曾 杰，游國(guó)平，胡 雄，廖 偉，丁雪聰

(1.招商局檢測(cè)車輛技術(shù)研究院有限公司 國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(重慶)，重慶 401329；2.汽車主動(dòng)安全測(cè)試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401329)

自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(AEBS)是車輛主動(dòng)安全的重要技術(shù)之一，AEBS在駕駛員無法正確辨識(shí)前方道路上的危險(xiǎn)碰撞工況時(shí)，通過自動(dòng)緊急制動(dòng)操作降低車速，以減緩碰撞速度或避免碰撞[1-3]。AEBS主要由感知、決策、控制、執(zhí)行四部分組成[4]，感知模塊主要由毫米波雷達(dá)和攝像頭組成，決策模型通常以碰撞時(shí)間TTC、與目標(biāo)物相對(duì)速度、相對(duì)距離、自車速度、減速度等參數(shù)構(gòu)成，并通過向EBS、ESP系統(tǒng)請(qǐng)求車輛制動(dòng)減速度以達(dá)到降低車速的目標(biāo)[5]。AEBS研發(fā)過程中，常使用場(chǎng)景軟件、動(dòng)力學(xué)模型軟件、控制模型軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真,文獻(xiàn)[6-7]使用Trucksim/Carsim與simulink對(duì)AEBS控制策略進(jìn)行仿真，文獻(xiàn)[8-9]使用Prescan+Carsim+simulink搭建AEBS的仿真測(cè)試平臺(tái)，研究AEBS的控制策略與人機(jī)交互系統(tǒng)。多軟件聯(lián)合仿真將提高仿真建模的復(fù)雜度，同時(shí)增加系統(tǒng)仿真成本[10]。本文聚焦某型客車的制動(dòng)性能，使用單一的SCANeR場(chǎng)景仿真軟件中自帶的客車車輛模型，并結(jié)合實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)所建客車車輛模型的制動(dòng)性能準(zhǔn)確度進(jìn)行確認(rèn)，隨后把所設(shè)計(jì)的AEBS模型編輯為可執(zhí)行程序文件，嵌入至SCANeR軟件的進(jìn)程中調(diào)用，實(shí)現(xiàn)測(cè)試工況場(chǎng)景、控制模型、車輛仿真模型在同一平臺(tái)下的快速仿真。最后將仿真后的AEBS模型應(yīng)用至某型客車，通過具體的測(cè)試工況驗(yàn)證AEBS仿真模型與實(shí)車場(chǎng)地測(cè)試的誤差，為AEBS開發(fā)和驗(yàn)證過程提供技術(shù)參考。

1 客車SCANeR模型與模型驗(yàn)證

在仿真環(huán)境中，車輛模型作為響應(yīng)AEBS制動(dòng)命令的執(zhí)行器，車輛制動(dòng)性能將直接影響AEBS的性能表現(xiàn)。本文使用SCANeR仿真軟件建立客車車輛模型與仿真場(chǎng)景，與傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)軟件比，SCANeR軟件集成了豐富的場(chǎng)景建模、傳感器建模、高保真渲染、多節(jié)點(diǎn)并行仿真的能力，具有豐富的動(dòng)力學(xué)模塊和易于使用的硬件在環(huán)仿真接口，自帶了卡車、客車、乘用車等車輛模型，并可以對(duì)車輛模型進(jìn)行常規(guī)的制動(dòng)、加速、操穩(wěn)等性能仿真。SCANeR可直接調(diào)用Carsim等軟件所建立的動(dòng)力學(xué)模型文件，并可將動(dòng)力學(xué)模型部署在實(shí)時(shí)系統(tǒng)上運(yùn)行，可直接支持硬件在環(huán)、整車在環(huán)仿真測(cè)試。

1.1 客車SCANeR模型建立

在對(duì)AEBS的決策與控制進(jìn)行仿真時(shí)，需使用整車模型以響應(yīng)AEBS的制動(dòng)命令。由于AEBS主要控制車輛的制動(dòng)，因此需要建立整車的SCANeR模型，并重點(diǎn)關(guān)注整車模型與實(shí)車的縱向制動(dòng)性能誤差，使AEBS的控制與決策算法的仿真結(jié)果可靠。

