強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境下的自動駕駛實車測試

潘新福，歐陽濤，岳承翰，徐龍，萬金鳴

強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境下的自動駕駛實車測試

潘新福1，歐陽濤1，岳承翰1，徐龍2，萬金鳴1

（1.中汽研汽車試驗場股份有限公司，江蘇 鹽城 224100；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

惡劣天氣環(huán)境對自動駕駛系統(tǒng)的安全性能具有較大影響。針對自動駕駛汽車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下行駛安全性的測試驗證需求，基于封閉測試場搭建了強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境，主要由橫風(fēng)測試跑道、橫風(fēng)風(fēng)機(jī)陣列以及其他附屬設(shè)施構(gòu)成；然后基于構(gòu)建的強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境進(jìn)行了三種車速、兩種風(fēng)速工況下的自動駕駛汽車強(qiáng)風(fēng)環(huán)境道路測試。測試結(jié)果表明，強(qiáng)橫風(fēng)環(huán)境下自動駕駛汽車會產(chǎn)生行駛偏移，強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速越高，車輛行駛偏移越大；強(qiáng)橫風(fēng)對自動駕駛汽車激光雷達(dá)目標(biāo)感知能力影響較小。

自動駕駛測試；封閉測試場；強(qiáng)風(fēng)模擬；橫風(fēng)風(fēng)機(jī)；目標(biāo)感知

前言

自動駕駛汽車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的行駛安全性是自動駕駛汽車研究與測試過程中的關(guān)注重點之一。汽車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的行駛安全性是指汽車在強(qiáng)風(fēng)干擾下保持穩(wěn)定行駛狀態(tài)的能力。通常在經(jīng)過空曠的路面、跨湖跨海大橋、山間隧道的出入口時，汽車會受到強(qiáng)烈的橫風(fēng)干擾。國外有研究表明，普通型轎車以110 km/h的速度行駛時，在橫向強(qiáng)風(fēng)的作用下，車身上的氣動力達(dá)到了1 112 N。在如此大的側(cè)向氣動力作用下，高速行駛的汽車很容易發(fā)生側(cè)滑、橫擺、甚至側(cè)翻等失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而影響到行車安全。相關(guān)資料統(tǒng)計顯示，每年因交通事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10億元，而在這些交通事故中有相當(dāng)一定的比例是由高速汽車受環(huán)境強(qiáng)風(fēng)影響造成的。此外，強(qiáng)風(fēng)環(huán)境會對自動駕駛汽車各類傳感器產(chǎn)生振動，有可能會對自動駕駛系統(tǒng)的感知能力產(chǎn)生消極影響。因此，研究強(qiáng)風(fēng)環(huán)境對自動駕駛汽車行駛安全性的影響具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者圍繞強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的傳統(tǒng)汽車及高速列車的控制性能開展了一些研究[1-2]，但對在橫風(fēng)環(huán)境下的自動駕駛汽車性能測試開展的研究與測試較為少見。高秀晶等[3]對復(fù)雜道路下自動駕駛車輛的橫向運動魯棒控制策略進(jìn)行研究，通過仿真的手段說明潛在的側(cè)風(fēng)等環(huán)境有可能會對自動駕駛系統(tǒng)產(chǎn)生消極影響。部分研究則聚焦于汽車環(huán)境風(fēng)洞的搭建、測試系統(tǒng)的設(shè)計、風(fēng)洞環(huán)境下的傳統(tǒng)汽車測試等內(nèi)容[4-6]。風(fēng)洞環(huán)境下開展自動駕駛安全性能測試需要將自動駕駛汽車靜止置于地面或轉(zhuǎn)鼓臺上，難以實現(xiàn)基于真實車輛運動特性及自然環(huán)境（天氣、光照、路面附著系數(shù)）的測試評價[7]。

針對該問題，筆者開展了基于封閉測試場的強(qiáng)風(fēng)模擬系統(tǒng)構(gòu)建研究，基于封閉測試場完成了真實橫風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)了可模擬不同風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)環(huán)境；并基于構(gòu)建的強(qiáng)風(fēng)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境下的自動駕駛實車測試。

