自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)仿真及測試平臺研究

摘 "要： 為了解決自動(dòng)駕駛虛擬場景測試存在的缺少實(shí)物聯(lián)動(dòng)和實(shí)車?yán)锍虦y試周期長、成本高等問題，基于虛擬場景構(gòu)建技術(shù)并結(jié)合自動(dòng)駕駛汽車線控底盤架構(gòu)，設(shè)計(jì)了多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信、信號采集和輪速模擬等硬件模塊，搭建了一套自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)仿真測試臺架。根據(jù)自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)工作原理，基于碰撞時(shí)間（TTC）的安全距離模型，設(shè)計(jì)了AEB系統(tǒng)三級控制策略算法。通過CarSim構(gòu)建虛擬仿真場景和車輛模型，在仿真測試平臺上，對AEB控制算法進(jìn)行目標(biāo)靜止、目標(biāo)移動(dòng)和目標(biāo)制動(dòng)三種工況下的自動(dòng)制動(dòng)性能測試。測試結(jié)果表明，被測AEB在三種測試工況下均能控制車輛制動(dòng)減速，避免發(fā)生碰撞，具有良好的制動(dòng)穩(wěn)定性。測試平臺實(shí)現(xiàn)了對AEB系統(tǒng)的仿真測試與結(jié)果顯示，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的測試平臺的可行性，并能夠滿足AEB的測試需求。

關(guān)鍵詞： 自動(dòng)緊急制動(dòng)； 自動(dòng)駕駛； 仿真場景； 場景測試； 碰撞時(shí)間； 線控制動(dòng)

中圖分類號： TN919?34； TN06?34 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）18?0127?06

Research on simulation and testing platform for AEB system

LU Jiaye1， GUO Bin1， HU Xiaofeng1， ZHANG Junxin2， ZHANG Lincheng2

（1. College of Metrology Measurement and Instrument， China Jiliang University， Hangzhou 310020， China;

2. Hangzhou Wolei Technologies Co.， Ltd.， Hangzhou 310020， China）

Abstract： In order to solve the issues of lacking physical linkage in autonomous driving virtual scenario testing， as well as the long cycle and high cost of real?vehicle mileage testing， hardware modules such as multi computer system， communication， signal acquisition and wheel speed simulation are designed based on virtual scene construction technology and combined with the autonomous vehicle chassis by wire architecture， and a set of autonomous emergency braking （AEB） system simulation testing bench is built. According to the working principle of AEB system and the safety distance model based on time?to?collision， a three?level control strategy algorithm for AEB system is designed. The virtual simulation scenarios and vehicle models are constructed by means of CarSim. The AEB control algorithm was tested on the simulation testing platform for its automatic braking performance under three conditions： stationary target， moving target， and braking target. The testing results indicate that the tested AEB can control the vehicle to brake′s and decelerate under all three testing conditions， effectively avoiding collisions and demonstrating good braking stability. The testing platform can successfully simulate and display the testing results for the AEB system， verifying the feasibility of the designed testing platform. It can meet the testing requirements for the AEB.

Keywords： autonomous emergency braking; autonomous driving; simulation scenario; scenario testing; time?to?collision; brake by wire

0 "引 "言

汽車行業(yè)的發(fā)展方向主要是自動(dòng)駕駛[1]，正在朝著“新四化”趨勢發(fā)展，即智能化、電動(dòng)化、輕量化與交通網(wǎng)聯(lián)化[2]，自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)對的行駛環(huán)境越來越復(fù)雜[3]。主動(dòng)安全制動(dòng)系統(tǒng)作為自動(dòng)駕駛汽車行車安全的重要保障，不僅可以提高車輛的安全性能和駕駛的舒適性，還可以減少因發(fā)生交通事故而造成的經(jīng)濟(jì)損失[4]。目前，主動(dòng)安全制動(dòng)系統(tǒng)核心技術(shù)被外國企業(yè)壟斷，國內(nèi)的相關(guān)研究起步晚，與國外領(lǐng)先水平存在一定差距。國內(nèi)對主動(dòng)安全制動(dòng)功能的相關(guān)研究分為基于虛擬場景的功能測試和基于實(shí)車的功能測試兩類[5]。前者是基于虛擬場景，通過場景生成技術(shù)在仿真環(huán)境中生成測試場景，對主動(dòng)安全系統(tǒng)算法性能進(jìn)行測試，主要是對決策控制算法的優(yōu)化[6?7]和構(gòu)建關(guān)鍵測試場景[8?9]。后者是基于實(shí)車?yán)锍虦y試，通過將被測主動(dòng)安全制動(dòng)系統(tǒng)搭載在測試車輛，在實(shí)際道路上進(jìn)行功能測試。以上兩類方式都可完成功能測試，但基于虛擬場景的測試缺少實(shí)物聯(lián)動(dòng)，基于實(shí)車?yán)锍虦y試存在周期長、成本高的問題，因此，行業(yè)主流測試方法是采用半實(shí)物虛擬仿真來測試驗(yàn)證軟硬件功能。

