徐傳康 曲衛(wèi)東 于丹 王雪峰 武湘成 程學(xué)玲

【摘要】為實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)功能測(cè)試中目標(biāo)物移動(dòng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了構(gòu)型設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、疲勞壽命估計(jì)、測(cè)試場(chǎng)景路徑跟蹤等研究。通過(guò)對(duì)《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》規(guī)定的測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行分析，提取目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)路徑，根據(jù)邊界條件得到期望軌跡，再通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得到軌跡跟蹤結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)比，仿真結(jié)果與規(guī)定要求基本一致，表明設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)能夠滿足AEB系統(tǒng)功能測(cè)試需求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試 移動(dòng)平臺(tái) 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U461.91? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240136

Design of Target Object Mobile Platform for AEB Testing

Xu Chuankang1， Qu Weidong2， Yu Dan3， Wang Xuefeng2， Wu Xiangcheng2， Cheng Xueling2

（1. Equipment Industry Development Center of the Ministry of Industry and Information Technology， Beijing 100017; 2. Jilin University， Changchun 130000; 3. Changchun Automobile Testing Center Co.， Ltd.， Changchun 130011）

【Abstract】In order to develop the target object mobile platform for vehicle Automatic Emergency Braking （AEB） system test， this article studied the configuration design， strength analysis， fatigue life estimation and path tracking of test scene. Through the analysis of the test scenarios stipulated in C-NCAP Management Regulation （2024 Edition）， the moving path of the target was extracted， and the expected trajectory was obtained according to the boundary conditions， then the trajectory tracking results were obtained through dynamic simulation. The comparison shows that the simulation results are basically consistent with the specified requirements， indicating that the designed mobile platform can meet the needs of AEB testing.

Key words： Autonomous Emergency Braking （AEB） system test， Moving platform， Structural strength

【引用格式】徐傳康， 曲衛(wèi)東， 于丹， 等. 面向自動(dòng)緊急制動(dòng)功能測(cè)試的目標(biāo)物移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 汽車工程師， 2024（6）： 8-13.

XU C K， QU W D， YU D， et al. Design of Target Object Mobile Platform for AEB Testing[J]. Automotive Engineer， 2024（6）： 8-13.

1 前言

自動(dòng)緊急制動(dòng)（Autonomous Emergency Breaking，AEB）系統(tǒng)[1]是在存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的情況下，主動(dòng)控制車輛進(jìn)行緊急制動(dòng)以避免或減輕碰撞，從而保護(hù)乘員及行人的主動(dòng)安全系統(tǒng)，可有效降低事故發(fā)生概率[2-3]。AEB系統(tǒng)功能測(cè)試是檢測(cè)其功能完整性和有效性的重要環(huán)節(jié)，為了對(duì)不同車型配備的AEB系統(tǒng)功能的有效性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化的評(píng)價(jià)，全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)相繼出臺(tái)了汽車AEB系統(tǒng)測(cè)試相關(guān)規(guī)程。2013年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）制定了車輛碰撞預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；2014年，歐洲新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)（the European New Car Assessment Programme，Euro NCAP）采用歐洲車輛目標(biāo)物（Euro NCAP Vehicle Target，EVT）作為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試目標(biāo)物，進(jìn)行AEB系統(tǒng)防碰撞功能測(cè)試[4]。2018年，《C-NCAP管理規(guī)則（2018年版）》納入了針對(duì)行人、電動(dòng)自行車的汽車AEB系統(tǒng)測(cè)試。

目前，車輛AEB系統(tǒng)功能測(cè)試的方法一般為：選取封閉道路作為測(cè)試場(chǎng)地，利用移動(dòng)平臺(tái)承載目標(biāo)物按照預(yù)定軌跡行駛，模擬不同的碰撞場(chǎng)景開(kāi)展AEB系統(tǒng)功能測(cè)試。考慮到AEB系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中存在車輛撞擊目標(biāo)物并碾壓移動(dòng)平臺(tái)的情況，移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)以扁平化為主。同時(shí)，由于各評(píng)價(jià)規(guī)程對(duì)目標(biāo)物的移動(dòng)軌跡和速度進(jìn)行了嚴(yán)格要求，移動(dòng)平臺(tái)必須具備良好的軌跡跟蹤和速度控制能力。早期的移動(dòng)平臺(tái)通常采用繩索或車輛牽引的方式控制目標(biāo)物的移動(dòng)軌跡和速度。繩索牽引的方式能夠模擬的場(chǎng)景有限，通常是直線行駛工況。車輛牽引的方式對(duì)牽引車輛的速度和軌跡控制要求較高，同時(shí)存在一定的安全隱患。為了解決該問(wèn)題，AB Dynamics公司[5]開(kāi)發(fā)了新一代移動(dòng)底盤，具備軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤等自動(dòng)行駛能力，擺脫了對(duì)牽引繩索和牽引車輛的依賴，然而，其在使用過(guò)程中仍然存在耐用性、國(guó)內(nèi)法規(guī)適應(yīng)性以及產(chǎn)品成本等問(wèn)題。因此，根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》的測(cè)試需求，針對(duì)性地開(kāi)發(fā)能夠全面覆蓋相關(guān)測(cè)試場(chǎng)景的AEB系統(tǒng)測(cè)試超平移動(dòng)底盤，對(duì)我國(guó)AEB系統(tǒng)測(cè)試體系的完善具有積極意義。

