基于Pre-Scan的自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)設(shè)計(jì)

楊建軍， 倪興瀧， 鄒晉彬， 邱宇奇， 彭憶強(qiáng)， 董大偉

(1.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，成都 610039；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

0 引 言

伴隨當(dāng)今世界智能交通的興起，自動(dòng)駕駛技術(shù)開始飛速發(fā)展，智能汽車產(chǎn)業(yè)已成為各國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略方向[1]。為使我國(guó)智能汽車產(chǎn)業(yè)能加快推進(jìn)、創(chuàng)新發(fā)展，國(guó)家各部委也在積極推動(dòng)全面建成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)智能汽車體系[2]。

但無論是完全自動(dòng)駕駛汽車，還是駕駛員操控汽車，如何盡可能的減少甚至避免交通事故的發(fā)生一直是困擾全世界的一個(gè)難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界每年死于交通事故高達(dá)135萬人，而其中大部分事故的主要原因都是由于駕駛員判斷失誤和疲勞駕駛造成的，反映在汽車行駛過程中的最直接表現(xiàn)則是車速過快，未能在事故發(fā)生前將車輛剎死、停住[3]。目前，在大多數(shù)中高端車輛上已經(jīng)搭載了自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(Autonomous Emergency Braking System, AEB)以降低駕駛員因素對(duì)交通事故的影響，提高汽車在行駛過程中的安全性。歐盟新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)(Euro-NCAP)研究指出,由駕駛員注意力分散而引發(fā)的交通安全事故占90%，而搭載了AEB系統(tǒng)的車輛事故發(fā)生率則可以減少約27%[4-6]。

隨著越來越多的AEB系統(tǒng)在不同車型上開始配備，有必要開展AEB試驗(yàn)對(duì)所搭載AEB系統(tǒng)的可靠性與能效性進(jìn)行測(cè)試。全球各大新車碰撞測(cè)試組織的方法大多是采用在封閉道路情況下，假人與新車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)以測(cè)試其搭載的AEB系統(tǒng)，具有一定的危險(xiǎn)性且成本較高，并且難以隨時(shí)開展試驗(yàn)[7]。

作為典型的工科專業(yè)，車輛類專業(yè)的特點(diǎn)是緊密聯(lián)系行業(yè)熱點(diǎn)和發(fā)展方向，其工程應(yīng)用特點(diǎn)十分明顯。隨著智能汽車的發(fā)展，如何在車輛專業(yè)中將智能車輛技術(shù)引入教學(xué)并針對(duì)性的開展試驗(yàn)項(xiàng)目，這也是車輛類專業(yè)本科教學(xué)的難點(diǎn)[8]。針對(duì)以上情況，本文利用Pre-Scan自動(dòng)駕駛仿真軟件設(shè)計(jì)了自動(dòng)駕駛車輛AEB系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，通過對(duì)實(shí)際案例的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果分析，討論如何利用Pre-Scan進(jìn)行自動(dòng)駕駛車輛AEB系統(tǒng)試驗(yàn)與開發(fā)。

1 自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)

1.1 AEB試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

目前，國(guó)內(nèi)AEB系統(tǒng)開發(fā)大多還是按照中國(guó)新車評(píng)價(jià)規(guī)程(C-NCAP)來研究的，其開發(fā)過程主要包括以下3個(gè)部分：道路測(cè)試、仿真測(cè)試和實(shí)車功能測(cè)試[9-10]。在開發(fā)過程中不僅需要實(shí)車與專業(yè)場(chǎng)地，而且周期長(zhǎng)，成本高，甚至具有一定的危險(xiǎn)性。因此，利用Pre-Scan 對(duì)自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)設(shè)計(jì)，搭建道路測(cè)試所需要的AEB觸發(fā)場(chǎng)景，并提取分析其中的誤觸發(fā)場(chǎng)景。同時(shí)對(duì)AEB模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)整，使其避免誤觸發(fā)場(chǎng)景，為實(shí)車功能測(cè)試提供參考，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本，降低開發(fā)試驗(yàn)中的危險(xiǎn)程度，并通過C-NCAP測(cè)試[11]。

1.2 仿真軟件的可信度確定

Pre-Scan以物理模型為基礎(chǔ)，基于Matlab/Simulink的汽車駕駛仿真平臺(tái)。其支持模型在環(huán)(MIL)，實(shí)時(shí)軟件在環(huán)(SIL)，硬件在環(huán)(HIL)等多種使用模式，在汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和無人自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的開發(fā)中具有較大影響力[12-14]。Pre-Scan在世界范圍內(nèi)的自動(dòng)駕駛車輛技術(shù)研究中被廣泛采用，使用它進(jìn)行自動(dòng)駕駛系統(tǒng)開發(fā)已經(jīng)成為較成熟的方法。