本文基于虛擬場景并結(jié)合硬件在環(huán)測試技術(shù)，配合集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)，搭建了一套自動(dòng)駕駛主動(dòng)安全制動(dòng)系統(tǒng)控制算法測試平臺。并以主動(dòng)安全制動(dòng)核心功能即自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking， AEB）為被測功能，為主動(dòng)安全制動(dòng)系統(tǒng)提供合適的測試場景進(jìn)行仿真測試與半實(shí)物驗(yàn)證，代替部分實(shí)車測試，保證系統(tǒng)在足夠穩(wěn)定可靠的前提下盡可能地縮短研發(fā)周期，加快產(chǎn)品迭代速度。

1 "AEB工作原理和控制算法

1.1 "工作原理

AEB系統(tǒng)主要由感知、決策和執(zhí)行三個(gè)核心模塊組成。車輛的感知模塊運(yùn)用環(huán)境信息采集傳感器對行車周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，得到相關(guān)環(huán)境信息。決策模塊的核心是電子控制單元，其搭載了AEB控制策略，利用感知模塊采集到的周圍環(huán)境信息進(jìn)行決策，輸出制動(dòng)信號控制車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，使車輛減速甚至停車，避免事故的發(fā)生。執(zhí)行模塊由線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)、輪缸和卡鉗組成。當(dāng)接收到電子控制單元的制動(dòng)指令后，生成制動(dòng)液壓并傳輸至車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)，由其分配各個(gè)車輪的制動(dòng)力，控制車輛進(jìn)行減速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)緊急制動(dòng)功能。

在實(shí)際道路交通場景行駛時(shí)，由于場景環(huán)境復(fù)雜，車輛的控制權(quán)優(yōu)先交由駕駛員，當(dāng)駕駛員沒有做出避免碰撞措施時(shí)，由AEB系統(tǒng)控制車輛減速。AEB系統(tǒng)搭載前方碰撞預(yù)警和兩級制動(dòng)，在緊急情況即將發(fā)生時(shí)提醒駕駛員，若預(yù)警后駕駛員依舊沒有采取措施，則采取制動(dòng)力較小的一級制動(dòng)，降低車速，提高容錯(cuò)率。車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，能夠顯著地提醒駕駛員車輛處于緊急狀態(tài)，若駕駛員依舊未采取任何措施，AEB將采取二級制動(dòng)，控制車輛全力制動(dòng)，確保車輛和人員的安全[10]。AEB系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

1.2 "基于碰撞時(shí)間的安全模型

目前AEB系統(tǒng)決策控制算法有馬自達(dá)（Mazda）模型、本田（Honda）模型、伯克利（Berkeley）模型和TTC模型。本文的被測AEB使用基于碰撞時(shí)間（Time To Collision， TTC）的安全模型，相對于其他三種模型有較好的實(shí)時(shí)性和適用性。碰撞時(shí)間（TTC）指在同一車道上以相同方向行駛的兩車輛保持當(dāng)前速度下，從當(dāng)前時(shí)刻到發(fā)生碰撞所經(jīng)過的時(shí)間。在基于碰撞時(shí)間的安全模型中，判斷AEB何時(shí)觸發(fā)，觸發(fā)的預(yù)警制動(dòng)級別的依據(jù)是TTC。將決策模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出的當(dāng)前時(shí)刻的TTC值與設(shè)定好的安全閾值進(jìn)行比較，若TTC小于安全閾值，將觸發(fā)預(yù)警和AEB，車輛自動(dòng)進(jìn)行緊急制動(dòng)。TTC和安全車距[11]的計(jì)算公式為：

[TTC=Dvrel]

[dr=vrel?TTC+d0]

式中：D為被測車輛與目標(biāo)車輛的相對距離（單位為m）；TTC為碰撞時(shí)間（單位為s）；[dr]為安全車距（單位為m）；[d0]為最小停車距離（單位為m）；[vrel]為被測車輛與目標(biāo)車輛的相對速度（單位為km/h）。

