劉宏偉，張 杰，朱恩利，黃雪梅，楊佳飛

（1.國機(jī)智駿（北京）汽車科技有限公司 研發(fā)中心，北京，通州 101100；2.萬向錢潮股份有限公司 技術(shù)中心，杭州 066004）

研究表明，約93%的交通事故都是由于駕駛員的錯誤操作導(dǎo)致[1]。為了進(jìn)一步提高道路交通安全性，幫助駕駛員減少錯誤操作，以先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）為代表的智能汽車安全技術(shù)逐漸得到重視和發(fā)展。ADAS 系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)、攝像頭等傳感器探測環(huán)境信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)駕駛員當(dāng)前的操作有導(dǎo)致事故的危險時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出信息提示或預(yù)警，提醒駕駛員糾正駕駛行為回避危險。在緊急工況下，由于留給駕駛員的反應(yīng)時間很少，一些系統(tǒng)通過主動介入對車輛進(jìn)行控制，幫助駕駛員回避或減輕事故造成的危害。德國聯(lián)邦交通研究所（BAST）的研究表明，70%的嚴(yán)重交通事故都可以通過ADAS 避免[2]。在緊急工況下，當(dāng)前最有代表性的ADAS 系統(tǒng)是自動緊急制動系統(tǒng)（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 系統(tǒng)在碰撞危險非常高時通過緊急制動來避免碰撞或減輕碰撞程度。2014 年，歐盟新車認(rèn)證程序（Euro-NCAP）中引入了對AEB 城市系統(tǒng)（AEB City）和AEB 公路系統(tǒng)（AEB Inter-Urban）的測試和評價[3]。中國汽車技術(shù)研究中心也將AEB納入了2018 版C-NCAP 車輛評價體系。根據(jù)Euro-NCAP 的測試，AEB 可以避免27%的交通事故，并且能夠大幅降低碰撞事故中人員受傷害的程度。當(dāng)前應(yīng)用的AEB 系統(tǒng)普遍以電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（Electric Stability Controller，ESC）做執(zhí)行器，但以ESC 作為緊急制動執(zhí)行器需要對ESC 硬件及性能進(jìn)行專門強(qiáng)化，并且ESC 響應(yīng)精度和時間均有局限性。線控制動系統(tǒng)具有傳統(tǒng)制動系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，比如：制動響應(yīng)快速、制動能量高、結(jié)構(gòu)簡單、便于擴(kuò)展和增加其它電控制功能等，這些優(yōu)勢將使線控制動技術(shù)取代傳統(tǒng)的以液壓為主的制動系統(tǒng)，成為未來制動系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[4-5]。線控制動系統(tǒng)比ESC 具備更高的制動響應(yīng)速度和精度，能顯著提高AEB 制動系統(tǒng)的性能。

1 AEB 系統(tǒng)方案

本項(xiàng)目確定了以下AEB 系統(tǒng)架構(gòu)：傳感器選用77 G 毫米波雷達(dá)，主要用于目標(biāo)檢測，具備探測距離遠(yuǎn)、距離精度高、中遠(yuǎn)程自動切換的優(yōu)勢，可追蹤多達(dá)64 個目標(biāo)；制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)為線控電子液壓制動系統(tǒng)（Electric Hydraulic Brake，EHB），并集成AEB 功能算法；量產(chǎn)方案中ESC 作為EHB 的壓力備份冗余以及車輛信息交互。系統(tǒng)架構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 AEB 系統(tǒng)架構(gòu)原理

2 線控制動系統(tǒng)設(shè)計

2.1 線控制動系統(tǒng)方案原理

當(dāng)前已具備成熟量產(chǎn)EHB 能力的企業(yè)多數(shù)為外資廠商。國內(nèi)汽車零部件企業(yè)和高校進(jìn)行了預(yù)研和產(chǎn)品開發(fā)工作，國內(nèi)如浙江亞太、萬向集團(tuán)、上海拿森、同濟(jì)同馭、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北航等都開展了EHB 產(chǎn)品的理論研究及產(chǎn)品試制開發(fā)工作。

設(shè)計開發(fā)了一種線控制動系統(tǒng)（屬于EHB 線控制動分類），該樣機(jī)開發(fā)英文簡稱為WBS（Wire Brake System），原理如圖2 所示。

