強降雨場景下自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的安全控制策略*

趙 超，卜德旭，曹禮鵬，2，李克強，羅禹貢

（1. 清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院，汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084；2. 重慶大學(xué)機械與運載工程學(xué)院，重慶 400030）

前言

自適應(yīng)巡航控制（adaptive cruise control system，ACC）是重要的智能駕駛輔助功能，ACC 系統(tǒng)的目標為通過控制驅(qū)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)自動調(diào)整車速實現(xiàn)車距保持功能。ACC 可以有效減輕駕駛員疲勞強度，提升駕駛的安全性與舒適性。ACC 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于毫米波雷達感知信息的正確性，毫米波雷達在強降雨場景下的性能局限性，可能會導(dǎo)致ACC系統(tǒng)出現(xiàn)速度控制錯誤的預(yù)期功能安全問題。

預(yù) 期 功 能 安 全（safety of the intended functionality，SOTIF）的定義是沒有因預(yù)期功能的功能不足或可合理預(yù)見的人為誤用導(dǎo)致的不合理風(fēng)險。ISO 21448 標準提供了實現(xiàn)SOTIF 所需的適用設(shè)計、驗證和驗證措施的指南，還有研究提供了一些風(fēng)險評估和觸發(fā)條件的確定方法，但是目前針對“功能改進來降低SOTIF 風(fēng)險”的策略的研究較少。

毫米波雷達是ACC 的重要組成元件，目前的研究重點都在于改進常規(guī)工況下ACC 的性能，提升毫米波雷達測量的實時性與準確性，確保目標識別與跟蹤的效果，但是對于ACC 系統(tǒng)在強降雨環(huán)境下出現(xiàn)的SOTIF問題考慮較少。

強降雨帶來的衰減、雜波和噪聲會降低毫米波雷達的最大檢測范圍，增大虛警概率和測量誤差。雨衰減和后向散射會使目標回波功率降低、雜波功率增加。王輝考慮了大氣衰減和后向散射，對地面、海面、雨和雪條件下的9.5-95 GHz 之間所有常用的雷達的反射進行了一系列研究。黃際英等使用Mie 理論計算了單個球形雨滴在不同溫度、不同工作頻率、不同尺寸情況下的衰減截面和后向散射截面，使用統(tǒng)計擬合的方法，得到了計算毫米波段雨介質(zhì)后向散射系數(shù)的簡單公式。Gourova 等在雨霧隧道中進行了毫米波雷達的探測實驗，對后向散射進行了理論分析。在高頻與粒子數(shù)目較大的情況下，多重散射會使得降雨后向散射增強。白繼玲等分析了降雨的多重散射效應(yīng)，計算了由降雨的2 階散射機制造成的雨雜波回波功率。Yang 等討論了離散隨機介質(zhì)中2 階后向散射增強理論，基于Mie 理論、蒙特卡羅模擬和后向散射增強理論，分別在35 和95 GHz 時分析了降雨對毫米波雷達性能的影響。此外，考慮降雨對天線噪聲溫度的影響，張蕊等擬合得到了由降雨的雷達體反射率反演雨衰減率的公式。 Zang 等模擬了降雨場景下毫米波雷達的返回功率和接受功率信噪比的變化。李鑫的研究表明，降雨對毫米波雷達返回功率的影響會使毫米波雷達虛警概率增大，最大檢測距離降低和測量誤差增大?？傮w而言，當(dāng)前研究主要集中在分析降雨對毫米波雷達性能影響分析方面，未考慮毫米波雷達的性能局限可能造成的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的SOTIF 問題，同時未涉及相應(yīng)的安全風(fēng)險識別和安全控制策略的研究。