兩車的相對速度和相對加速度計(jì)算公式為：

[vrel=v0-v1]

[arel=a0-a1]

式中：[v0]為被測車輛車速（單位為km/h）；[v1]為前方目標(biāo)車輛車速（單位為km/h）；[a0]為被測車輛加速度（單位為m/s2）；[a1]為目標(biāo)車輛加速度（單位為m/s2）；[arel]為被測車輛與目標(biāo)車的相對加速度（單位為m/s2）。

被測車輛與目標(biāo)車輛的相對距離計(jì)算公式為：

[D=vrelt， " " " " " " " " " " "arel=012arelt2+vrelt， " arel≠0]

由于TTC值與自車和前車相對速度成反比，當(dāng)兩車相對速度無限縮小，即兩車速度無限接近時(shí)，得到的TTC值將會趨向于無窮大。此時(shí)基于碰撞時(shí)間的安全模型將由于無法得到正確的TTC值而失效，決策模塊無法判斷是否觸發(fā)預(yù)警和制動(dòng)控制。所以，設(shè)定被測車輛與目標(biāo)車輛相對速度最小值為0.01 km/h。TTC計(jì)算流程如圖2所示。

當(dāng)兩車相對速度接近于0或?yàn)樨?fù)值時(shí)，即兩車速度相同或前車速度大于后車時(shí)，決策模塊不進(jìn)行TTC計(jì)算，輸出一個(gè)固定值TTC=50，由于該值遠(yuǎn)大于安全閾值，故不會觸發(fā)緊急制動(dòng)。當(dāng)車速大于15 km/h時(shí)，對該時(shí)刻的TTC和安全車距進(jìn)行計(jì)算并輸出結(jié)果，完成整個(gè)計(jì)算流程。

1.3 "系統(tǒng)控制策略

在建立基于碰撞時(shí)間的安全模型和TTC安全閾值模型后，可以判斷是否觸發(fā)AEB系統(tǒng)[12]。對TTC安全閾值模型的三級TTC閾值進(jìn)行劃分，一級TTC閾值為預(yù)警閾值，二級TTC閾值為部分制動(dòng)閾值，三級TTC閾值為全力制動(dòng)閾值。當(dāng)前時(shí)刻的TTC值小于等于一級TTC閾值TTC1時(shí)，系統(tǒng)給駕駛員預(yù)警，車輛即將進(jìn)入危險(xiǎn)情況；當(dāng)TTC值小于等于二級TTC閾值TTC2時(shí)，決策模塊將輸出制動(dòng)信號和制動(dòng)液壓信號，執(zhí)行模塊接收該信號并控制車輛產(chǎn)生部分制動(dòng)力；當(dāng)TTC值小于等于三級TTC閾值TTC3時(shí)，車輛進(jìn)入全力制動(dòng)狀態(tài)直至車輛完全停止。AEB系統(tǒng)控制策略如圖3所示。

為避免TTC處于制動(dòng)閾值臨界點(diǎn)時(shí)制動(dòng)力波動(dòng)導(dǎo)致的車輛抖動(dòng)問題，當(dāng)觸發(fā)部分制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)壓力維持至少0.6 s，避免制動(dòng)信號反復(fù)觸發(fā)；觸發(fā)全力制動(dòng)時(shí)，維持制動(dòng)壓力直到車輛制動(dòng)至停車。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 1242—2019《營運(yùn)車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》的要求，被測車輛最遲應(yīng)在一級緊急制動(dòng)階段開始前1 s對駕駛員進(jìn)行預(yù)警，TTC大于4.4 s時(shí)AEB系統(tǒng)不應(yīng)發(fā)出預(yù)警，制動(dòng)階段不應(yīng)在TTC大于或等于3 s前開始。對不同TTC閾值的AEB控制算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)，使被測車輛在不同測試場景下完成緊急制動(dòng)，停車后與前車保持一定安全距離，不發(fā)生碰撞，并且保障道路交通效率和車輛行駛安全的前提下，對TTC閾值取算術(shù)平均值，確定一級TTC閾值為2.5 s，二級TTC閾值為1.5 s，三級TTC閾值為0.6 s。

2 "AEB仿真環(huán)境構(gòu)建

根據(jù)AEB的工作原理，利用車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件CarSim和Simulink聯(lián)合仿真，建立被測車輛的動(dòng)力學(xué)模型和AEB控制算法。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39901—2021《乘用車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEBS）性能要求及試驗(yàn)方法》中的測試場景和測試要求，搭建虛擬測試場景和AEB系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進(jìn)行仿真。