1.3 仿真試驗(yàn)的技術(shù)路線

使用Pre-Scan軟件對(duì)自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行AEB試驗(yàn)，需要確定的是搭建符合實(shí)際情況的虛擬道路測(cè)試場(chǎng)景。通過分析來自國(guó)家車輛事故深度調(diào)查體系(National Automobile Accident In-depth Investigation System, NAIS)數(shù)據(jù)庫提供的事故車輛與場(chǎng)景資料，包括事故現(xiàn)場(chǎng)CAD圖以及警方提供的道路交通事故現(xiàn)場(chǎng)圖與事故監(jiān)控視頻，作為衡量Pre-Scan軟件搭建道路測(cè)試場(chǎng)景正確性的主要依據(jù)。若在搭建的測(cè)試場(chǎng)景中，測(cè)試車車速、事故發(fā)生前各參與方的相對(duì)位置以及道路環(huán)境均與事故發(fā)生前的場(chǎng)景一致，且仿真結(jié)果車輛碰撞位置與監(jiān)控視頻一致，則其搭建的測(cè)試場(chǎng)景符合事故發(fā)生時(shí)的實(shí)際場(chǎng)景。搭建AEB測(cè)試場(chǎng)景模型主要包括建模前的分析、模型建立、結(jié)果輸出3部分，如圖1所示。

圖1 AEB試驗(yàn)流程圖

建模前應(yīng)對(duì)初始材料進(jìn)行深度分析，得到事故發(fā)生前的真實(shí)環(huán)境。建模時(shí)應(yīng)主要考慮搭建的測(cè)試場(chǎng)景是否符合該起交通事故的真實(shí)場(chǎng)景特征，并添加相應(yīng)的AEB算法，不斷調(diào)整參數(shù)，最終將仿真結(jié)果輸出。本文通過一起實(shí)際發(fā)生的交通事故作為案例，介紹基于Pre-Scan的自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體操作流程。

2 試驗(yàn)仿真步驟

2.1 試驗(yàn)案例

2019年7月某日，在一條直行道路近Y形路口處(干燥瀝青路面)，一輛三廂轎車與一橫穿馬路的行人發(fā)生交通事故。發(fā)生碰撞前，該行人已看見事故轎車，但并未選擇讓行而是小跑強(qiáng)行通過。轎車駕駛員看見該行人時(shí)已來不及在碰撞前將汽車減速剎停，導(dǎo)致發(fā)生交通事故。事故發(fā)生時(shí)，轎車左車燈部分與行人腰部位置發(fā)生碰撞，之后轎車向前急剎，停在行駛方向右側(cè)車道，行人被撞后俯臥在轎車后方。交警手繪事故現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。

圖2 交警手繪事故現(xiàn)場(chǎng)圖

利用Pre-Scan軟件對(duì)這次事故進(jìn)行模擬仿真，并在相同場(chǎng)景中為該事故車輛添加了相應(yīng)的需要測(cè)試的AEB算法，進(jìn)行車輛AEB系統(tǒng)試驗(yàn)，并作對(duì)比分析。

2.2 案件材料分析

對(duì)本案件中的初始材料進(jìn)行分析，包括交警手繪的事故現(xiàn)場(chǎng)圖，交警拍攝的事故現(xiàn)場(chǎng)照片、事故車輛照片以及警方提供的監(jiān)控錄像和死亡人員傷情報(bào)告等信息。要以事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)中的客觀信息為基礎(chǔ)，并結(jié)合證人口述筆錄，才可對(duì)事故原因進(jìn)行初步判斷。

2.3 事故原因及過程分析

通過相關(guān)分析所得，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，對(duì)事故發(fā)生的誘因及過程作了初步了解和判斷。在本起交通事故中，從現(xiàn)場(chǎng)照片來看，事故車留下的制動(dòng)印記較短，現(xiàn)場(chǎng)散落物較少，行人最終位置與車輛最終位置距離較近，因此初步判斷該事故原因應(yīng)該是行人違規(guī)橫穿道路，車輛速度不快但駕駛員注意力不集中兩方面。

通過采用Pre-Scan軟件對(duì)本交通事故進(jìn)行仿真再現(xiàn)，不僅可以更直觀地了解事故發(fā)生的全過程，而且可方便地做相應(yīng)的AEB算法試驗(yàn)，以驗(yàn)證在添加該AEB算法后能否有效的輔助駕駛員行車，確保在緊急危險(xiǎn)情況下做到提前預(yù)警，及時(shí)剎車，避免此類交通事故發(fā)生，并為以后的自動(dòng)駕駛車輛的制動(dòng)系部分做好相應(yīng)的AEB試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.4 仿真測(cè)試場(chǎng)景搭建

