張 新，謝旭敏

(長沙理工大學(xué) 車輛與機(jī)械工程學(xué)院， 長沙 410114)

我國每年重特大事故中交通事故數(shù)和因交通事故死亡人數(shù)分別占到69%和78.9%，全球因道路交通事故造成的人員傷亡逐年遞增。為了降低該風(fēng)險(xiǎn)造成的危害，汽車自動緊急制動系統(tǒng)(autonomous emergency brake，AEB)在汽車上的安裝率也越來越高[1-2]。

AEB行人系統(tǒng)通過汽車上的傳感器識別并跟蹤行人軌跡，若有碰撞危險(xiǎn)系統(tǒng)則發(fā)出預(yù)警信號并自動采取制動措施使汽車停止，從而保護(hù)道路環(huán)境中的行人[3-5]。

為了對AEB系統(tǒng)的性能進(jìn)行系統(tǒng)測試及評價(jià)，我國發(fā)布實(shí)施《中國新車評價(jià)規(guī)程(C-NCAP)管理規(guī)則》對AEB行人系統(tǒng)測試進(jìn)行了系統(tǒng)規(guī)范[6]。這對于完善AEB行人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、降低交通環(huán)境中行人的受傷幾率具有實(shí)際的價(jià)值。

為了驗(yàn)證和評估AEB行人檢測系統(tǒng)的性能，國外相關(guān)研究結(jié)構(gòu)開發(fā)了多種AEB行人測試裝置[7-8]。奧地利4active System公司開發(fā)的AEB行人檢測裝置通過伺服電機(jī)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)較為緊湊但靈活性較差，實(shí)驗(yàn)操作不便。英國ABD(Anthony Best Dynamics)公司開發(fā)的AEB行人檢測裝置采用盤式電機(jī)驅(qū)動，靈活性較好，但成本較高。

上述AEB行人檢測設(shè)備可以較好地評估歐美地區(qū)交通環(huán)境下的典型危險(xiǎn)場景，但與我國道路行人行為習(xí)慣存在較大差距，設(shè)備和維護(hù)成本較高，不符合我國AEB行人系統(tǒng)的開發(fā)和測試要求。

本文針對我國AEB行人檢測系統(tǒng)的測試需求，設(shè)計(jì)了AEB行人檢測系統(tǒng)，可以很好地契合C-NCAP的測試規(guī)定，系統(tǒng)測試場景可基于我國行人習(xí)慣靈活調(diào)整，并通過多次測試進(jìn)行有效性驗(yàn)證。測試結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)AEB行人檢測系統(tǒng)滿足相關(guān)測試要求，可以作為AEB功能測評和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的支撐工具。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 AEB行人系統(tǒng)測試

針對AEB行人測試系統(tǒng)，C-NCAP測試規(guī)程設(shè)定了4種典型測試場景[9]：遠(yuǎn)端碰撞CVFA-50、CVFA-25和近端碰撞CVNA-25、CVNA-75。

如圖1所示，假人目標(biāo)與測試車輛中心線之間的水平距離為D=6 m(遠(yuǎn)端)和D=4 m(近端)。測試汽車行駛速度vv為20、30、40、50、60 km，假人移動速度為5、6.5 km/h，其移動方向與測試汽車呈垂直狀態(tài)，在汽車頭部寬度的25%處(M點(diǎn))、50%處(C點(diǎn))和75%處(K點(diǎn))分別進(jìn)行碰撞測試。

圖1 測試場景示意圖

C-NCAP規(guī)范中的AEB行人測試場景是基于歐美地區(qū)交通事故數(shù)據(jù)建立的，與我國行人交通習(xí)慣存在較大差異，因此需建立適合我國行人交通行為的測試方案，為此設(shè)定如下2種測試場景[10-11]：

1) 近距離測試場景(CPN)：汽車速度為5～25 km/h，假人和測試汽車的距離為7 m。

2) 遠(yuǎn)距離測試場景(CPF)：測試汽車速度為10～60 km/h(10 km/h為間隔)，假人與測試汽車的距離為20 m。假人移動速度為5.4 km/h，碰撞位置為汽車50%位置處。

1.2 測試方案設(shè)計(jì)

針對C-NCAP以及行人測試相關(guān)的規(guī)定，行人檢測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有如下功能：