本文裝備AEBS的客車的車長(zhǎng)為12 m，其EBS可直接通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送制動(dòng)減速度請(qǐng)求。使用SCANeR車輛模型庫(kù)中與該客車外觀、底盤參數(shù)相近的車輛模型，如圖1所示。

圖1 客車實(shí)車與客車SCANeR模型

SCANeR自帶的整車模型屬于簡(jiǎn)化模型，無法更改車輛的制動(dòng)系統(tǒng)模塊，如制動(dòng)主缸尺寸和主缸壓力等參數(shù)，但可調(diào)整SCANeR車輛模型中的最大制動(dòng)踏板力BF(輸入)和設(shè)置制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間T0(輸出)，從而調(diào)節(jié)SCANeR車輛模型的最大制動(dòng)減速度amax、從制動(dòng)開始至車輛停止的制動(dòng)距離d和耗時(shí)T1。其中，T0根據(jù)1.2節(jié)中的實(shí)車制動(dòng)測(cè)試結(jié)果設(shè)置。當(dāng)不斷調(diào)整BF使SCANeR車輛模型與實(shí)車的制動(dòng)性能表現(xiàn)接近時(shí)，即認(rèn)為用于AEBS仿真的客車SCANeR模型滿足使用要求。本文設(shè)定可接受的整車SCANeR模型仿真與實(shí)車制動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果誤差為：amax誤差的絕對(duì)值≤0.2 m/s2；d誤差的絕對(duì)值≤5 m；T1誤差的絕對(duì)值≤0.5 s。

1.2 客車SCANeR模型驗(yàn)證

整車SCANeR模型的驗(yàn)證過程如下：

1)根據(jù)實(shí)車初始制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置整車SCANeR模型的初始最大制動(dòng)踏板力BF(輸入)和相應(yīng)的T0(輸出)。

2)使用試驗(yàn)中相同的制動(dòng)工況，在SCANeR軟件中仿真整車SCANeR模型的制動(dòng)性能參數(shù)amax、d和T1，若這三個(gè)參數(shù)均在上述設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，則驗(yàn)證過程結(jié)束。

3)若三個(gè)參數(shù)中有一個(gè)不在誤差范圍內(nèi)，則相應(yīng)地增大或減少3 N的最大制動(dòng)踏板力輸入BF，再重復(fù)步驟2)，直到三個(gè)參數(shù)都滿足上述設(shè)定誤差為止。

本文將客車實(shí)車加載至最大總質(zhì)量(18 000 kg)，試驗(yàn)路面為干燥、平整、峰值附著系數(shù)大于0.8的制動(dòng)專用路面[11]。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用制動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行制動(dòng)試驗(yàn)，制動(dòng)開始車速為80 km/h。在車輛靜止時(shí)，通過制動(dòng)機(jī)器人逐漸增加制動(dòng)踏板力，達(dá)到最大制動(dòng)踏板行程時(shí)的初始最大制動(dòng)踏板力BF為378 N。隨后以該BF作為實(shí)車制動(dòng)試驗(yàn)的踏板力輸入，由測(cè)試設(shè)備測(cè)得的客車制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間T0為0.56 s。

最終SCANeR車輛模型與實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)的對(duì)比如表1和圖2所示。

表1 制動(dòng)踏板力與制動(dòng)性能參數(shù)對(duì)比

圖2 制動(dòng)減速度響應(yīng)曲線對(duì)比

2 AEBS仿真模型

AEBS仿真模型主要由傳感、碰撞評(píng)估算法、制動(dòng)控制模塊組成，碰撞評(píng)估算法主要涉及碰撞時(shí)間、安全距離等參數(shù)[12]，同時(shí)根據(jù)車輛制動(dòng)性能與駕駛員反應(yīng)時(shí)間，合理設(shè)置AEBS功能觸發(fā)的碰撞時(shí)間閾值。AEBS的環(huán)境感知主要為毫米波雷達(dá)，本文在SCANeR軟件中建立毫米波雷達(dá)模型，并將車輛前方的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息直接傳遞給AEBS仿真模型。AEBS模型根據(jù)與前方目標(biāo)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，向1.1節(jié)中的SCANeR整車模型請(qǐng)求制動(dòng)減速度。由于主要針對(duì)研究AEBS的決策與控制算法，從而省略了油門、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)踏板輸入。

