何班本 文翊 劉帥

（東風汽車公司技術中心，武漢430056）

主題詞：自動駕駛 高級駕駛輔助（ADAS） 硬件構架 網(wǎng)聯(lián)構架

縮略語

ADAS Advanced Driving Assistance System ESC Electronic Speed Controller EPS Electric Power Steering EMS Engine Management System VCU Vehicle control unit ACC Adaptive Cruise Control LDW Lane Departure Warning System LKA Lane Keep Assistant System LCA Lane Center Assistant System ICA Intelligent Cruise Assist

0 引言

汽車市場的競爭早已進入白熱化狀態(tài)，目前，汽車的客觀性指標（汽車性能、配置、可靠耐久性、動力經濟性）已經成為業(yè)界的基礎標準。汽車消費者不僅僅把目光聚焦在品牌、外觀、內飾等因素上，也開始關注車輛的智能輔助駕駛等科技技術。

1 高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS, Advanced Driving Assistance System）利用傳感器（包括雷達、攝像頭以及衛(wèi)星導航等），在汽車行駛過程中，實時感應周圍環(huán)境、收集數(shù)據(jù)、感知融合。通過ADAS控制器，對感知數(shù)據(jù)進行決策分析，最后控制執(zhí)行機構（ESC、EPS、EMS 或VCU）對車輛進行控制，實現(xiàn)高級輔助駕駛功能。

1.1 自動駕駛分級及高級輔助駕駛

如表1所示，參考SAE自動駕駛等級劃分，將自動駕駛劃分為6個等級，Level 0僅針對輔助駕駛中的報警階段；Level 1是輔助駕駛；Level 2是部分自動駕駛；Level 3 是有限自動駕駛；Level 4 和Level 5 則是高度和完全自動駕駛[1]。高級輔助駕駛（ADAS）主要是針對自動駕駛的Level 0、Level 1、Level 2，從Level 2跨越到Level 3是高級駕駛輔助實現(xiàn)質的飛躍，技術最難突破。目前國內智能汽車技術的發(fā)展還處于輔助駕駛階段，距離最高層次的無人駕駛尚需時日。

表1 自動駕駛系統(tǒng)分級[1]

1.2 高級駕駛輔助系統(tǒng)（Level 2）

目前國內已實現(xiàn)自動駕駛Level 2 級別高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），現(xiàn)介紹Level 2級別的ADAS系統(tǒng)。

Level 2 級別的ADAS 系統(tǒng)利用環(huán)境感知傳感器（前毫米波雷達、前攝像頭），在汽車行駛過程中，感知周圍的道路環(huán)境?？刂茊卧獙Νh(huán)境原始數(shù)據(jù)進行融合處理，并替代駕駛員分析決策車輛下一步運動狀態(tài)，通過給EPS、ESC、EMS/VCU發(fā)送相應指令，對車輛橫向和縱向進行閉環(huán)控制[2]。

(1)Level 2 級別的ADAS 系統(tǒng)實現(xiàn)橫向和縱向控制的主要功能

ACC-自適應巡航：能實現(xiàn)全速范圍(0～150 km/h)內控制本車跟隨前車起步或者停下；

AEB-自動緊急制動：AEB-C 能針對前車緊急制動工況，輔助本車駕駛員制動，以避免或者減緩碰撞，AEB-P能針對本車前方橫穿行人工況，輔助本車駕駛員制動，以避免或者減緩碰撞；

FCW-前碰撞預警：在與前車存在追尾碰撞危險時，通過報警提醒駕駛員及時制動；

LDW-車道偏離預警：高速工況下駕駛員無意識偏離車道時對駕駛員進行提醒；

LKA-車道保持輔助：高速狀態(tài)下，若車輛偏離車道且未開啟轉向燈，系統(tǒng)自動提供方向盤糾正力矩對車輛進行糾偏；

LCA-車道居中輔助：高速狀態(tài)下，采用自動轉向控制，形成橫向控制的持續(xù)干預，確保車輛一直在車道中間。

(2)Level 2級別的ADAS系統(tǒng)硬件架構

車輛增加前毫米波雷達和前攝像頭便能實現(xiàn)Level 2 級系統(tǒng)功能，相應的系統(tǒng)硬件架構包括：前毫米波雷達、前攝像頭、ESC、EPS 和EMS/VCU（ADAS 執(zhí)行機構），以及快撥鍵和組合儀表（ADAS 人機交互），如圖1所示。

圖1 Level 2級別的ADAS系統(tǒng)硬件架構

(3)Level 2級別的ADAS系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

實現(xiàn)Level 2級系統(tǒng)功能，駕駛員通過方向盤快撥鍵或MP5開啟ADAS 相關功能，通過網(wǎng)關將開啟功能信號發(fā)送至整車CAN總線，雷達和攝像頭對環(huán)境進行感知，控制器將決策控制信號發(fā)送給執(zhí)行機構（ESC、EPS、EMS/VCU），同時將ADAS 狀態(tài)信息通過網(wǎng)關發(fā)送給儀表，如圖2所示。

2 基于某款電動汽車的ADAS（Level 2）系統(tǒng)開發(fā)

