電動(dòng)觀光車的自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇玉淋，吳斌，劉 杰，徐成麗

（柳州五菱新能源汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

AEB（Autonomous Emergency Braking）系統(tǒng)是復(fù)雜道路交通環(huán)境中行駛的基礎(chǔ)安全模塊。它的工作原理是通過傳感器檢測(cè)危險(xiǎn)目標(biāo)信息，給駕駛員預(yù)警提示、輔助或自動(dòng)制動(dòng)達(dá)到避免碰撞、減輕乘車人碰撞損傷等效果[1]。在車速小于50 km/h 時(shí)，裝配有AEB系統(tǒng)的車輛可以減少38%的車輛追尾事故[2]。當(dāng)今，開發(fā)AEB 系統(tǒng)的整車和零部件廠商越來越多，但不同車型差異較大。開發(fā)適合觀光車的AEB 系統(tǒng)，制定合適的控制策略，對(duì)增加車輛主動(dòng)安全性有重要的意義。

1 電動(dòng)觀光車AEB 系統(tǒng)整體方案

AEB 系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、線控執(zhí)行系統(tǒng)三部分組成。通過CAN 總線組成的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取毫米波雷達(dá)和前視相機(jī)的數(shù)據(jù)[3]，完成障礙物的檢測(cè)，并進(jìn)行前碰撞危險(xiǎn)狀況檢測(cè)，然后結(jié)合主動(dòng)剎車控制策略控制剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成預(yù)警和自動(dòng)緊急剎車功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 AEB 控制器功能

根據(jù)AEB 系統(tǒng)總體方案，定義了AEB 控制器的功能，詳見表1。

表1 功能特征清單

1.1.1 目標(biāo)識(shí)別跟蹤功能模塊

AEB 控制器傳感器數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN 總線接收Radar 和F-Camera 數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含Radar 和FCamera 狀態(tài)報(bào)文、距離信息報(bào)文、相對(duì)速度報(bào)文、告警信息報(bào)文。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前車輛的車速、橫擺角速度、轉(zhuǎn)向角等信息由目標(biāo)跟蹤算法模塊計(jì)算出當(dāng)前路徑下最接近本車的目標(biāo)障礙物（CIPV）的距離、相對(duì)速度等數(shù)據(jù)。AEB 控制器將接收到的數(shù)據(jù)封裝到結(jié)構(gòu)體中，經(jīng)過濾波算法后作為計(jì)算預(yù)碰撞時(shí)間（TTC）[4]的參數(shù)。

1.1.2 車身數(shù)據(jù)解析功能模塊

AEB 控制器車身數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN 總線從車身CAN 網(wǎng)絡(luò)中讀取車速、橫擺角速率（或方向盤轉(zhuǎn)角）、輪缸壓力值以及油門狀態(tài)、剎車狀態(tài)等信息。這些信息封裝到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中，作為狀態(tài)判定條件或參與目標(biāo)跟蹤算法和預(yù)碰撞時(shí)間的計(jì)算。

1.1.3 控制策略功能模塊

該模塊對(duì)AEB 的狀態(tài)切換機(jī)制進(jìn)行管理，根據(jù)實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)和車身信息，判斷當(dāng)前行車環(huán)境及駕駛員操作是否允許激活A(yù)EB 系統(tǒng)。同時(shí)，在AEB 啟動(dòng)過程中，也需要實(shí)時(shí)根據(jù)以上這些車身狀態(tài)信息判斷是否需要退出主動(dòng)剎車，執(zhí)行更高級(jí)別的剎車動(dòng)作如車身穩(wěn)定制動(dòng)。如果剎車啟動(dòng)，控制決策模塊將計(jì)算出合適的剎車減速度，并在CAN 總線上請(qǐng)求剎車。

1.1.4 執(zhí)行控制功能模塊

該模塊通過CAN 總線與底盤CAN 通信，將由控制決策模塊計(jì)算的剎車減速度與減速請(qǐng)求發(fā)送給ESC 線性剎車機(jī)構(gòu)，控制動(dòng)力系統(tǒng)降扭，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行剎車。該模塊請(qǐng)求剎車指令的總時(shí)間與周期應(yīng)按實(shí)際車型測(cè)試進(jìn)行標(biāo)定。

1.2 AEB 控制器技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)AEB 系統(tǒng)總體方案，定義了AEB 控制器的基本性能參數(shù)（表2）。

表2 AEB 系統(tǒng)性能指標(biāo)

2 AEB 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及策略

在觀光車行駛過程中，前視攝像頭和毫米波雷達(dá)是其進(jìn)行目標(biāo)感知的主要元件，是保證系統(tǒng)工作的中要求前提。然而實(shí)際行車環(huán)境復(fù)雜，兩者的融合目標(biāo)跟蹤算法能提高目標(biāo)數(shù)據(jù)的有效性。電動(dòng)觀光車的ESC 控制器在接收到感知器件發(fā)來的有效目標(biāo)和獲取到精準(zhǔn)的自車狀態(tài)信息后，通過AEB 控制器進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果決定減速。根據(jù)AEB 系統(tǒng)的整體方案，結(jié)合整車的接口，分別對(duì)AEB 系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