本文中提出了強降雨場景下ACC 系統(tǒng)的安全控制策略，旨在降低由強降雨導(dǎo)致的ACC 系統(tǒng)性能局限的SOTIF風(fēng)險。首先使用雙狀態(tài)識別可能影響ACC 性能的安全風(fēng)險，將毫米波雷達觀測信息輸入到卡爾曼濾波器和兩個狀態(tài)遞推器當(dāng)中，通過比較卡爾曼濾波器和狀態(tài)遞推器的差值判斷系統(tǒng)是否存在安全風(fēng)險；其次，使用卡爾曼濾波對存在安全風(fēng)險的毫米波雷達觀測信息進行修正，將處理修正后的信息輸入ACC 上層控制器，基于PID 控制得到期望加速度，下層控制器將期望加速度轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號或制動信號對車輛進行控制；最后搭建Prescan/Simulink 聯(lián)合仿真平臺對所提安全控制策略進行驗證。

1 毫米波雷達SOTIF問題描述

強降雨環(huán)境中，毫米波雷達回波功率降低，雨雜波和噪聲功率增加。強降雨條件下，雨衰減會使目標回波功率降低，此時目標的回波功率為

式中：為目標的返回功率；為發(fā)射信號功率；為雷達天線增益；為毫米波雷達工作波長；為目標雷達散射截面（RCS）；為多路徑系數(shù)；為衰減系數(shù)；為雷達與目標之間距離。

式中：為雜波信號功率；為脈沖持續(xù)時間；為天線波束寬度；為雨滴的后向散射系數(shù)。

式中：為噪聲功率；為接收機噪聲數(shù)據(jù)；為噪聲溫度；為玻爾茲曼常數(shù)；為接收機濾波帶寬。

毫米波雷達對于運動信息的測量受毫米波雷達接受功率信噪比的影響。噪聲、雜波導(dǎo)致的毫米波雷達速度測量誤差為

式中：為雷達回波信號功率；為噪聲和雜波的總功率；Δ為雷達調(diào)頻帶寬；為雷達調(diào)頻周期；為雷達處理時的積累時間。

毫米波雷達測距誤差為

式中：為光速；為毫米波波長；為雷達天線波束主軸與目標間的夾角。

自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)根據(jù)毫米波雷達等傳感器觀測的信息控制車輛加速或減速。

在強降雨場景下，測量車距為

式中為自車與前車的實際車距。

強降雨場景下毫米波雷達測量車距與期望車距的車距誤差Δ為

式中：Δ為實際車距誤差；為期望車距。

對于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，控制目標為使自車與前車的實際車距趨近于期望車距，即要求車距誤差Δ趨近于零。強降雨場景下測量車距誤差Δ與實際車距誤差Δ的誤差可能會觸發(fā)ACC系統(tǒng)速度控制性能受限，引發(fā)非預(yù)期加速或減速，導(dǎo)致無法實現(xiàn)穩(wěn)定跟車、與前車或后車發(fā)生碰撞。

2 強降雨場景下安全控制策略設(shè)計

強降雨場景下毫米波雷達的安全控制策略架構(gòu)如圖1 所示，分為安全風(fēng)險識別和安全控制兩個部分。使用雙狀態(tài)檢驗進行風(fēng)險信息的識別，使用基于卡爾曼濾波的修正策略對安全風(fēng)險進行修正，進而將修正后的信息引入ACC 控制器進行安全控制。

圖1 安全控制策略原理圖

2.1 基于雙狀態(tài)卡方檢驗的安全風(fēng)險識別策略設(shè)計

強降雨場景中，毫米波雷達傳播衰減、信噪比降低，會造成目標運動信息測量誤差增大，使用雙狀態(tài)檢驗識別毫米波雷達中出現(xiàn)大量噪聲的情況。

定義狀態(tài)向量來表征前方物體的運動狀態(tài)：

式中：表示目標相對于自車的縱向位置；˙表示目標車輛相對于自車的縱向速度；表示相對加速度；表示相對加速度的導(dǎo)數(shù)。

前方目標運動狀態(tài)的狀態(tài)方程的連續(xù)時間模型表示為

式中：為連續(xù)系統(tǒng)矩陣；為連續(xù)系統(tǒng)噪聲驅(qū)動矩陣；為過程噪聲，是相對加速度的導(dǎo)數(shù)的干擾。

通過線性離散化，前方目標運動狀態(tài)的狀態(tài)方程的離散時間模型為

式中：為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；為系統(tǒng)噪聲系數(shù)矩陣；為系統(tǒng)采樣時間；()為時刻的狀態(tài)向量。一步預(yù)測狀態(tài)量^(+ 1|)通過上述狀態(tài)方程求得。