鑒于此，本文針對(duì)目標(biāo)物移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出總體構(gòu)型和各部件布置方式；其次，對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的主要受力結(jié)構(gòu)（外車架）進(jìn)行強(qiáng)度校核，并根據(jù)外車架的最終優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行使用壽命預(yù)測(cè)；最后對(duì)測(cè)試場(chǎng)景的路徑規(guī)劃與跟蹤開(kāi)展研究，提取測(cè)試軌跡并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以期為相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供借鑒。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)方案

AEB系統(tǒng)測(cè)試移動(dòng)平臺(tái)的主要功能是承載各種目標(biāo)物沿規(guī)定的軌跡進(jìn)行一定速度的移動(dòng)，同時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一定的抗壓能力。為滿足上述要求，采用雙層車架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。內(nèi)車架連接內(nèi)部各機(jī)構(gòu)，外車架承受外部載荷，前置兩輪驅(qū)動(dòng)，采用輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后置一輪從動(dòng)。內(nèi)車架主要用于安裝車輪和保護(hù)移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部的組件，如電池、電機(jī)、控制器等，框架由截面為60 mm×30 mm、厚度為2 mm的矩形鋁管焊接而成。

外車架的最主要功能為安裝目標(biāo)物以及作為碾壓工況下的承壓結(jié)構(gòu)。移動(dòng)平臺(tái)承載目標(biāo)物正常行駛時(shí)，彈簧阻尼器支撐起外車架，此時(shí)外車架不妨礙運(yùn)動(dòng)，只用于安裝目標(biāo)物；碾壓工況發(fā)生后，彈簧阻尼器收縮，外車架下降到地面上，由外車架作為移動(dòng)平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)，防止過(guò)大的壓力作用到車輪上。外車架包括框架主體和帶有焊接支撐柱的蓋板，框架主體由截面尺寸為80 mm×40 mm、厚度為3 mm的矩形鋁管焊接而成，帶焊接支撐柱的蓋板為厚度2 mm的鋼板。移動(dòng)平臺(tái)的主要參數(shù)如表1所示。

2.2 外車架有限元分析

對(duì)外車架進(jìn)行分析，以保證碾壓工況下其強(qiáng)度滿足要求且產(chǎn)生的總變形對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)干涉?？紤]到常見(jiàn)乘用車的整車質(zhì)量為約2 000 kg，部分乘用車的質(zhì)量達(dá)到2 600 kg，移動(dòng)平臺(tái)被碾壓時(shí)承受整車質(zhì)量的約1/4，因此取7 500 N作為外車架最大承受壓力，得到外車架靜力學(xué)分析結(jié)果，如圖2所示。

由仿真結(jié)果可知，外車架最大應(yīng)力為224.6 MPa，小于材料許用應(yīng)力，車架強(qiáng)度滿足要求，但總變形量較大，最大變形量為9.77 mm，可能與電池等部件位置發(fā)生干涉。對(duì)外車架進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)應(yīng)力集中位置增加支撐柱，仿真結(jié)果如圖3所示，優(yōu)化后車架最大應(yīng)力為102.7 MPa，小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求，最大變形量為0.92 mm，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)干涉。

3 疲勞壽命分析

車輛AEB系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)可能受到反復(fù)碾壓，作用于移動(dòng)平臺(tái)的力反復(fù)加載和卸載，產(chǎn)生交變應(yīng)力，可將一個(gè)碾壓過(guò)程視為一個(gè)載荷循環(huán)周期，需對(duì)其進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估。

疲勞損傷評(píng)估方法主要分為基于應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）的評(píng)估方法[6]和基于線彈性斷裂力學(xué)（Linear Elastic Fracture Mechanics，LEFM）的評(píng)估方法。在移動(dòng)平臺(tái)的疲勞損傷評(píng)估中，基于LEFM的評(píng)估方法不易使用，故本文采用基于S-N曲線的評(píng)估方法，以Palmgren-Miner（P-M）線性損傷累計(jì)準(zhǔn)則[7-8]為基礎(chǔ)進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)疲勞損傷的評(píng)估。