1) 目標(biāo)假人可在驅(qū)動系統(tǒng)的作用下沿一定速度行駛；

2) 駕駛機(jī)器人能夠控制汽車按一定的速度和路線行駛；

3) 為了使假人與測試汽車發(fā)生指定位置的碰撞，假人與測試汽車互聯(lián)互通保持實(shí)時(shí)通訊。

根據(jù)上述的功能需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的系統(tǒng)架構(gòu)。將假人固定在托板上，借助牽引帶驅(qū)動假人和托板移動，并在假人驅(qū)動系統(tǒng)和測試汽車上安裝通訊設(shè)備，借助實(shí)時(shí)動態(tài)基準(zhǔn)站完成汽車與假人速度、位置的信息交互，滿足測試場景的碰撞要求。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)C-NCAP的規(guī)定，假人移動速度為5、5.4、6.5 km/h，測試車速在5～60 km/h，汽車行駛方向與假人移動方向保持垂直。

2 硬件實(shí)現(xiàn)過程

2.1 假人目標(biāo)優(yōu)化

如圖3所示，基于C-NCAP的尺寸規(guī)定分別設(shè)計(jì)了成人假人目標(biāo)和兒童假人目標(biāo)，并在假人表面涂抹紅外反射二氧化鈦IR-1000，能夠在850～910 nm，使假人的紅外反射率達(dá)到40%～60%，有效提升了假人的視覺和紅外特性[12]。

圖3 假人目標(biāo)

2.2 假人目標(biāo)驅(qū)動機(jī)構(gòu)

假人驅(qū)動機(jī)構(gòu)分為牽引帶、驅(qū)動端、隨動端以及托板。其中，托板上配置磁鐵單元，可以讓假人支撐桿借助磁性的作用與托板緊密結(jié)合，以便支撐假人直立移動，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)測試汽車碰撞到假人時(shí)，磁性連接中斷，假人脫離托板，避免損壞其他部件。

圖4 托板結(jié)構(gòu)

如圖5所示，牽引帶驅(qū)動端的組成部分主要有電源、無線通訊部分、控制器以及驅(qū)動電機(jī)。

圖5 驅(qū)動端結(jié)構(gòu)

假人目標(biāo)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，汽車速度和位置信息由無線通訊模塊傳遞給控制器，控制器根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動牽引帶開始工作，實(shí)現(xiàn)假人位置的移動。

圖6 假人目標(biāo)驅(qū)動系統(tǒng)

3 開發(fā)控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的控制策略

按照AEB測試法規(guī)要求，在控制汽車的自動駕駛機(jī)器人上安裝慣性導(dǎo)航儀和差分精確定位裝置，分別測量出汽車的實(shí)時(shí)加速度、速度、偏航角以及汽車的精確位置，并通過無線通訊模塊，最終將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸EB行人檢測系統(tǒng)。

AEB行人檢測系統(tǒng)對比測試規(guī)程對汽車速度、假人速度以及碰撞位置的規(guī)定，計(jì)算出假人應(yīng)當(dāng)啟動的精確時(shí)間。

假人在移動過程中，驅(qū)動裝置可以根據(jù)測試汽車的狀態(tài)和位置，實(shí)時(shí)通過驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加減速控制，最終使假人和測試汽車的運(yùn)動關(guān)系符合測試法規(guī)的要求，發(fā)生指定位置的碰撞測試。

AEB行人檢測系統(tǒng)和自動駕駛機(jī)器人之間有2個(gè)通訊通道，通過915 MHz信道頻率，實(shí)時(shí)動態(tài)(RTK)基準(zhǔn)站可將GPS定位信息發(fā)送到AEB行人檢測系統(tǒng)以及汽車的駕駛機(jī)器人；通過2.4 GHz信道頻率，駕駛機(jī)器人則將汽車的位置、速度信息傳輸?shù)紸EB行人檢測系統(tǒng)。AEB行人檢測通訊及控制過程如圖7所示。

圖7 AEB行人檢測通訊及控制過程

3.2 設(shè)計(jì)差分定位模塊

一般GPS定位誤差大于3 m，不能滿足測試要求的精度，為此借助差分定位方法來精確定位汽車和假人目標(biāo)[13]。差分定位模塊分為RTK基準(zhǔn)站和移動站2個(gè)部分，RTK基準(zhǔn)站放置在空曠的區(qū)域，在測試汽車和假人目標(biāo)上均安裝移動站。RTK基準(zhǔn)站收集基本的GPS定位數(shù)據(jù)，然后將信息傳輸給移動站，移動站基于自身的GPS定位信息和RTK基準(zhǔn)站發(fā)送的GPS定位信息，通過載波相位差分解算的方法，最終獲得cm級的定位信息，進(jìn)而控制駕駛機(jī)器人和假人目標(biāo)驅(qū)動系統(tǒng)，滿足測試場景對兩者相對運(yùn)動的要求。