前方目標運動狀態(tài)觀測方程的離散時間模型表示為

卡爾曼濾波的一步預(yù)測協(xié)方差(+ 1|) 為

式中是過程噪聲的方差。

最終卡爾曼濾波器的狀態(tài)更新為

式中是測量噪聲的方差。

卡爾曼濾波的狀態(tài)估計值^(|)由一步預(yù)測信息^(|- 1)和實際觀測信息()融合得到，當(dāng)系統(tǒng)存在功能不足、實際觀測信息存在風(fēng)險時，狀態(tài)估計值^(|)也會包含風(fēng)險信息。設(shè)計由先驗信息遞推得到的狀態(tài)遞推器，最終根據(jù)卡爾曼濾波狀態(tài)估計值^(|)與狀態(tài)遞推器^()的差值判斷是否存在風(fēng)險信息。由卡爾曼濾波得到^ ()后，狀態(tài)遞推器進行狀態(tài)估計和方差遞推過程：

根據(jù)狀態(tài)濾波值^ ()和^()的差值可以判斷系統(tǒng)是否發(fā)生風(fēng)險。

式中：差異向量()是零均值的高斯隨機向量；()是()的協(xié)方差；隨機狀態(tài)量() ～()。毫米波雷達是否存在風(fēng)險的判斷準則為

式中是設(shè)定的檢測閾值，決定檢測的性能，由皮爾遜準則確定。

狀態(tài)遞推器的遞推值會隨著時間的累積越來越偏離真實值，導(dǎo)致遞推器失效，可以使用卡爾曼濾波的狀態(tài)估計值定期對狀態(tài)遞推值進行更新。但是當(dāng)發(fā)生風(fēng)險時，卡爾曼濾波的狀態(tài)估計值已經(jīng)包含了風(fēng)險信息，會污染狀態(tài)遞推器，導(dǎo)致無法檢測出信號異?，F(xiàn)象。為了減小被污染的可能，提高安全風(fēng)險識別的可靠性，可以設(shè)置兩個狀態(tài)遞推器，進行交替重置，當(dāng)一個狀態(tài)遞推器被重置時，另外一個可以作為參考系統(tǒng)。

雙狀態(tài)卡方檢驗遞推器的重置和使用時間如圖2所示，在時刻系統(tǒng)信號出現(xiàn)了明顯的異常，存在風(fēng)險。

圖2 雙狀態(tài)卡方檢驗遞推器的重置和使用時間

設(shè)發(fā)生在時間區(qū)間(，)內(nèi)，在時刻狀態(tài)遞推器1 已經(jīng)被重置，在時刻狀態(tài)遞推器2即將被重置污染，在時刻狀態(tài)遞推器1 即將被重置污染，所以需要在時刻前檢測出信號異常。設(shè)?為從時刻到信號異常被檢測出來的時間間隔，?為雙狀態(tài)卡方檢驗遞推器的重置時間間隔。需要在(，)時間內(nèi)檢測出信號異常，所以有

即雙狀態(tài)卡方檢驗遞推器的重置時間間隔大于信號異常的檢測時間。若重置時間過短，即遞推器被快速重置，可能在檢測到信號異常信息之前已經(jīng)被污染，造成漏檢，無法有效進行安全風(fēng)險識別；若重置時間過長，即遞推器重置速度比較慢，靈敏度會降低，誤差隨著時間不斷積累，等效為單卡方檢驗，容易造成虛警。雙狀態(tài)卡方檢驗算法流程圖如圖3所示。