(1) 場(chǎng)景參數(shù)設(shè)置。搭建的仿真測(cè)試場(chǎng)景應(yīng)盡可能的再現(xiàn)事故發(fā)生前、發(fā)生時(shí)及發(fā)生后的各參與方的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與具體形態(tài)。根據(jù)警方提供的事故車輛VIN銘牌，查詢事故車輛相關(guān)信息，在Pre-Scan中選擇相應(yīng)的事故轎車車型，并對(duì)車輛相關(guān)的物理特性、初始狀態(tài)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)及環(huán)境因素進(jìn)行更改設(shè)置。若在軟件中沒有事故車輛模型，則選擇相似車型作為替代[15]。測(cè)試場(chǎng)景設(shè)置如圖3所示, 事故車輛模型設(shè)置如圖4所示。

圖3 測(cè)試場(chǎng)景設(shè)置

圖4 車輛參數(shù)設(shè)置

(2) 場(chǎng)景搭建。依據(jù)警方提供的事故現(xiàn)場(chǎng)圖，結(jié)合繪制的事故參與方最終位置，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置的車輛—人體—路面的具體參數(shù)，在Pre-Scan軟件中建立人—車—環(huán)境模型。為便于相關(guān)AEB試驗(yàn)分析，搭建2個(gè)相同的測(cè)試場(chǎng)景，1個(gè)用于案例事故仿真再現(xiàn)，1個(gè)用于案例事故車輛添加AEB算法并開展AEB試驗(yàn)，在線實(shí)時(shí)調(diào)整AEB算法參數(shù)，確保AEB算法的正確性。最后將輸出結(jié)果對(duì)比分析，以驗(yàn)證基于Pre-Scan的自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)的可行性。搭建的虛擬測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示。其中紅色光束為搭載了AEB算法的測(cè)試車輛所帶的長(zhǎng)距雷達(dá)波和短距雷達(dá)波示意圖。

圖5 虛擬測(cè)試場(chǎng)景圖(三維立體模型)

2.5 AEB算法試驗(yàn)及參數(shù)確定

在本次試驗(yàn)中，選取的AEB算法模型如圖6所示。Pre-Scan可以通過與Matlab軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，從而將搭建的虛擬測(cè)試場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為Simulink模型。因此，可以非常方便地向Simulink生成的測(cè)試車輛模型添加需要開展試驗(yàn)的AEB算法，并利用Matlab與Pre-Scan聯(lián)合開展3D動(dòng)畫仿真，直觀地觀察行人與車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及AEB算法能效。

圖6 AEB算法模型

AEB算法模型包含了12個(gè)輸入信號(hào)和4個(gè)輸出信號(hào)。當(dāng)需要輸入的12個(gè)控制信號(hào)都連接好后，只需要將輸出的車輛節(jié)氣門開度控制信號(hào)和車輛剎車控制信號(hào)分別與在Simulink自動(dòng)生成的車輛動(dòng)力學(xué)控制模型的節(jié)氣門端口和剎車控制端口對(duì)應(yīng)相接即可完成該AEB模型的添加。

在AEB算法中，最為重要的是計(jì)算與障礙物將要碰撞的時(shí)間(Time to collision，TTC)。通過預(yù)設(shè)TTC參數(shù)值，確定AEB算法的控制方式。不同的TTC參數(shù)，將會(huì)對(duì)AEB算法效果產(chǎn)生顯著的影響。若預(yù)設(shè)的TTC值過大，那么AEB系統(tǒng)響應(yīng)將會(huì)過于靈敏，嚴(yán)重影響駕駛體驗(yàn)，降低駕駛舒適性；若預(yù)設(shè)的TTC值過小，AEB系統(tǒng)響應(yīng)較為遲鈍，無法充分發(fā)揮AEB系統(tǒng)的效能，難以在緊急情況下及時(shí)避險(xiǎn)，使駕駛安全性得不到保證[16-17]。在Pre-Scan中，可以通過不斷微調(diào)參數(shù)TTC的值并即時(shí)仿真，而不必耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力去做AEB試驗(yàn)，得到TTC值的最優(yōu)解。經(jīng)不斷嘗試以及結(jié)合實(shí)際情況分析，得到了3級(jí)TTC的值(見圖7)，可確保在案例場(chǎng)景下，若該事故車輛搭載該AEB算法，則可以提前自動(dòng)制動(dòng)，避免此交通事故的發(fā)生。此3級(jí)TTC的值分別為：2.6 s-向前碰撞預(yù)警預(yù)設(shè)閾值；1.6 s-40%制動(dòng)閾值；0.6 s-100%制動(dòng)閾值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，提前2.5 s給予駕駛員一個(gè)警告信號(hào)，人的反應(yīng)時(shí)間在安全剎車距離下基本上可以做到將車輛剎停。而采用2級(jí)制動(dòng)，可使AEB系統(tǒng)激活后更舒適、平順地介入，且制動(dòng)效果更強(qiáng)，減速度更大。