2.1 "仿真模型

在AEB仿真試驗(yàn)中，被測車輛動(dòng)力學(xué)模型采用CarSim車輛庫中的C?Class Hatchback車型，搭載前方碰撞預(yù)警傳感器，該模型高度準(zhǔn)確且穩(wěn)定[13]。被測車輛模型參數(shù)如表1所示。

根據(jù)AEB系統(tǒng)的工作原理，在Simulink中搭建AEB系統(tǒng)仿真模型，模型搭載基于碰撞時(shí)間（TTC）的控制算法，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的TTC值并與預(yù)設(shè)安全閾值比較。當(dāng)TTC值小于或等于安全閾值時(shí)即為緊急狀態(tài)，控制模塊生成制動(dòng)信號和制動(dòng)液壓，反饋給被測車輛，使之減速，避免發(fā)生碰撞。AEB系統(tǒng)Simulink仿真模型由CarSim聯(lián)合仿真接口、TTC計(jì)算、三級控制策略算法模塊組成，如圖4所示。

2.2 "仿真接口配置

軟件聯(lián)合仿真需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交互，在CarSim中配置仿真數(shù)據(jù)接口，用于與Simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和交換。Simulink接收車速、前車車距、前車相對速度信息，經(jīng)過決策控制模塊后生成制動(dòng)主缸液壓信號回傳給CarSim，實(shí)現(xiàn)對被測車輛的制動(dòng)控制。CarSim仿真接口參數(shù)配置如表2所示。

2.3 "虛擬場景測試

為了驗(yàn)證AEB系統(tǒng)模型的有效性，采用疊加融合虛擬場景和真實(shí)環(huán)境的方式構(gòu)建測試場景[14]。根據(jù)GB/T 39901—2021的測試要求，設(shè)計(jì)了靜止目標(biāo)條件下和移動(dòng)目標(biāo)條件下兩類測試場景，3種不同的工況，具體參數(shù)如表3所示。

3種測試工況都是在平整干燥路面上進(jìn)行，目標(biāo)車在前、被測車在后，在同一車道上行駛，且兩車中心線的偏差不超過0.5 m，測試場景如圖5所示。依照設(shè)計(jì)工況的具體參數(shù)在CarSim中構(gòu)建虛擬測試場景，場景元素具體參數(shù)如表4所示，最后生成仿真動(dòng)畫和圖表數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與動(dòng)畫實(shí)時(shí)對應(yīng)。

3 "測試平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 "總體方案設(shè)計(jì)

測試平臺基于智能駕駛汽車線控制動(dòng)底盤架構(gòu)進(jìn)行搭建，底盤硬件使用真實(shí)車輛部件，底盤制動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

平臺的主要組成部分有上位機(jī)、實(shí)時(shí)機(jī)、集成式線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛模擬器、數(shù)據(jù)采集與通信模塊、輪速模擬模塊等，測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

3.2 "核心硬件模塊設(shè)計(jì)與搭建

上位機(jī)主要用于設(shè)置仿真測試工況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲與回放，以及運(yùn)行AEB控制算法；其次，通過以太網(wǎng)通信接收實(shí)時(shí)機(jī)傳輸?shù)母兄獋鞲衅餍盘柌⑦M(jìn)行決策判斷，生成制動(dòng)信號反饋至實(shí)時(shí)機(jī)。實(shí)時(shí)機(jī)用于運(yùn)行CarSim軟件，構(gòu)建被測車輛動(dòng)力學(xué)模型和虛擬測試場景，接收線控底盤系統(tǒng)回傳至實(shí)時(shí)機(jī)的制動(dòng)、液壓等信息。駕駛模擬器由羅技G29方向盤、制動(dòng)踏板和座椅組成。場景顯示由三聯(lián)屏顯示器組成。信號采集卡與CAN通信板卡用于實(shí)現(xiàn)測試平臺各部件的數(shù)據(jù)傳輸、交互與數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集模塊采用NI采集卡對液壓管路中的液壓信號進(jìn)行采集。輪速模擬模塊利用輪速信號仿真板卡接收下位機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中車輛動(dòng)力學(xué)模型的車輪輪速信息，將輪速信息進(jìn)行運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速脈沖信號并回傳至實(shí)時(shí)機(jī)，實(shí)時(shí)機(jī)利用CAN通信板卡傳輸至線控底盤模擬系統(tǒng)ECU。線控底盤制動(dòng)系統(tǒng)通過CAN通信接收實(shí)時(shí)機(jī)傳輸?shù)闹苿?dòng)液壓信號，通過液壓管路向底層執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出制動(dòng)液壓，管路內(nèi)安裝有液壓傳感器實(shí)時(shí)檢測制動(dòng)液壓。