假定在某種循環(huán)恒幅載荷工況下，移動(dòng)平臺(tái)所能承受載荷循環(huán)的次數(shù)為N，每經(jīng)歷一次相同的載荷循環(huán)，就會(huì)產(chǎn)生1/N的損傷。移動(dòng)平臺(tái)受到ni次i級(jí)應(yīng)力水平的循環(huán)載荷作用后，累計(jì)產(chǎn)生的損傷為Di=ni/Ni，其中，Ni為第i級(jí)載荷下的可循環(huán)次數(shù)。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)受到多種不同幅值的循環(huán)載荷時(shí)，累計(jì)的疲勞損傷D為所有載荷的循環(huán)比之和：

[D=ni Ni] （1）

根據(jù)上述P-M線性疲勞累積損傷理論，一般認(rèn)為在多級(jí)不同應(yīng)力幅值作用下，疲勞破壞發(fā)生時(shí)，有：

[ni Ni=1] （2）

計(jì)算疲勞壽命時(shí)，每次疲勞損傷記為Di。

外車架是移動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)生疲勞破壞可能性最大的部位，故移動(dòng)平臺(tái)疲勞壽命估計(jì)時(shí)，主要對(duì)外車架的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。以外車架承受垂直載荷7 500 N為例，對(duì)外車架的使用壽命進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

移動(dòng)平臺(tái)在該工況下的使用壽命為69 172次。n次碾壓的疲勞損傷為：

D=n/69 172 （3）

剩余使用壽命為：

L=（1-n/69 172）×100% （4）

該工況下移動(dòng)平臺(tái)承受的外部載荷可視為汽車AEB系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中移動(dòng)平臺(tái)能夠承受的最大載荷，故對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行健康度評(píng)估時(shí)，以該工況為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)剩余使用次數(shù)，如表2所示。

根據(jù)S-N曲線，交變應(yīng)力與疲勞破壞前的循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖5所示。因此，根據(jù)碾壓產(chǎn)生的應(yīng)力，可計(jì)算每次碾壓后的疲勞損傷，從而實(shí)現(xiàn)剩余使用壽命的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

4 AEB系統(tǒng)測(cè)試路徑軌跡規(guī)劃

《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》中規(guī)定了行人自動(dòng)緊急制動(dòng)和二輪車自動(dòng)緊急制動(dòng)等測(cè)試場(chǎng)景[9]，為滿足測(cè)試要求，對(duì)各測(cè)試場(chǎng)景下的移動(dòng)平臺(tái)行駛軌跡規(guī)劃進(jìn)行研究。

4.1 行人自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

行人自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試場(chǎng)景含有多個(gè)測(cè)試場(chǎng)景，本文具體對(duì)其中的車輛碰撞縱向行走的行人（Car-to-Pedestrian Longitudinal Adult 25%，CPLA-25）和車輛碰撞遠(yuǎn)端成年行人（Car-to-Pedestrian Farside Adult with Obstruction 25%，CPFAO-25）場(chǎng)景進(jìn)行路徑軌跡規(guī)劃分析。

4.1.1 CPLA-25場(chǎng)景

CPLA-25場(chǎng)景如圖6所示，其中行人的移動(dòng)速度為5 km/h。

根據(jù)圖6中的條件，移動(dòng)平臺(tái)直線行駛，從B點(diǎn)出發(fā)，在距離S1內(nèi)完成加速，勻速行駛過(guò)距離S2，到達(dá)C點(diǎn)后完成測(cè)試，減速停車。因此，設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式為：由靜止開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，再做勻速運(yùn)動(dòng)，最后勻減速運(yùn)動(dòng)到靜止。以移動(dòng)平臺(tái)初始位置車頭朝向?yàn)閤軸正方向，設(shè)t時(shí)刻移動(dòng)平臺(tái)在x方向上的位移為x（t）、速度為[xt]、加速度為[xt]，初始條件為x（0）=0、[x0]=0、[x0]=0，軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，加速距離為0.982 m，滿足要求，勻速運(yùn)動(dòng)距離10 m、勻速運(yùn)動(dòng)速度5 km/h與測(cè)試規(guī)定基本一致。

4.1.2 CPFAO-25場(chǎng)景

CPFAO-25場(chǎng)景如圖8所示，其中行人的移動(dòng)速度為6.5 km/h。經(jīng)圖像對(duì)比，CPFAO-25、車輛左轉(zhuǎn)碰撞遠(yuǎn)端成年行人（Car-to-Pedestrian Left Turning Farside Adult，CPTA-LF）、車輛右轉(zhuǎn)碰撞遠(yuǎn)端成年行人（Car-to-Pedestrian Right Turning Farside Adult，CPTA-RF）測(cè)試場(chǎng)景對(duì)承載目標(biāo)物的移動(dòng)平臺(tái)要求一致，故采取相同測(cè)試軌跡。