高級駕駛輔助系統(tǒng)Level 2開發(fā)，分為系統(tǒng)軟件開發(fā)和系統(tǒng)整車集成開發(fā)。本文介紹ADAS系統(tǒng)整車集成開發(fā)，主要分為需求定義階段、方案詳細設計階段、方案驗證及完善階段、產品投放階段。本文以某款純電動汽車項目的Level 2級別的ADAS系統(tǒng)開發(fā)為例，進行開發(fā)說明。

2.1 需求定義階段

根據(jù)配置定義和整車參數(shù)性能要求，對ADAS 系統(tǒng)完成競品分析、功能可行性及需求分析、系統(tǒng)功能定義及方案構想設計，如表2所示，同時完成零部件布置及接口設計、供應商定點、關聯(lián)系統(tǒng)初步需求發(fā)布、確定功能安全目標。

圖2 Level 2級別的ADAS系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

表2 ADAS 功能包及配置

2.2 方案詳細設計階段

簽訂系統(tǒng)開發(fā)合同和技術協(xié)議，開展產品詳細設計：包括確定系統(tǒng)技術規(guī)范、完善功能性能定義、系統(tǒng)用電信息表、布置接口定義、功能安全定義、以及對VCU/ESC/EPS/IC/MP5/BCM/線束/等相關系統(tǒng)需求文檔編制和固化，最后制定智能駕駛系統(tǒng)診斷協(xié)議和下線檢測方案，形成診斷規(guī)范，完成產品認可。下面以布置接口定義和對相關系統(tǒng)需求進行詳細說明。

2.2.1 布置接口定義

根據(jù)雷達性能參數(shù)要求、車身造型，設定前雷達合理的布置位置。雷達離地高度（雷達天線軸到地面的垂直距離）推薦50 cm 左右，但當離地高度接近30 cm 可能會有過多的地面反射信號干擾。雷達與保護蓋之間的距離大于8 mm（2 倍波長，避免復雜近場對雷達波束的影響）且小于50 mm（避免過大的雷達波相交面）。雷達橫向位置坐標在-30 cm～30 cm。

圖3 ADAS前雷達和前攝像頭布置示意

如圖3 所示，前攝像頭最好的垂直安裝位置是擋風玻璃的中心，但允許偏移擋風玻璃中心線10 cm 以內。支架應該安裝在干凈的玻璃區(qū)域內，保證攝像頭視角區(qū)域不能被絹印或者被其它物體遮擋。鏡頭模塊與擋風玻璃之間應該保證至少1 mm的間隙。開口應該由投影在擋風玻璃各層的視角決定，支架安裝在擋風玻璃的位置公差通常是±1 mm（定位）和±2.5°（旋轉），如圖3。

2.2.2 相關系統(tǒng)需求

Level 2級別的ADAS系統(tǒng)的典型代表功能是ICA（Intelligent Cruise Assist）單車道智能巡航控制，融合了對車身的縱向（全速自適應巡航控制）和橫向（車道居中輔助）的控制，從而在減輕駕駛疲勞的同時保證在擁堵狀況下的行車安全。該系統(tǒng)可以根據(jù)路況選擇跟隨前車或將車身保持在車道中央。

(1)相關舒適性要求

系統(tǒng)控制車輛沿中心線行駛，行駛范圍距離中心范圍誤差不超過20 cm，側向加速度控制在±3 m/s2內；平路巡航速度控制精度±1 km/h, 坡路巡航速度控制精度±3 km/h；在車速高于20 m/s 后，最大減速度不得超過3.5 m/s2；當車速低于5 m/s后，最大減速度不得超過5 m/s2。

(2)相關執(zhí)行機構（VCU/ESC/EPS）性能要求

對關聯(lián)控制器要求—VCU：車輪端真實扭矩（整車控制器在CAN上發(fā)送的值）和實際（物理）車輪端扭矩的延遲不能超過200 ms，最大偏差±40 N·m；初始請求的扭矩和實際（物理）輪端扭矩延遲不能超過700 ms；請求的扭矩和實際（物理）輪端扭矩延遲不能超過300 ms，如圖4所示。

圖4 ADAS 對VCU扭矩要求

關聯(lián)控制器要求—ESC：AEB 制動過程中需要啟動車身穩(wěn)定控制，制動系統(tǒng)優(yōu)先保證車身穩(wěn)定；制動系統(tǒng)應正確響應ADAS 發(fā)出的prefill 請求；制動系統(tǒng)在響應ADAS 減速請求時應點亮制動燈；ADAS 請求發(fā)出到開始剎車的延遲時間應小于60 ms；為了保證剎車性能，在達到穩(wěn)定的減速值前，超調值不應大于實際請求值的30%；主車執(zhí)行自動剎車剎停后，剎車系統(tǒng)應該保持有足夠的制動力以在1.5 s 內使車輛保持停止，如圖5所示。