圖3 安全風(fēng)險識別策略流程圖

2.2 基于卡爾曼濾波的安全控制策略設(shè)計

基于卡爾曼濾波的安全控制策略如圖4 所示，如果上文所述的安全風(fēng)險識別策略識別到系統(tǒng)存在安全風(fēng)險，就使用卡爾曼濾波進行信息修正。毫米波雷達觀測的運動信息經(jīng)過修正之后，將修正信息輸入到ACC 的上層控制器當(dāng)中，上層控制器為PID控制。

圖4 安全控制策略流程圖

式中：為設(shè)定的期望車距；()為時刻自車與前車的實際車距；Δ()為時刻的期望車距與實際車距之差。關(guān)于距離控制的PID 控制器的控制函數(shù)可以寫為

式中：為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。假設(shè)區(qū)間為等份，每一份長度為，則上式離散化可得：

令=()，為期望加速度，是上層控制器的輸出信號。下層控制器對輸出信號進行處理，若為負值，則將輸出信號轉(zhuǎn)化為制動信號，若為正值，則將輸出信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號。

3 仿真驗證

搭建Prescan/Simulink 聯(lián)合仿真平臺，通過在仿真過程中的毫米波雷達測量信息中人為添加噪聲，模擬強降雨場景（圖5），驗證安全控制策略（圖6）的有效性。

圖5 仿真場景示意圖

圖6 安全控制策略模型

3.1 仿真設(shè)計

在ACC 控制器前增加安全風(fēng)險信息識別與修正模塊，ACC 控制器分為上層控制器和下層控制器兩個部分。

目前大多數(shù)在降雨場景下模擬毫米波雷達測量結(jié)果都是在理想結(jié)果輸出的基礎(chǔ)上添加噪聲來實現(xiàn)，這種模擬方式往往不能反映降雨對毫米波雷達的影響。為解決此問題，Hasirlioglu等建立了基于物理的虛擬降雨模型，使用Mie 理論和雷達方程分析降雨帶來的衰減和雜波的影響，模擬了降雨場景下毫米波雷達的目標返回功率和雜波功率的變化，與實車試驗結(jié)果吻合度較高。因此，在本文設(shè)計仿真工況時，首先使用Hasirlioglu 等建立的基于物理的虛擬降雨模型計算強降雨場景下毫米波雷達目標返回功率和雜波功率，再結(jié)合式（1）～式（3）計算出毫米波雷達的測量誤差，最后將測量誤差添加到毫米波雷達測量信息中。

參照氣象學(xué)中認為降雨量大于8.1 mm/h 為大雨或暴雨，因此設(shè)置強降雨的降雨量為10 mm/h，其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

最終計算得到毫米波雷達接受功率信噪比SNIR為20，距離測量誤差為2.91 m。根據(jù)距離測量誤差結(jié)果，設(shè)置噪聲注入毫米波雷達最終的輸出結(jié)果中模擬強降雨造成的影響。

設(shè)置勻速、勻加速、勻減速和復(fù)雜變速4 種不同的前車車速，編號分別為1、2、3、4，如圖7～圖10所示。

圖7 前車速度1

圖8 前車速度2

圖9 前車速度3

圖10 前車速度4

設(shè)置穿過雨區(qū)和持續(xù)降雨兩種降雨情況，最終設(shè)置不同的仿真工況，如表2所示。

表2 仿真工況設(shè)計

3.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)表2 設(shè)計的仿真工況，得到各個場景的仿真結(jié)果，如表3 所示。風(fēng)險時間表示在仿真場景中模擬強降雨的時間，檢測時間表示安全風(fēng)險識別策略檢測到的ACC 系統(tǒng)存在SOTIF 風(fēng)險的時間，檢測時間偏差表示風(fēng)險時間和檢測時間之間的誤差。真實距離表示有安全控制策略情況下自車與前車的實際距離，修正距離表示有安全控制策略情況下卡爾曼濾波的修正距離。修正誤差表示最大的卡爾曼濾波修正距離與真實距離的誤差。