根據(jù)圖8中的條件，移動(dòng)平臺(tái)直線行駛，從初始位置出發(fā)，首先在距離S2內(nèi)完成加速，進(jìn)而勻速行駛過(guò)距離（S1-S2），到達(dá)C點(diǎn)后完成測(cè)試，減速停車。因此同理，設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式為：由靜止開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，再做勻速運(yùn)動(dòng)，最后勻減速運(yùn)動(dòng)到靜止。設(shè)置初始條件為x（0）=0、[x]（0）=0、[x]（0）=0，軌跡規(guī)劃結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，加速距離1.5 m滿足要求，勻速運(yùn)動(dòng)距離4.5 m、勻速運(yùn)動(dòng)速度6.5 km/h與測(cè)試規(guī)定基本一致。此外，仿真過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作范圍內(nèi)，因此提取的軌跡可以作為測(cè)試軌跡。

4.2 二輪車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

二輪車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試含有多個(gè)測(cè)試場(chǎng)景。本文具體對(duì)其中的車輛碰撞縱向行駛電動(dòng)自行車（Car-to-electric Bicyclist Longitudinal Adult 25%，CBLA-25）和車輛碰撞近端電動(dòng)自行車（Car-to- electric Bicyclist Near side Adult with Obstruction 50%，CBNAO-50）測(cè)試場(chǎng)景的軌跡規(guī)劃進(jìn)行具體分析。

4.2.1 CBLA-25場(chǎng)景

CBLA-25場(chǎng)景如圖10所示，其中電動(dòng)自行車行駛速度為15 km/h。

根據(jù)圖10中的條件，移動(dòng)平臺(tái)直線行駛，從起始點(diǎn)出發(fā)，在距離S1內(nèi)完成加速，勻速行駛過(guò)距離S2，到達(dá)C點(diǎn)后完成測(cè)試，減速停車。因此，設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式為：由靜止開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，再做勻速運(yùn)動(dòng)，最后勻減速運(yùn)動(dòng)到靜止。設(shè)置初始條件為x（0）=0、[x]（0）=0、[x]（0）=0，軌跡規(guī)劃結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，加速距離6 m滿足要求，勻速運(yùn)動(dòng)距離10 m、勻速運(yùn)動(dòng)速度15 km/h與測(cè)試規(guī)定基本一致，仿真過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作范圍內(nèi)，因此提取的軌跡可以作為測(cè)試軌跡。

4.2.2 CBNAO-50場(chǎng)景

CBNAO-50場(chǎng)景如圖12所示，其中電動(dòng)自行車行駛速度為15 km/h。

根據(jù)圖12中的條件，移動(dòng)平臺(tái)直線行駛，該場(chǎng)景對(duì)加速距離沒(méi)有要求，移動(dòng)平臺(tái)在到達(dá)測(cè)試起始點(diǎn)時(shí)已經(jīng)滿足速度要求，設(shè)置加速距離為6 m。從測(cè)試起始點(diǎn)出發(fā)，在距離S1內(nèi)勻速行駛到達(dá)C點(diǎn)完成測(cè)試，減速停車。因此，設(shè)置移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方式為：在起始點(diǎn)前做勻加速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)起始點(diǎn)后開(kāi)始做勻速運(yùn)動(dòng)，最后勻減速運(yùn)動(dòng)到靜止。設(shè)置初始條件為x（0）=0、[x]（0）=0、[x]（0）=0，軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，加速距離6 m滿足要求，勻速運(yùn)動(dòng)距離15 m、勻速運(yùn)動(dòng)速度15 km/h與測(cè)試規(guī)定基本一致。此外，仿真過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速在驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作范圍內(nèi)，因此提取的軌跡可以作為測(cè)試軌跡。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文面向車輛AEB系統(tǒng)功能測(cè)試需求，進(jìn)行了目標(biāo)物移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等研究。首先，進(jìn)行了移動(dòng)平臺(tái)的整體方案設(shè)計(jì)，根據(jù)測(cè)試需求確定平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行整車布置，并針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展了移動(dòng)平臺(tái)路徑規(guī)劃研究，結(jié)合《C-NCAP管理規(guī)則（2024年版）》相關(guān)規(guī)定，針對(duì)行人自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)與二輪車自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試工況進(jìn)行了移動(dòng)平臺(tái)軌跡規(guī)劃計(jì)算，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)能夠滿足系統(tǒng)功能測(cè)試需求。

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（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2024年4月15日。