīng)決策使得車輛制動減速；當(dāng)車速下降使得TTC>3 s 時，系統(tǒng)返回上一層的預(yù)警狀態(tài)；進一步下降使得TTC>4.4 s 時，系統(tǒng)返回默認狀態(tài)。

圖9 低速碰撞緩解控制策略Fig.9 Low-speed collision mitigation control strategy

車載通信方面，低速碰撞緩解需要能從車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)提取所需的信息，車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)提供的信息至少包括車速信息、制動和轉(zhuǎn)向燈等。

需要說明的是，低速碰撞緩解的報警階段形式與FCW 的報警方式一致，所以在整個城市客車碰撞緩解系統(tǒng)中，F(xiàn)CW 不單獨工作，而是與低速碰撞緩解相關(guān)聯(lián)的。此外，為了保障乘客安全，制動減速度應(yīng)在1～2.5 m/s2之間

4.3 車道偏離預(yù)警控制策略

當(dāng)車輛沿著車道線正常行駛未發(fā)生偏離，以及圖像傳感器檢測范圍內(nèi)無車道線或者路緣時，車道偏離預(yù)警不會觸發(fā)。

在LDW 打開的情況下，如果車速大于某一閾值（系統(tǒng)默認設(shè)為50 km/h，可修改），且圖像傳感器識別到車輛行駛方向正在偏離車道或者有偏離趨勢時，車道偏離預(yù)警觸發(fā)，顯示屏上高亮顯示報警圖標(biāo)，并有聲音報警。當(dāng)駕駛員接收到報警信息并采取相關(guān)措施調(diào)整車輛運行軌跡后，經(jīng)1 s 延時系統(tǒng)回到正常狀態(tài)，如圖10 所示。左、右側(cè)車道偏離均會觸發(fā)報警。

圖10 車道偏離預(yù)警控制策略Fig.10 Lane departure warning control strategy

需要說明的是，條件1，2，3 均滿足時，車道偏離預(yù)警才會觸發(fā)，條件4 為可選項。同理，條件1、2 均滿足時，系統(tǒng)才能返回正常狀態(tài)。

此外，在圖像傳感器只檢測到單側(cè)車道線時，系統(tǒng)將自動補充另一側(cè)虛擬車道線。在光線較強、較弱的情況下，系統(tǒng)也會自動調(diào)節(jié)圖像的白平衡和對比度，提升強、弱光環(huán)境下的目標(biāo)識別能力。

5 城市工況下系統(tǒng)功能測試

以某型城市客車作為試驗車輛，在城市環(huán)境中廣泛選擇車道線和交通情況不同的測試路線。測試過程中，試驗車輛按正常速度行駛，驗證系統(tǒng)在城市工況下正常運轉(zhuǎn)情況。

普通城市道路出現(xiàn)常見的實際道路情況時，記錄系統(tǒng)的觸發(fā)條件測試、多目標(biāo)伴行測試、多目標(biāo)行人測試、對向來車測試、壓線行駛測試的結(jié)果，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 System test results

（續(xù)表）

為了測試系統(tǒng)的誤報率，選取5 000 km 測試距離，分析相關(guān)測試數(shù)據(jù)，誤報率見表2。

表2 系統(tǒng)誤報率Tab.2 System false alarm rate

5 結(jié)語

本文設(shè)計的城市客車低速碰撞緩解系統(tǒng)能夠輔助駕駛員控制車距，減少因注意力分散或制動不及時而導(dǎo)致碰撞事故，降低事故傷害和財產(chǎn)損失，具有良好的應(yīng)用前景。針對系統(tǒng)的3 個主要功能，相關(guān)人員可以繼續(xù)優(yōu)化或者重新設(shè)計控制策略和程序代碼，進一步降低系統(tǒng)的誤報率，提升整體性能。