表3 仿真結(jié)果

如表3 所示，所提基于雙狀態(tài)的安全風(fēng)險識別策略能夠及時有效地識別毫米波雷達測量的運動信息非預(yù)期誤差導(dǎo)致ACC系統(tǒng)性能局限的SOTIF風(fēng)險，檢測時間偏差在1.31 s以內(nèi)（工況4：檢測時間為20-41.31 s，風(fēng)險時間為20-40 s）；實施安全控制策略后，卡爾曼濾波修正信息與真實數(shù)據(jù)之間的偏差在3.66 m 以內(nèi)，ACC 系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。無安全控制策略時，ACC系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行，自車可能與前車或后車發(fā)生碰撞。

工況4（20-40 s穿過雨區(qū)、大雨、前車復(fù)雜變速）的仿真結(jié)果如圖11～圖14 所示。flag-err 表示風(fēng)險識別結(jié)果，當(dāng)flag-err=0 時，安全風(fēng)險識別策略認為系統(tǒng)無風(fēng)險；當(dāng)flag-err=1 時，安全風(fēng)險識別策略認為系統(tǒng)存在風(fēng)險。

圖11 安全風(fēng)險識別結(jié)果

圖14 有安全控制和無安全控制時自車速度

由圖11可見，所提基于雙狀態(tài)的安全風(fēng)險識別策略能夠成功檢測安全風(fēng)險，即在20-40 s之間穿過強降雨區(qū)時毫米波雷達感知的運動信息存在非預(yù)期誤差，進而觸發(fā)ACC系統(tǒng)性能局限的SOTIF風(fēng)險。圖12 表示實施安全控制之后的修正距離與真實距離，修正距離與真實距離最大相差1.76 m，真實距離與修正距離差距較小，修正距離合理可信。圖13和圖14 表示有安全控制和無安全控制時距離和速度的變化。在無安全控制策略時，從20 s 開始進入雨區(qū)，毫米波雷達測量的運動信息誤差較大導(dǎo)致ACC 系統(tǒng)存在SOTIF 風(fēng)險。自車與前車之間距離增大，自車速度增加但此時的加速度較小，無法實現(xiàn)跟車；在26.75 s 時，前車與自車距離超出毫米波雷達最大檢測距離，自車以當(dāng)前車速保持定速巡航狀態(tài)行駛，37.78 s 時，毫米波雷達再次探測到前車，系統(tǒng)切換為跟車狀態(tài)，自車與前車之間距離減小，自車速度減小，但此時的減速度較小，自車與前車距離持續(xù)減小，40 s 后風(fēng)險結(jié)束，自車逐漸實現(xiàn)穩(wěn)定跟車。在有安全控制策略時，自車可以保持穩(wěn)定跟車行駛，驗證了安全控制策略的有效性。

圖12 安全控制之后修正距離與真實距離

圖13 有安全控制和無安全控制時距離

工況8（20 s 開始持續(xù)降雨、大雨、前車復(fù)雜變速）的仿真結(jié)果如圖15～圖18所示。

圖15 安全風(fēng)險識別結(jié)果

圖18 有安全控制和無安全控制時自車速度

由圖15可見，所提基于雙狀態(tài)的安全風(fēng)險識別策略能夠成功檢測安全風(fēng)險，即在20-60 s之間持續(xù)強降雨時毫米波雷達感知的運動信息存在非預(yù)期誤差，進而觸發(fā)ACC 系統(tǒng)性能局限的SOTIF 風(fēng)險。圖16 表示實施安全控制之后的修正距離與真實距離，修正距離與真實距離最大相差3.66 m。此時降雨量較大且持續(xù)時間比較長，卡爾曼濾波修正距離和真實距離誤差增大；前車速度變化復(fù)雜，設(shè)定車距與實際車距之間的誤差增大，跟車效果變差，限制了安全控制策略的效果，最終的修正誤差較大。但是經(jīng)過修正之后觀測距離變化幅度較?。ㄈ鐖D16 所示），ACC 系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。圖17 和圖18 表示有安全控制和無安全控制時距離和速度的變化。在無安全控制策略時，從20 s開始持續(xù)降雨，毫米波雷達測量的運動信息誤差較大導(dǎo)致ACC 系統(tǒng)存在SOTIF風(fēng)險。自車與前車之間距離增大，自車速度增加但此時的加速度較小，無法實現(xiàn)跟車；在26.75 s時，前車與自車距離超出毫米波雷達最大檢測距離，自車以當(dāng)前車速保持定速巡航狀態(tài)行駛，37.78 s 時，毫米波雷達再次探測到前車，系統(tǒng)切換為跟車狀態(tài)，自車與前車之間距離減小，自車速度減小，但此時的減速度較小，減速不及時導(dǎo)致與前車在43.73 s發(fā)生碰撞。在有安全控制策略時，自車可以保持穩(wěn)定跟車行駛，驗證了安全控制策略的有效性。