圖5 ADAS對ESC要求

對關聯(lián)控制器要求—EPS：在ADAS 功能發(fā)出目標轉角/扭矩后，EPS對此信號能較好的響應。響應延遲小（跟蹤誤差＜100 ms），不允許存在與目標信號相反的偏差（無下沖），最大穩(wěn)定時間＜150 ms，盡可能避免超調（超調量＜5%或1°，以較高者為準），穩(wěn)態(tài)誤差控制在一定的范圍內（＜3%或0.5°或0.1+0.1×目標轉角值，較大者為準）,如圖6。

圖6 ADAS對EPS要求

2.2.3 相關系統(tǒng)聯(lián)合調試

在對各相關系統(tǒng)確定需求后，根據(jù)項目開發(fā)周期和不同階段樣車狀態(tài)，需開展約3次大范圍的聯(lián)合調試以逐步確定信號的穩(wěn)定連接、功能的實現(xiàn)、性能的達成，見表3。

2.3 方案驗證及完善階段

2.3.1 方案驗證

硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，以實時處理器運行仿真模型來模擬受控對象的運行狀態(tài)，通過I/O 接口與被測ECU 連接，搭載整車后，在整車層面上進行全方位的功能、性能試驗，同時驗證ADAS 系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。

表3 ADAS/ESC/EPS/VCU聯(lián)合調試

試驗策劃包括試驗時間設置、試驗公里數(shù)設置、試驗場景設定、試驗設備選擇。試驗周期的設定依據(jù)試驗公里數(shù)和試驗車輛臺數(shù)確定，一臺車按每天約500 km 計算。試驗公里數(shù)按照經驗值設定：ADAS系統(tǒng)第一次搭載整車項目，試驗公里數(shù)建議不少于600000 km；ADAS 系統(tǒng)進行動力總成變化等適配項目，試驗公里數(shù)建議不少于50000 km。

依據(jù)ADAS系統(tǒng)的功能/性能設定試驗場景，逐項對功能/性能達成情況進行點檢。自動駕駛Level 2 級別的ADAS系統(tǒng)的典型特征是能同時對車輛縱向及橫向進行控制，下面以縱向控制（ACC）進行簡要說明。用目標車以恒定速度切入到測試車輛后方為例，進行測試案例介紹。

對于HOST車輛（測試車輛），駕駛員啟動ACC，設定巡航速度為100 km/h，設定車間時距3 s，切入距離20 m；對于LV 車輛（目標車輛），設定速度80 km/h，當HOST車輛切入約1 s后目標車輛減速；

要求自適應巡航系統(tǒng)減速平穩(wěn)，無制動系統(tǒng)過度制動現(xiàn)象；要求自適應巡航系統(tǒng)減速過程中，無明顯的噪音及振動產生；要求車輛達到穩(wěn)態(tài)定速巡航后，實際車速與巡航設定車速間的誤差小于3 km/h.；要求車輛減速度低于減速度上限；要求車輛減速度變化低于減速度變化上限；要求系統(tǒng)能夠在自車開始侵入前車車道前識別前車為非自車車道車輛，在自車侵入前車車道半個車身后識別前車為自車車道車輛，如表4。

表4 ACC測試場景

2.3.2 方案完善

方案完善階段，對ADAS 專項試驗過程中發(fā)現(xiàn)的質量問題，進行原因分析、對策制定、方案修改裝車、改善效果確認。下面以在Level 2 級別的ADAS 系統(tǒng)開發(fā)過程中的一起質量問題進行說明。

問題描述：ACC 激活，設定車速74 km/h，超越模式下，實際車速80 km/h，自車前方有目標車，車距較遠，駕駛員松開油門踏板后，自車開始減速到26 km/h，直到目標車消失，自車才開始加速。

原因分析：ACC 應用PID 控制策略將加速請求轉化成扭矩請求。電動車可以提供比燃油車大很多的負扭矩以支持ACC 減速，在駕駛員接管控制時，ACC計算減速度請求，并一直進行負扭矩請求，這個過程中積分項一直累加負扭矩，直到最大負扭矩，當松開油門后ACC請求正扭矩，實際請求扭矩會從該負扭矩開始請求，導致減速感受差。

對策制定：更新ACC 控制模塊,在軟件中增加I Gain的重置。當駕駛員松開油門踏板后，系統(tǒng)由ACC Override 模式切換到ACC 系統(tǒng)控制模式，將ACC 在Override模式下的I Gain累積的負偏差量請求重置，可立即從極低的負扭矩請求重置回到正扭矩請求。

改善效果確認：將更新優(yōu)化后的軟件刷寫到試驗車輛，進行驗證。試驗車測試效果良好，如圖7所示。

3 結語

ADAS 系統(tǒng)由駕駛員來決定駕駛權的分配，環(huán)境感知傳感器（前雷達和前攝像頭）對車道線和車輛的識別率達到92%～95%，但還是存在漏報危險，因此駕駛員必須承擔完整的環(huán)境感知和車輛操縱任務。使用單車道智能巡航控制功能時，駕駛員仍需要持續(xù)監(jiān)控整個系統(tǒng)，且雙手不能脫離方向盤。在需要駕駛員接管的情況下（如轉向、超車、并道、系統(tǒng)故障、意外操作等），駕駛員需要承擔駕駛工作。

圖7 ACC測試數(shù)據(jù)分析