3.3 設(shè)計(jì)假人驅(qū)動控制器

AEB行人檢測系統(tǒng)控制器通過接收測試汽車的位置、速度信息，實(shí)時(shí)分析比較汽車位置是否與控制器計(jì)算要求的觸發(fā)點(diǎn)保持一致，以此判斷是否驅(qū)動假人開始移動。假人移動觸發(fā)后，通過采用與測試場景相匹配的電機(jī)驅(qū)動算法，控制器可以實(shí)現(xiàn)對假人位置的精確控制?？刂破鞯闹骺匦酒?STM32F767)可以接受各模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行處理，被控芯片(STM32F103)可以精確地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖8是控制器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊。

圖8 控制器結(jié)構(gòu)

3.4 假人驅(qū)動算法

AEB行人測試場景中，假人有加速、勻速以及減速的不同過程，假人驅(qū)動控制系統(tǒng)在控制假人運(yùn)動速度的同時(shí)，需精準(zhǔn)控制假人的運(yùn)動位置，以便將假人傳送到指定的位置。為此本文設(shè)計(jì)了如圖9所示的S型曲線加減速驅(qū)動控制算法，將加減速過程細(xì)化為：加加速、減加速、勻速、加減速以及減減速等5個(gè)階段，速度變化率J的絕對值保持不變，加減速模式在任意位置的加速度都連續(xù)變化，速度曲線平滑，可避免柔性沖擊。

圖9中t1到t3為各個(gè)階段的運(yùn)行時(shí)間。由于J為恒定值，在加速階段和減速階段之間，速度應(yīng)保持不變，則加加速、減加速、加減速與減減速經(jīng)歷的時(shí)間相同，即t1=t2。

圖9 S型曲線加減速模型

設(shè)vs為初速度，ve為末速度，根據(jù)運(yùn)動學(xué)關(guān)系，假人的加速度a、速度v以及位移S計(jì)算公式如表1所示。

表1 參數(shù)計(jì)算公式

3.5 系統(tǒng)聯(lián)動控制

1) 計(jì)算系統(tǒng)觸發(fā)點(diǎn)?；贏EB行人檢測系統(tǒng)的差分精確定位系統(tǒng)和假人檢測系統(tǒng)移動站獲取假人初始位置P0、碰撞點(diǎn)P1坐標(biāo)的(x1,y1)和(x2,y2)。另外，由測試汽車移動站獲取測試汽車頭部中點(diǎn)處坐標(biāo)V1(x3,y3)和航向角R。由車速v及假人移動到碰撞點(diǎn)所需的時(shí)間T(D1/Vp)，計(jì)算得出系統(tǒng)觸發(fā)點(diǎn)M的坐標(biāo)(x4,y4)。

3) 系統(tǒng)聯(lián)動測試。駕駛機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新汽車車頭中心點(diǎn)V1(x3,y3)的坐標(biāo)，并通過無線模塊發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至AEB行人檢測系統(tǒng)，然后由AEB行人檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)將V1點(diǎn)與M點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行比對，當(dāng)x3=x4并且y3=y4時(shí)，AEB行人檢測系統(tǒng)觸發(fā)假人目標(biāo)移動，假人驅(qū)動控制器控制假人目標(biāo)按該測試場景調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)測試汽車行駛到P1點(diǎn)時(shí)，假人移動到P1點(diǎn)。系統(tǒng)聯(lián)動控制如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)聯(lián)動控制示意圖

4 系統(tǒng)測試及驗(yàn)證

為了對AEB行人檢測系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，按照C-NACP規(guī)定的行人測試場景進(jìn)行行人危險(xiǎn)工況測試實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證AEB行人檢測系統(tǒng)對假人目標(biāo)位置、速度的控制精度以及AEB行人檢測系統(tǒng)與測試汽車的無線通訊性能。