2.1 分級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

本文考慮實(shí)際道路上車輛的加速和制動(dòng)場(chǎng)景，采用強(qiáng)化碰撞距離時(shí)間ETTC[11]作為設(shè)計(jì)AEBS仿真模型的重要閾值參數(shù)，ETTC由式(1)定義：

(1)

式中:vsv、vtv分別為自車與前車的速度;asv、atv分別為自車與前車的加速度；Rt為自車與前車的相對(duì)距離。

本文以ETTC將AEBS功能劃分為三個(gè)階段，設(shè)計(jì)了分級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型:① 當(dāng)ETTC>Tw時(shí)，車輛處于安全距離階段，不發(fā)出任何預(yù)警或制動(dòng)措施；② 當(dāng)ETTC ≤Tw時(shí)，車輛處于預(yù)警階段以提醒駕駛員，并使用輕微制動(dòng)；③ 當(dāng)ETTC ≤Tb時(shí)，預(yù)警階段結(jié)束，車輛進(jìn)入緊急制動(dòng)階段，且向車輛制動(dòng)系統(tǒng)請(qǐng)求相應(yīng)的制動(dòng)減速度以在短時(shí)間內(nèi)降低車速。上述中，Tw為預(yù)警階段開始的ETTC閾值，Tb為緊急制動(dòng)階段開始的ETTC閾值，Tw與Tb的取值與自車車速關(guān)聯(lián)，自車車速越高對(duì)應(yīng)的Tw與Tb越大(即應(yīng)提前)。本文的Tw與Tb取值由式(2)定義：

(2)

2.2 車輛制動(dòng)需求減速度算法

出于行車安全考慮，本文以避免碰撞為AEBS設(shè)計(jì)目標(biāo)，即制動(dòng)結(jié)束的狀態(tài)為|vsv-vtv|≤0。當(dāng)AEBS處于緊急制動(dòng)階段時(shí)，任意時(shí)刻下的車速與制動(dòng)減速度需滿足式(3)：

2(vsv-vtv)·ETTC-(asv-atv)·ETTC2+2Rt≥0

(3)

將式(3)變形可得到自車制動(dòng)減速度需求asv至少應(yīng)滿足式(4)的條件：

(4)

JT/T 1242—2019[12]對(duì)預(yù)警階段的降速量要求為：任何自車減速量不應(yīng)超過15 km/h或總減速量30%兩者間的最大值。因此預(yù)警階段不能持續(xù)請(qǐng)求較大的制動(dòng)減速度，需采用點(diǎn)剎或者請(qǐng)求較短的制動(dòng)持續(xù)時(shí)間。本文設(shè)計(jì)預(yù)警階段車輛減速量vw為 8 km/h，且預(yù)警階段的制動(dòng)減速度aw設(shè)計(jì)為3.0 m/s2。根據(jù)上述的分級(jí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和避免碰撞的原則，設(shè)計(jì)的AEBS仿真模型的邏輯如圖3所示。

圖3 AEBS決策模型與控制模型的邏輯圖

3 AEBS仿真模型與實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

本文主要采用CCRs、CCRm、CCRb三個(gè)典型追尾場(chǎng)景工況，具體描述為：① CCRs工況的vsv=80 km/h,vtv=0；② CCRm工況的vsv=80 km/h,vtv=12 km/h；③ CCRb工況的vsv=72 km/h,vtv=72 km/h。試驗(yàn)開始前自車與目標(biāo)車保持相對(duì)距離Rt=30 m，且至少持續(xù)保持7 s，隨后目標(biāo)車在0.3 s內(nèi)達(dá)到3.0 m/s2的制動(dòng)減速度，并以3.0 m/s2減速度持續(xù)減速至停車。