AEB 控制器對(duì)外接口包含3 路CAN 節(jié)點(diǎn)：CAN0為底盤信號(hào)輸入（車速、橫擺角速度、輪速、檔位、EPS、油門等）及控制指令輸出CAN（EHB/IBS）；CAN2為毫米波雷達(dá)和前視相機(jī)數(shù)據(jù)輸入輸出CAN；CAN3為人機(jī)交互數(shù)據(jù)輸入輸出。系統(tǒng)的硬件連接框圖如圖2 所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 目標(biāo)識(shí)別跟蹤功能模塊設(shè)計(jì)

AEB 控制器目標(biāo)跟蹤功能模塊通過CAN2 接收數(shù)據(jù)，CAN2 波特率為500kbit/s。數(shù)據(jù)包含毫米波雷達(dá)和前視攝像頭狀態(tài)報(bào)文、距離、相對(duì)車速、橫向車速等。根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)和當(dāng)前本車車速、橫擺角速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，融合目標(biāo)識(shí)別跟蹤算法將計(jì)算出本車行駛路徑中的最接近目標(biāo)，并提取CIPV（closest in-path vehicle）距離信息報(bào)文、CIPV 相對(duì)速度報(bào)文、CIPV 相對(duì)角度。AEB 控制器將接收到的CIPV 數(shù)據(jù)封裝到結(jié)構(gòu)體中，經(jīng)過濾波算法后作為計(jì)算TTC 的參數(shù)。CAN2 輸入信號(hào)流圖如圖3 所示。

圖3 目標(biāo)跟蹤模塊信號(hào)流圖

2.3 車輛信息采集功能設(shè)計(jì)

AEB 控制器車身數(shù)據(jù)采集模塊通過CAN0 從底盤CAN 網(wǎng)絡(luò)中讀取車速、橫擺角速率、輪缸壓力值以及油門狀態(tài)、剎車狀態(tài)等信息，波特率為250kbit/s。將這些信息封裝到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中，在剎車控制策略中作為狀態(tài)判定條件或參與TTC 的計(jì)算。輸入信號(hào)流圖如圖4 所示。

圖4 車身數(shù)據(jù)采集功能信號(hào)流圖

2.4 執(zhí)行控制模塊設(shè)計(jì)

該模塊通過CAN0 與底盤CAN 通信，將由控制決策模塊計(jì)算的剎車減速度與減速請(qǐng)求發(fā)送給EHB或IBS，控制動(dòng)力系統(tǒng)降扭，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行剎車。該模塊請(qǐng)求剎車指令的總時(shí)間與周期應(yīng)按實(shí)際車型測(cè)試進(jìn)行標(biāo)定。與車身CAN 通信，將AEB 系統(tǒng)狀態(tài)，剎車燈點(diǎn)亮請(qǐng)求發(fā)送給BCM，控制聲光告警。輸出信號(hào)流圖如圖5 所示。

圖5 控制輸出信號(hào)流圖

2.5 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

該模塊通過CAN3 與底盤CAN 通信，將TTC 實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果、AEB 系統(tǒng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送到車身儀表上顯示，控制聲光告警。同時(shí)，將剎車燈點(diǎn)亮、安全帶拉緊等請(qǐng)求指令發(fā)送給車身控制器BCM。

通過人機(jī)交互模塊可以設(shè)置AEB 功能的打開/關(guān)閉，如圖6 所示。

圖6 人機(jī)交互輸出信號(hào)流圖

3 實(shí)車測(cè)試

實(shí)車使用五菱威威電動(dòng)觀光車，通過車上配備的12V 低壓蓄電池給毫米波雷達(dá)、前視攝像頭和AEB控制器供電。毫米波雷達(dá)安裝在車輛前方中心位置（見圖7 長(zhǎng)方形標(biāo)記），前視攝像頭安裝在車輛前擋風(fēng)玻璃中間下方位置（圖7 圓形標(biāo)記處）。AEB 控制器通過CAN 總線與車輛ECU 建立通訊，獲取車輛車速等信息，同時(shí)發(fā)送制動(dòng)信號(hào)給ECU，ECU 控制制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行緊急制動(dòng)。

圖7 毫米波雷達(dá)和前視攝像頭裝車實(shí)車側(cè)視圖

試驗(yàn)表明，在車速30 km/h 工況下，整套系統(tǒng)能在1.6 s 內(nèi)主動(dòng)緊急制動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。圖8 為實(shí)車緊急制動(dòng)測(cè)試圖。

圖8 實(shí)車緊急制動(dòng)測(cè)試圖

4 結(jié)語(yǔ)

圍繞基于前視攝像頭和毫米波雷達(dá)的AEB 系統(tǒng)展開研究，研究了總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)、需求分析、硬件選型、軟件設(shè)計(jì)。并將設(shè)計(jì)應(yīng)用于公司的電動(dòng)觀光車上，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試。綜上分析，得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)的AEB 系統(tǒng)，前視攝像頭和毫米波雷達(dá)均能滿足性能要求，同時(shí)具備擴(kuò)展性。

（2）基于TTC 的控制策略，預(yù)警功能和制動(dòng)率準(zhǔn)確率逸95%，復(fù)雜工況下，毫米波雷達(dá)因?yàn)樾盘?hào)受到干擾，存在一定的誤報(bào)。

（3）整套AEB 系統(tǒng)可靠有效，能大大避免駕駛失誤造成的交通安全事故，提高電動(dòng)觀光車的主動(dòng)安全性能。