1 封閉測試場強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境構(gòu)建

在封閉測試場環(huán)境下搭建橫風(fēng)系統(tǒng)，實現(xiàn)封閉測試環(huán)境模擬強(qiáng)風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建。強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境主要由橫風(fēng)測試跑道、橫風(fēng)風(fēng)機(jī)陣列以及其他附屬設(shè)施構(gòu)成，其測試段布局要求如圖1所示。具體由一條長直線跑道以及放置于跑道旁的橫風(fēng)風(fēng)機(jī)構(gòu)成，通過橫風(fēng)風(fēng)機(jī)對強(qiáng)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行直接模擬，具備試驗條件可控、試驗可重復(fù)性高、試驗結(jié)果可靠等優(yōu)勢，可實現(xiàn)自動駕駛汽車模擬強(qiáng)風(fēng)環(huán)境的封閉測試。橫風(fēng)測試場測試跑道需滿足在橫風(fēng)風(fēng)機(jī)區(qū)域前至少100 m長度內(nèi)跑道寬度不小于5 m；在橫風(fēng)風(fēng)機(jī)區(qū)域后至少100米長度內(nèi)跑道寬度不小于7 m。另外，測試跑道在橫向總寬度內(nèi)的坡度以及縱向任意50 m之間的坡度需滿足不大于2.5%。長直線跑道全長1.4 km，寬16 m，可滿足最高時速120 km的實車測試。

圖1 強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境設(shè)計方案

橫風(fēng)風(fēng)機(jī)陣列是在道路測試中進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)環(huán)境模擬的關(guān)鍵設(shè)施。根據(jù)測試需求，橫風(fēng)面長度需大于15 m；風(fēng)機(jī)最大風(fēng)速需達(dá)到20 m/s，相當(dāng)于自然風(fēng)等級中的烈風(fēng)。本文構(gòu)建的橫風(fēng)模擬系統(tǒng)采用2臺風(fēng)機(jī)組成橫風(fēng)風(fēng)機(jī)陣列，橫風(fēng)面總長度超過20 m，單套風(fēng)機(jī)功率300 kW，設(shè)計最大風(fēng)速20 m/s，可模擬最高9級強(qiáng)風(fēng)。

圖2 封閉測試場強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境

表1 強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境主要技術(shù)指標(biāo)

序號參數(shù)名稱參數(shù)值 1車道長度/m1 400 2寬度/m>12 3車道數(shù)量4 4是否對稱布置是 5路面坡度/%<2.5 6設(shè)計最高車速/(km/h)160 1風(fēng)機(jī)設(shè)計最高風(fēng)速/(m/s)20 2風(fēng)機(jī)數(shù)量/臺2 3出風(fēng)角度/°90

強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境可對強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行直接模擬，可進(jìn)行不同車速和不同風(fēng)速下自動駕駛汽車經(jīng)過橫風(fēng)區(qū)域后的動態(tài)響應(yīng)測試。測試開始時，自動駕駛汽車以測試車速沿基準(zhǔn)行駛線行駛，在接近橫風(fēng)區(qū)時進(jìn)行方向修正使得車輛維持在基準(zhǔn)行駛線上；在進(jìn)入橫風(fēng)區(qū)后需保持方向盤固定，并測試從進(jìn)入橫風(fēng)區(qū)開始到以測試車速行駛2 s后為止這段時間內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境下的自動駕駛實車測試

本文選取的試驗車輛為基于奔騰T99改造的自動駕駛汽車，并進(jìn)行了測試工況、測試項目的設(shè)計。

2.1 測試工況

本文進(jìn)行三種車速、兩種風(fēng)速工況下的自動駕駛汽車強(qiáng)風(fēng)環(huán)境道路測試，具體測試工況如表2所示。

表2 測試工況

風(fēng)速/(m/s)車速/(km/h) 1080 100 120 2080 100 120

2.2 測試項目

（1）強(qiáng)風(fēng)環(huán)境車輛動態(tài)響應(yīng)測量，測試自動駕駛汽車在試驗工況下的行駛跑偏。

（2）自動駕駛汽車感知系統(tǒng)功能穩(wěn)定性測試，測試自動駕駛汽車車載激光雷達(dá)在試驗工況下的目標(biāo)感知能力。

（3）測試過程：測試進(jìn)行了6種工況下自動駕駛汽車的行駛跑偏和感知系統(tǒng)目標(biāo)感知能力測量。試驗時車輛在跑道起始端由停止?fàn)顟B(tài)開始逐漸加速，達(dá)到目標(biāo)車速后通過由側(cè)風(fēng)風(fēng)機(jī)吹風(fēng)形成的側(cè)風(fēng)區(qū)；在此過程中測量車輛的行駛跑偏以及激光雷達(dá)對假人目標(biāo)的感知能力。不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出功率實現(xiàn)。測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 測試現(xiàn)場

具體測試過程為：固定風(fēng)速為20 m/s，順序進(jìn)行車速為80 km/h、100 km/h、120 km/h的測試；將風(fēng)速調(diào)整為10 m/s，順序進(jìn)行車速為80 km/h、100 km/h、120 km/h的測試。