圖16 安全控制之后修正距離與真實距離

圖17 有安全控制和無安全控制時距離

同時，由表3 可知，在仿真工況1-3 和5-7 前車速度規(guī)律變化情況下，所提方法均能夠?qū)崿F(xiàn)對非預(yù)期風(fēng)險的及時識別，且工況1-3 穿過雨區(qū)后存在不超過1s 的虛警時間?？柭鼮V波修正信息與真實數(shù)據(jù)之間的偏差在0.9 m 以內(nèi)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定跟車行駛。

仿真工況4 為設(shè)定的穿過雨區(qū)、復(fù)雜變速工況。所提風(fēng)險識別策略仍然可以實現(xiàn)對非預(yù)期風(fēng)險的及時識別，但是由表3 可知，穿過雨區(qū)后虛警時間為1.31 s，與工況1-3相比，虛警時間變長，且修正誤差增加為1.76 m。虛警時間仍然在可接受范圍內(nèi)，可以保證風(fēng)險識別效果。雖然修正誤差較大，但是安全控制策略仍然可以實現(xiàn)穩(wěn)定跟車行駛，如圖14 所示。仿真工況8 為設(shè)定的持續(xù)降雨、復(fù)雜變速工況。所提風(fēng)險識別策略仍然可以實現(xiàn)對非預(yù)期風(fēng)險的及時識別。仿真工況8 的修正誤差為3.66 m，修正誤差較大，但是安全控制策略仍然可以實現(xiàn)穩(wěn)定跟車行駛，如圖18所示。

因此，前車車速影響風(fēng)險識別策略和風(fēng)險降低策略。前車車速變化復(fù)雜會使風(fēng)險結(jié)束后虛警時間變長，但是虛警時間仍然在可接受范圍內(nèi)，可以保證風(fēng)險識別效果。前車車速變化復(fù)雜造成修正誤差增大，但是安全控制策略仍然可以實現(xiàn)穩(wěn)定跟車行駛。

4 結(jié)論

針對強降雨場景下毫米波雷達感知的運動信息存在非預(yù)期誤差可能觸發(fā)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)性能局限的SOTIF 問題，本文中提出了一種安全控制策略。使用雙狀態(tài)檢驗實時對毫米波雷達的測量信息進行安全風(fēng)險檢驗，將毫米波雷達觀測信息輸入到卡爾曼濾波器和兩個狀態(tài)遞推器當(dāng)中，通過比較卡爾曼濾波器和狀態(tài)遞推器的差值判斷系統(tǒng)是否存在安全風(fēng)險。識別到系統(tǒng)存在風(fēng)險時，使用卡爾曼濾波對毫米波雷達觀測信息進行修正，將修正后的信息輸入ACC 上層控制器，基于PID 控制得到期望加速度輸入下層控制器，下層控制器將期望加速度轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號或制動信號對車輛進行控制。通過搭建的Prescan/Simulink 聯(lián)合仿真平臺對安全控制策略進行仿真驗證，仿真驗證結(jié)果表明：所提強降雨場景下自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)安全控制策略能夠?qū)崟r檢測由于強降雨導(dǎo)致的SOTIF 風(fēng)險，并能夠?qū)崟r修正非預(yù)期測量誤差，距離修正誤差在3.66 m 以內(nèi)，有效保證了ACC 系統(tǒng)在強降雨場景下安全穩(wěn)定運行。