圖2 線控制動系統(tǒng)原理

WBS 系統(tǒng)工作原理：常規(guī)制動工況下駕駛員采取制動時，踩下制動踏板，控制器通過讀取踏板角度信號確認(rèn)車輛制動需求，常開型制動主缸隔離電磁閥上電關(guān)閉，模擬器常閉電磁閥上電打開，制動主缸油液通過模擬器常閉電磁閥進(jìn)入模擬器主缸，并由制動主缸和模擬器主缸共同作用反饋合適的制動腳感。線控制動系統(tǒng)制動力源由電動柱塞泵提供，并由高壓蓄能器儲壓，以減少油泵工作次數(shù)并提高系統(tǒng)壓力響應(yīng)速度。控制器通過判斷踏板角度傳感器等信號，控制電磁閥開度及柱塞泵工作，按照控制邏輯控制線控制動系統(tǒng)輸出相應(yīng)制動力，此時制動踏板和制動力是完全解耦的。如果線控制動系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)入備用制動狀態(tài)，控制器控制制動主缸隔離電磁閥斷電打開，模擬器常閉電磁閥斷電關(guān)閉，模擬器停止工作，此時制動油液通過制動主缸和制動主缸隔離電磁閥直接進(jìn)入備用制動回路，提供車輛備用制動力。對于ADAS 系統(tǒng)（AEB、ACC 等）所需的減速度或制動力請求，可直接發(fā)送目標(biāo)給EHB 控制系統(tǒng)，由EHB 控制器進(jìn)行減速響應(yīng)[6-7]。

2.2 線控制動系統(tǒng)臺架及裝車驗(yàn)證

對所設(shè)計的WBS 線控制動系統(tǒng)進(jìn)行了臺架驗(yàn)證，臺架包括：輪缸、制動管路、線控制動模塊、踏板等，其中輪缸壓力、踏板轉(zhuǎn)角、踏板力可通過傳感器采集至示波器，線控制動模塊相關(guān)制動壓力目標(biāo)或反饋信號可通過CAN 線與上位機(jī)通訊。

圖3 線控制動臺架示意圖

實(shí)車裝車過程對原車制動踏板、制動主缸、真空助力器進(jìn)行了替換，通過CAN 通訊方式采集線控制動系統(tǒng)相關(guān)信息。

圖4 WBS 測試臺架

圖5 WBS 裝車圖

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該線控制動系統(tǒng)具備較高的壓力控制精度（穩(wěn)態(tài)≤200 kPa），快速的壓力響應(yīng)（0 ～8 000 kPa ≤180 ms），與ESC 相比較在響應(yīng)時間、響應(yīng)精度上均具備優(yōu)勢，可提高AEB系統(tǒng)能力。線控制動系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 線控制動系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果

3 環(huán)境感知及控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 毫米波雷達(dá)測試及數(shù)據(jù)處理

對毫米波目標(biāo)CAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取幀ID、檢測到的目標(biāo)個數(shù)、目標(biāo)的序號及其置信度、橫向位置、橫向速度、縱向位置、縱向速度等數(shù)據(jù)。對解析出來的檢測目標(biāo)進(jìn)行篩選，去除無效目標(biāo)、高度目標(biāo)、篩選出本車道的候選目標(biāo)。雷達(dá)在掃描期間偶爾會出現(xiàn)的非空信號目標(biāo)，這種信號出現(xiàn)時間極短，連續(xù)性差，偶爾出現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)在數(shù)值上跳動性較大，沒有實(shí)際意義，對目標(biāo)車輛和防撞預(yù)警也會產(chǎn)生影響，因此需要去除。前方具備通過性的障礙物目標(biāo)信息，比如高架橋、減速帶、限高桿、指示牌等，這些目標(biāo)出現(xiàn)在毫米波視場范圍內(nèi)時可能會造成車輛誤動作。圖7為毫米波雷達(dá)主要篩選算法。

圖7 毫米波雷達(dá)篩選算法

3.2 毫米波雷達(dá)實(shí)車輸出測試

毫米波雷達(dá)目標(biāo)篩選和處理后，完成毫米波雷達(dá)裝車并進(jìn)行各路況測試，同時編寫上位機(jī)程序用以顯示目標(biāo)檢測效果。

圖8 前向毫米波樣車

該雷達(dá)具備較好的目標(biāo)識別能力，通過實(shí)際路況測試，對具備高度信息的障礙物（如廣告牌、減速帶）能識別并過濾，對成人目標(biāo)可做到有效識別。

在完成毫米波雷達(dá)輸出信號準(zhǔn)確度確認(rèn)后，在毫米波雷達(dá)輸出CAN 信息中增加一路CAN ID信息，其中涵蓋危險目標(biāo)的碰撞時間（Time to Collision，TTC）計算等相關(guān)信息，可作為AEB 功能算法輸入。

圖9 高速路廣告牌過濾效果

圖10 行人檢測效果

4 AEB 系統(tǒng)功能實(shí)車驗(yàn)證

4.1 AEB 系統(tǒng)控制策略設(shè)計

AEB 主要功能邏輯如圖11 所示，主要包含：（1）TTC 及制動壓力算法；（2）激活及抑制條件。

首先判斷是否滿足AEB 激活條件，如：車速＞0，擋位處于D 擋，EPS 方向盤轉(zhuǎn)角是否回位等，如全部滿足則輸出TTC 給AEB 系統(tǒng)進(jìn)行制動壓力的計算，如不滿足則AEB 功能被抑制或退出。設(shè)定TTC 觸發(fā)值，如果實(shí)際TTC 值＜觸發(fā)值，則認(rèn)為AEB/FCW 功能被觸發(fā)，由線控制動系統(tǒng)執(zhí)行制動壓力計算值，完成緊急制動執(zhí)行動作。在緊急制動執(zhí)行過程中，如果滿足AEB 抑制條件，如：駕駛員主動轉(zhuǎn)向避險、加速踏板明顯被踩踏等，都認(rèn)為駕駛員主動干預(yù)，AEB 功能將被抑制。