如圖11所示，首先進(jìn)行單功能測試，在不同測試場景下，AEB行人檢測系統(tǒng)不與駕駛機(jī)器人聯(lián)動，測試電機(jī)控制算法對假人的驅(qū)動控制精度。

圖11 AEB行人單功能測試場景

每種測試場景進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)，由于不同測試場景下假人與測試汽車的距離要求不同，一共完成了(4+11)×3=45次實(shí)驗(yàn)，相關(guān)測試結(jié)果如表2所示。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的假人目標(biāo)控制精度達(dá)到96%(控制精度=符合要求實(shí)驗(yàn)測試/總實(shí)驗(yàn)次數(shù))。由此表明，本文所設(shè)計(jì)的AEB行人檢測系統(tǒng)可以根據(jù)測試要求對假人移動過程實(shí)現(xiàn)精確控制。

表2 假人移動速度和位移測試

如圖12所示，在單功能測試完成后，將AEB行人檢測系統(tǒng)與駕駛機(jī)器人聯(lián)通，測試之間的無線通訊性能，查看假人與測試汽車的碰撞點(diǎn)是否滿足測試場景的法規(guī)要求。

圖12 AEB行人檢測系統(tǒng)聯(lián)動測試場景

根據(jù)C-NCAP測試規(guī)程進(jìn)行20次實(shí)驗(yàn)(測試車速在20～60 km/h范圍，每種測試場景進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn))，根據(jù)國內(nèi)測試場景要求進(jìn)行11次實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行31次測試實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如表3所示，表中的數(shù)字表示第幾次實(shí)驗(yàn)完全達(dá)到測試場景規(guī)定的碰撞速度、位置等關(guān)鍵指標(biāo)。

根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)情況可知，1次實(shí)驗(yàn)即達(dá)到要求的概率為90%，2次實(shí)驗(yàn)即達(dá)到要求的概率為100%。

表3 AEB行人檢測系統(tǒng)聯(lián)動測試結(jié)果

在測試過程中，AEB行人檢測系統(tǒng)對假人速度以及假人與測試汽車碰撞位置的準(zhǔn)確度達(dá)到96%，由于地面摩擦力不均及牽引帶的彈性不可控，在單功能測試45次實(shí)驗(yàn)中，有2次出現(xiàn)誤差大于精度有效范圍的情況，但其綜合誤差仍然較小，可以滿足測試法規(guī)對于精度的要求。

在對AEB行人檢測系統(tǒng)和駕駛機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)動測試中，除了3次由于AEB行人檢測系統(tǒng)與駕駛機(jī)器人的無線通訊被其他設(shè)備干擾外，兩者之間的無線通訊始終保持良好狀態(tài)。由此可知，應(yīng)當(dāng)在空曠無干擾的環(huán)境下進(jìn)行AEB行人測試實(shí)驗(yàn)。在無其他通訊干擾的情況下，AEB行人檢測系統(tǒng)可以較好地與駕駛機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)動測試。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的AEB行人檢測系統(tǒng)可以用于C-NCAP和中國行人測試場景，相較于國外的AEB行人檢測系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：

1) AEB行人檢測系統(tǒng)的控制參數(shù)可以靈活調(diào)整，滿足國內(nèi)交通場景的行人檢測測試要求。

2) 整個(gè)系統(tǒng)成本較低，可供更多的AEB行人測試和研發(fā)單位使用，有助于推進(jìn)AEB行人檢測系統(tǒng)更新提升。

本文的AEB行人檢測系統(tǒng)也存在一定的不足。比如，假人目標(biāo)沒有考慮雷達(dá)的反射特性；此外，對歐洲新車評估規(guī)程(E-NCAP)等國外測試規(guī)范沒有很好的適用性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種AEB行人檢測系統(tǒng)，可以根據(jù)C-NCAP和AEB行人測試的法規(guī)要求，對假人的移動過程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了AEB行人檢測系統(tǒng)與駕駛機(jī)器人的實(shí)時(shí)無線通訊。

根據(jù)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的AEB行人檢測系統(tǒng)對假人目標(biāo)的速度和位移控制精度達(dá)到96%，與駕駛機(jī)器人的聯(lián)動測試一次成功率達(dá)到90%，所開發(fā)的假人目標(biāo)具備人體特征及紅外反射特性，能夠用于行人危險(xiǎn)工況的測試實(shí)驗(yàn)，其測試精度較高，是汽車AEB系統(tǒng)功能測評和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的有效支撐工具。