3.1 AEBS仿真模型的閉環(huán)仿真平臺(tái)

基于SCANeR軟件，搭建起如圖4所示的進(jìn)行AEBS快速仿真的閉環(huán)仿真平臺(tái)。在SCANeR軟件中建立起毫米波雷達(dá)模型，將2.2節(jié)提出的AEBS控制算法編輯為可執(zhí)行程序，嵌入至SCANeR進(jìn)程庫(kù)中進(jìn)行調(diào)用。AEBS決策與控制算法程序模塊直接通過共享內(nèi)存讀取車輛SCANeR模型運(yùn)動(dòng)信息和毫米波雷達(dá)模型信息，實(shí)時(shí)計(jì)算需求的SCANeR模型的減速度信號(hào)。

圖4 AEBS模型閉環(huán)仿真平臺(tái)示意圖

3.2 仿真與實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

將2.2節(jié)設(shè)計(jì)的AEBS算法寫入AEBS控制器，并將在CCRs、CCRm、CCRb三種工況中的Tw、Tb對(duì)應(yīng)式(2)中的第三式,分別設(shè)定為3.0 s和1.8 s，同時(shí)安裝RT300的陀螺儀作為自車車速與減速度感知傳感器。三種工況的Tw、Tb測(cè)試結(jié)果見表2，其余參數(shù)的仿真/測(cè)試結(jié)果見表3。由表2、表3可知：

表2 Tw與Tb的測(cè)試結(jié)果

表3 三種工況的仿真/測(cè)試結(jié)果對(duì)比

1)CCRs和CCRm工況的Tw與Tb的實(shí)車測(cè)試值與設(shè)計(jì)值的誤差≤0.2 s，可以認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求；CCRb工況的Tw與Tb的實(shí)車測(cè)試值與設(shè)計(jì)值的誤差較大，不符合設(shè)計(jì)要求。

2)仿真與測(cè)試的制動(dòng)距離的誤差df≤3.0 m，仿真與測(cè)試的制動(dòng)耗時(shí)的誤差T1f≤0.5 s，均在誤差范圍內(nèi)。

3)vw的仿真值與測(cè)試值均符合JT/T 1242—2019[12]對(duì)預(yù)警階段的降速量要求；aw的仿真值和測(cè)試值與設(shè)計(jì)值的誤差在0.2 m/s2之內(nèi)，滿足1.1節(jié)對(duì)減速度誤差的要求。

4)三種工況的vw、df、T1f均滿足設(shè)計(jì)要求，車輛最終能夠避免與前車發(fā)生碰撞，因此本文設(shè)計(jì)的AEBS模型符合最初的設(shè)計(jì)原則。

從三種工況的測(cè)試結(jié)果可知：

1)本文提出的AEBS控制算法，能較好地反映模型實(shí)車的制動(dòng)規(guī)律和趨勢(shì)。

2)CCRs工況下，實(shí)車測(cè)試結(jié)果并未出現(xiàn)與仿真結(jié)果相同的制動(dòng)力釋放特點(diǎn)，而是快速轉(zhuǎn)入緊急制動(dòng)階段以實(shí)現(xiàn)避免碰撞的預(yù)期控制邏輯。

3)三種工況下，由于被測(cè)實(shí)車安裝了EBS，實(shí)車在達(dá)到較大制動(dòng)減速度時(shí)，減速度曲線由于EBS的作用會(huì)有小幅振蕩。

4)SCANeR車輛模型因簡(jiǎn)化未考慮EBS的影響，制動(dòng)響應(yīng)較為直接，因而AEBS模型表現(xiàn)出的制動(dòng)減速度曲線較為平直，要提高建模精度，就應(yīng)考慮EBS的影響。其中CCRb工況的AEBS模型仿真與實(shí)車測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 CCRb工況測(cè)試結(jié)果-減速度對(duì)比圖

4 結(jié) 論

對(duì)比CCRs、CCRm、CCRb三種工況的仿真與實(shí)車驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)實(shí)車CCRb工況下的預(yù)警與制動(dòng)時(shí)機(jī)需進(jìn)一步優(yōu)化，以貼近設(shè)計(jì)參數(shù)值。

2)客車AEBS模型不夠精確，因此仿真與實(shí)車制動(dòng)曲線有一定差異。

3)本文提出的驗(yàn)證方法，可達(dá)到快速初步驗(yàn)證AEBS控制策略的目標(biāo)。

4)后續(xù)工作中，應(yīng)進(jìn)一步提高建模精度，從而提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。