圖11 AEB 功能邏輯流程

以ESC 為執(zhí)行器的AEB 系統(tǒng)因其壓力控制精度較低、響應(yīng)慢，TTC 觸發(fā)多采用最大制動減速度保證制動安全，但這會造成制動舒適性及駕駛員安全感降低。

所設(shè)計的以線控制動為執(zhí)行器的AEB 系統(tǒng)采用制動安全距離為控制目標(biāo)，可根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時調(diào)節(jié)制動減速度，可明顯改善制動效果及舒適性。

設(shè)TTC 觸發(fā)時，兩車相對速度為V0，兩車相對距離為S0，相對安全距離目標(biāo)為Ssafe，前車減速度為afro（目標(biāo)信息可由毫米波雷達(dá)提供），本車減速度為a，根據(jù)動力學(xué)公式：

本車減速度控制目標(biāo)：

進(jìn)一步考慮整車模型、道路、制動系統(tǒng)模型等，得到輪缸制動壓力P與本車制動減速度目標(biāo)a的解析關(guān)系：式中：dw為輪缸直徑；BF為制動效能因數(shù)；n為單輪輪缸數(shù)量；r為制動有效半徑。

根據(jù)所匹配的實(shí)際車型參數(shù)，換算關(guān)系為P=

Vector 公司的CANoe 具有強(qiáng)大的CAN 總線設(shè)計及仿真功能，借助CANoe_Simulink 軟件接口，可使Simulink 控制模型與整車CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時通訊，搭建快速控制原型，驗(yàn)證算法的實(shí)時性和可靠性，聯(lián)合模型如圖12 所示。

圖12 AEB 功能算法Simulink 模型

4.2 AEB 系統(tǒng)功能測試

在封閉場地對AEB 樣車進(jìn)行功能測試驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖13 所示。在10 ～40 km/h 本車車速范圍內(nèi)，對前靜止目標(biāo)進(jìn)行AEB 功能隨機(jī)測試，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行記錄和分析。

如圖14 所示，AEB 功能執(zhí)行過程中，為控制制動距離，由TTC 直接計算得到的制動力計算值可能會產(chǎn)生波動或減小，通過AEB 功能算法保證制動力不減，并根據(jù)危險程度降低做實(shí)時制動力值更新，AEB 制動結(jié)束時刻之后，適當(dāng)延時制動力輸出，維持制動效果。

圖13 AEB 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成

圖14 AEB 制動力執(zhí)行測試曲線

如圖15 所示，試驗(yàn)結(jié)果基本體現(xiàn)了AEB 預(yù)期功能策略。制動力目標(biāo)值與TTC 值有函數(shù)關(guān)系，TTC 檢測精度對制動力目標(biāo)有較大影響，這會影響實(shí)際制動精度及制動舒適性，從根源上應(yīng)優(yōu)化毫米波雷達(dá)的濾波算法，并且在AEB 策略輸入端也做好TTC 真值的校驗(yàn)。

圖15 TTC 及車速測試曲線

前文中式（3）計算了制動力和整車制動減速度的關(guān)系，但實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)：僅穩(wěn)態(tài)滿足式（3）的結(jié)果，實(shí)際上由于線控制動系統(tǒng)響應(yīng)時間、風(fēng)阻、載荷等因素的影響，呈現(xiàn)出圖16 所示的制動力與減速度對應(yīng)關(guān)系，這對AEB 制動效果的影響至關(guān)重要，需要據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。

圖16 不同車速制動力與減速度的關(guān)系

對本車車速10 ～40 km/h 范圍內(nèi)的AEB 功能觸發(fā)效果進(jìn)行了測試統(tǒng)計，系統(tǒng)能根據(jù)不同本車車速實(shí)時調(diào)整制動力值，實(shí)測制動距離誤差在±0.5 m內(nèi)，制動距離穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，如圖17 所示。

圖17 TTC 及車速測試曲線

5 結(jié)論

設(shè)計了一種線控制動系統(tǒng)，臺架及實(shí)車搭載試驗(yàn)驗(yàn)證了該線控制動系統(tǒng)制動響應(yīng)速度和精度的先進(jìn)性。所選用的毫米波雷達(dá)具備較好的目標(biāo)距離識別精度，可有效地輸出AEB 系統(tǒng)所需的危險目標(biāo)信息。設(shè)計了AEB 核心算法中的抑制/激活條件、TTC 觸發(fā)邏輯、制動力-減速度計算、載荷估計等模塊，通過快速控制原型進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，基本達(dá)到開發(fā)目標(biāo)，為后續(xù)量產(chǎn)開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。