3 測試結(jié)果

（1）強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境行駛跑偏試驗結(jié)果。

本文測量了各試驗工況下自動駕駛汽車通過側(cè)風(fēng)區(qū)后的行駛跑偏距離，測量結(jié)果如圖4所示。

（2）感知系統(tǒng)目標(biāo)感知能力試驗結(jié)果

本次試驗進(jìn)行了自動駕駛汽車頂部激光雷達(dá)在不同強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速下對目標(biāo)假人的感知及成像測試，測試結(jié)果如圖5—圖8所示。測試結(jié)果表明：1）在不同風(fēng)速、不同行駛車速下，測試車輛通過側(cè)風(fēng)區(qū)后均出現(xiàn)明顯的行駛偏移；在當(dāng)前試驗條件下，強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速越高，車輛行駛偏移越大；同一風(fēng)速下，車速越低，行駛偏移越大。2）在不同強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速、不同行駛車速下，測試車輛搭載的激光雷達(dá)均可成功感知假人目標(biāo)，在當(dāng)前試驗條件下，強(qiáng)風(fēng)環(huán)境對自動駕駛汽車激光雷達(dá)目標(biāo)感知能力影響較小。因此可以認(rèn)為強(qiáng)風(fēng)環(huán)境會顯著影響自動駕駛汽車運動狀態(tài)，在設(shè)計自動駕駛系統(tǒng)決策控制方法時應(yīng)系統(tǒng)考慮潛在的橫風(fēng)對自動駕駛系統(tǒng)安全性能的影響。

圖4 各工況側(cè)向偏移距離

圖5 激光雷達(dá)成像結(jié)果：風(fēng)速10 m/s，車速80 km/h

圖6 激光雷達(dá)成像結(jié)果：風(fēng)速10 m/s，車速100 km/h

圖7 激光雷達(dá)成像結(jié)果：風(fēng)速10 m/s，車速120 km/h

圖8 激光雷達(dá)成像結(jié)果：風(fēng)速20 m/s，車速80 km/h

圖9 激光雷達(dá)成像結(jié)果：風(fēng)速20 m/s，車速100 km/h

圖10 激光雷達(dá)成像結(jié)果：風(fēng)速20 m/s，車速120 km/h

4 結(jié)語

自動駕駛汽車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的行駛安全性是自動駕駛汽車研究與測試過程中的重點關(guān)注內(nèi)容之一，圍繞強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的自動駕駛汽車行駛安全性測試需求，本文基于封閉測試場搭建了強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境，并基于構(gòu)建的強(qiáng)風(fēng)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了橫風(fēng)環(huán)境下的自動駕駛動態(tài)響應(yīng)與感知系統(tǒng)穩(wěn)定性實車測試。測試結(jié)果表明，強(qiáng)橫風(fēng)環(huán)境下自動駕駛汽車會產(chǎn)生行駛偏移；強(qiáng)橫風(fēng)環(huán)境對自動駕駛汽車激光雷達(dá)目標(biāo)感知能力影響較小。受試驗條件所限，目前的測試工況仍較為簡單，下一步將研究建立強(qiáng)風(fēng)模擬環(huán)境下的自動駕駛測試規(guī)程，并基于實車測試系統(tǒng)研究強(qiáng)風(fēng)對不同自動化等級自動駕駛系統(tǒng)的影響。

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Automatic Driving Field Test under Strong Wind Simulation Environment

PAN Xinfu1, OUYANG Tao1, YUE Chenghan1, XU Long2, WAN Jinming1

( 1.CATARC Automotive Proving Ground Co., Ltd., Jiangsu Yancheng 224100;2.Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Severe weather environment has great influence on the safety performance of automatic driving system. In view of the test and verification requirements for the safety of automatic vehicle under strong wind environment, a strong wind simulation system was built in a closed test field. The strong wind simulation environment is mainly composed of cross wind test runway, cross wind fan array and other ancillary facilities. Then, under the condition of three kinds of speed and two kinds of wind speeds, the performance test of the automatic vehicle was carried out by using the strong wind simulation environment. The test results show that the driving deviation of the automatic vehicle under strong crosswind will increase. Strong cross wind has little effect on the target detection ability of automatic vehicle base on lidar.

Automatic driving test;Closed test field;Strong wind simulation;Cross fan;Target detection

A

1671-7988(2021)22-28-04

U495

A

1671-7988(2021)22-28-04

CLC NO.:U495

潘新福，高級工程師，就職于中汽研汽車試驗場股份有限公司，研究方向a：智能網(wǎng)聯(lián)汽車測試、汽車道路試驗。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.007