按照總體設(shè)計(jì)方案，安裝固定各部分硬件設(shè)備，搭建仿真測試平臺，平臺實(shí)物圖如圖8所示。

3.3 "測試流程

參考AEB系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)需求，本文將測試流程分為配置階段、測試階段和結(jié)束階段。

1） 配置階段：在開始測試前需在上位機(jī)配置測試工況，設(shè)置車輛的速度、相對距離等信息，導(dǎo)入AEB系統(tǒng)控制算法模型并連接仿真信號傳輸接口。

2） 測試階段：由測試人員坐在駕駛模擬器，測試過程中雙手握住方向盤，防止被測車輛偏離道路中心線，確保測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。測試過程中不觸碰制動(dòng)踏板，讓AEB系統(tǒng)控制車輛制動(dòng)。

3） 結(jié)束階段：當(dāng)被測車輛停止或發(fā)生碰撞后，測試結(jié)束，將線控制動(dòng)系統(tǒng)回位至初始狀態(tài)，生成測試結(jié)果。

4 "仿真測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

在虛擬測試場景對車輛AEB的控制算法進(jìn)行仿真測試，對被測算法進(jìn)行目標(biāo)靜止、目標(biāo)移動(dòng)和目標(biāo)制動(dòng)三種測試工況的仿真測試。

在目標(biāo)車輛靜止測試工況中，被測車輛初始速度為50 km/h，目標(biāo)車靜止停在前方60 m處，車輛制動(dòng)過程仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。當(dāng)被測車輛檢測到目標(biāo)車輛時(shí)，系統(tǒng)判斷該時(shí)刻沒有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，車輛繼續(xù)行駛。當(dāng)車距不斷減小，在0.5 s時(shí)被測車輛與目標(biāo)車輛相對距離和相對速度的比值即車輛TTC值達(dá)到一級TTC閾值，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號，信號值從0變?yōu)?；隨后在2.28 s時(shí)車輛TTC值達(dá)到二級TTC閾值，系統(tǒng)輸出部分制動(dòng)信號，產(chǎn)生2 MPa制動(dòng)液壓，車輛開始減速；在4.05 s時(shí)車輛TTC值達(dá)到三級TTC閾值，觸發(fā)全力制動(dòng)，產(chǎn)生8 MPa制動(dòng)液壓，直至車輛完全停止，最終兩車距離為3.23 m，并未發(fā)生碰撞。

在目標(biāo)車輛移動(dòng)工況中被測車輛初始速度為50 km/h，目標(biāo)車輛車速為20 km/h，兩車相距120 m。被測車輛在測試過程中觸發(fā)預(yù)警提醒和部分制動(dòng)，車輛開始減速直至完全停止，目標(biāo)車輛依然保持20 km/h的速度行駛，兩車最小距離為5.55 m，測試全程并未發(fā)生碰撞。

在目標(biāo)車輛制動(dòng)工況中被測車輛初始速度為50 km/h，目標(biāo)車輛車速為50 km/h，并以-4 m/s2的減速度制動(dòng)，兩車相距40 m。被測車輛在測試過程中觸發(fā)預(yù)警提醒和部分制動(dòng)，車輛開始減速直至完全停止，測試過程中兩車最小距離為2.00 m，最終停車后車距為2.66 m，全程并未發(fā)生碰撞。

5 "結(jié) "論

本文結(jié)合CarSim軟件建立車輛動(dòng)力學(xué)模型和虛擬仿真場景，研發(fā)了自動(dòng)緊急制動(dòng)仿真測試平臺，實(shí)現(xiàn)了測試場景、車輛模型的建模和半實(shí)物仿真。根據(jù)GB/T 39901—2021測試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了目標(biāo)靜止、目標(biāo)移動(dòng)和目標(biāo)制動(dòng)三種測試工況。基于測試平臺對本文設(shè)計(jì)的AEB系統(tǒng)控制算法進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，AEB控制算法能避免車輛發(fā)生碰撞，具有良好的制動(dòng)穩(wěn)定性和舒適性，滿足測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。平臺線控制動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)響應(yīng)AEB系統(tǒng)輸出的制動(dòng)信號，并生成制動(dòng)液壓，完成制動(dòng)動(dòng)作，驗(yàn)證了測試平臺的可行性與可靠性。

注：本文通訊作者為郭斌。

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