圖7 3級(jí)TTC參數(shù)值

2.6 仿真結(jié)果分析

在確定了案例事故車輛所添加AEB算法的相關(guān)參數(shù)值后，得到以下仿真結(jié)果。若未搭載AEB算法，即在案例條件下，行人與車輛在仿真時(shí)間4.18 s時(shí)發(fā)生碰撞,此時(shí)碰撞速度為30 km/h。圖8(a)、(b)為仿真時(shí)間同為4.18 s時(shí)是否搭載AEB算法的仿真結(jié)果對(duì)比圖。

(a) 未搭載AEB算法

而在另一搭載了AEB算法的車輛上，在仿真時(shí)間3 s時(shí)便開啟了向前碰撞預(yù)警并同時(shí)松開油門踏板，進(jìn)入一級(jí)制動(dòng)；在仿真時(shí)間3.8 s時(shí)進(jìn)入2級(jí)全力制動(dòng)；在仿真時(shí)間4.65 s時(shí)車輛剎停。此時(shí)車輛狀態(tài)為車速為零、油門為零、制動(dòng)力100%、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，而行人已通過車輛前方，避免了本次交通事故發(fā)生。仿真過程中車輛的具體速度狀態(tài)如圖9、10所示。

圖9 事故車輛速度-時(shí)間曲線圖

圖10 測(cè)試車輛速度-時(shí)間曲線圖

由圖9可見，對(duì)于未搭載AEB算法的車輛(事故車輛)，在整個(gè)事故發(fā)生過程中，由于駕駛員并未注意到前方行人，故車輛沒有被有效制動(dòng)，從而導(dǎo)致了本起交通事故的發(fā)生。而由圖10可見，對(duì)于搭載了AEB算法的車輛(測(cè)試車輛)，在模擬本起交通事故過程中，在AEB系統(tǒng)的作用下，盡管駕駛員未注意到前方行人，但從其速度-時(shí)間圖依舊可以反映出車輛具有兩段有效的制動(dòng)，并最終使車輛停下。觀察圖10可得，在仿真時(shí)間3 s左右，車輛AEB系統(tǒng)采取一級(jí)制動(dòng)模式，并在仿真時(shí)間3.8 s左右采取二級(jí)全力制動(dòng)模式，最終確保車輛在撞到行人之前停下。同時(shí)在4.65 s時(shí)，事故車輛的速度為11.18 m/s，而測(cè)試車輛速度為0 m/s，可見本次基于Pre-Scan的車輛AEB試驗(yàn)設(shè)計(jì)效果良好，為今后通過Pre-Scan快速、有效的做相應(yīng)車輛的AEB算法開發(fā)和測(cè)試，同時(shí)開展相關(guān)AEB試驗(yàn)提供了新的解決思路與方法。圖11所示為不同仿真時(shí)間段雷達(dá)掃描圖。

(a) 正常行駛

同時(shí)觀察雷達(dá)掃描圖(藍(lán)色光波為長(zhǎng)距雷達(dá)波的掃描范圍，紅色光波為短距雷達(dá)波的掃描范圍)可見，在保持安全距離的正常行駛狀態(tài)下，當(dāng)行人橫穿馬路時(shí)，能夠被很好的探測(cè)到。當(dāng)駕駛員未反應(yīng)過來，預(yù)測(cè)碰撞時(shí)間小于1.6 s時(shí)，車輛自動(dòng)進(jìn)入40%制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)預(yù)測(cè)碰撞時(shí)間小于0.6 s時(shí)，車輛自動(dòng)進(jìn)入全力制動(dòng)狀態(tài),最終在行人位置之前停下，避免了本次交通事故發(fā)生。

3 結(jié) 語

通過以上案例中具體交通事故的試驗(yàn)過程表明，利用Pre-Scan開展自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了交通事故仿真再現(xiàn)，以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)行人、車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，并以圖表和文字形式輸出結(jié)果，得到詳細(xì)的交通事故發(fā)生的過程，仿真結(jié)果具有科學(xué)性和直觀性。對(duì)比搭載AEB系統(tǒng)的仿真結(jié)果可以看出，利用Pre-Scan軟件可以非常方便的開展自動(dòng)駕駛車輛的AEB試驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整AEB算法參數(shù)，并在Matlab中讀取車輛實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)原有AEB算法作進(jìn)一步的分析和改進(jìn)，以確保AEB算法可行性。

開展AEB算法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)是自動(dòng)駕駛車輛開發(fā)的前向工作中的重要內(nèi)容，利用Pre-Scan軟件進(jìn)行自動(dòng)駕駛車輛AEB試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本，并降低此類試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，有利于自動(dòng)駕駛車輛的AEB系統(tǒng)開發(fā)，并做到更好的AEB試驗(yàn)效果。