基于線控制動系統的AEB 功能開發

劉宏偉，張 杰，朱恩利，黃雪梅，楊佳飛

（1.國機智駿（北京）汽車科技有限公司 研發中心，北京，通州 101100；2.萬向錢潮股份有限公司 技術中心，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致[1]。為了進一步提高道路交通安全性，幫助駕駛員減少錯誤操作，以先進駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System，ADAS）為代表的智能汽車安全技術逐漸得到重視和發展。ADAS 系統根據雷達、攝像頭等傳感器探測環境信息，當發現駕駛員當前的操作有導致事故的危險時，系統向駕駛員發出信息提示或預警，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時間很少，一些系統通過主動介入對車輛進行控制，幫助駕駛員回避或減輕事故造成的危害。德國聯邦交通研究所（BAST）的研究表明，70%的嚴重交通事故都可以通過ADAS 避免[2]。在緊急工況下，當前最有代表性的ADAS 系統是自動緊急制動系統（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 系統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，歐盟新車認證程序（Euro-NCAP）中引入了對AEB 城市系統（AEB City）和AEB 公路系統（AEB Inter-Urban）的測試和評價[3]。中國汽車技術研究中心也將AEB納入了2018 版C-NCAP 車輛評價體系。根據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。當前應用的AEB 系統普遍以電子穩定控制系統（Electric Stability Controller，ESC）做執行器，但以ESC 作為緊急制動執行器需要對ESC 硬件及性能進行專門強化，并且ESC 響應精度和時間均有局限性。線控制動系統具有傳統制動系統無法比擬的優點，比如：制動響應快速、制動能量高、結構簡單、便于擴展和增加其它電控制功能等，這些優勢將使線控制動技術取代傳統的以液壓為主的制動系統，成為未來制動系統的主要發展方向[4-5]。線控制動系統比ESC 具備更高的制動響應速度和精度，能顯著提高AEB 制動系統的性能。

1 AEB 系統方案

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

圖1 AEB 系統架構原理

2 線控制動系統設計

2.1 線控制動系統方案原理

當前已具備成熟量產EHB 能力的企業多數為外資廠商。國內汽車零部件企業和高校進行了預研和產品開發工作，國內如浙江亞太、萬向集團、上海拿森、同濟同馭、清華大學、吉林大學、北航等都開展了EHB 產品的理論研究及產品試制開發工作。

設計開發了一種線控制動系統（屬于EHB 線控制動分類），該樣機開發英文簡稱為WBS（Wire Brake System），原理如圖2 所示。

圖2 線控制動系統原理

WBS 系統工作原理：常規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車輛制動需求，常開型制動主缸隔離電磁閥上電關閉，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并提高系統壓力響應速度?？刂破魍ㄟ^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輸出相應制動力，此時制動踏板和制動力是完全解耦的。如果線控制動系統發生故障，進入備用制動狀態，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入備用制動回路，提供車輛備用制動力。對于ADAS 系統（AEB、ACC 等）所需的減速度或制動力請求，可直接發送目標給EHB 控制系統，由EHB 控制器進行減速響應[6-7]。

2.2 線控制動系統臺架及裝車驗證

對所設計的WBS 線控制動系統進行了臺架驗證，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、踏板轉角、踏板力可通過傳感器采集至示波器，線控制動模塊相關制動壓力目標或反饋信號可通過CAN 線與上位機通訊。

圖3 線控制動臺架示意圖

實車裝車過程對原車制動踏板、制動主缸、真空助力器進行了替換，通過CAN 通訊方式采集線控制動系統相關信息。

圖4 WBS 測試臺架

圖5 WBS 裝車圖

通過試驗驗證了該線控制動系統具備較高的壓力控制精度（穩態≤200 kPa），快速的壓力響應（0 ～8 000 kPa ≤180 ms），與ESC 相比較在響應時間、響應精度上均具備優勢，可提高AEB系統能力。線控制動系統階躍響應結果如圖6 所示。

圖6 線控制動系統階躍響應結果

3 環境感知及控制系統設計

3.1 毫米波雷達測試及數據處理

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

圖7 毫米波雷達篩選算法

3.2 毫米波雷達實車輸出測試

毫米波雷達目標篩選和處理后，完成毫米波雷達裝車并進行各路況測試，同時編寫上位機程序用以顯示目標檢測效果。

圖8 前向毫米波樣車

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

在完成毫米波雷達輸出信號準確度確認后，在毫米波雷達輸出CAN 信息中增加一路CAN ID信息，其中涵蓋危險目標的碰撞時間（Time to Collision，TTC）計算等相關信息，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 系統功能實車驗證

4.1 AEB 系統控制策略設計

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 方向盤轉角是否回位等，如全部滿足則輸出TTC 給AEB 系統進行制動壓力的計算，如不滿足則AEB 功能被抑制或退出。設定TTC 觸發值，如果實際TTC 值＜觸發值，則認為AEB/FCW 功能被觸發，由線控制動系統執行制動壓力計算值，完成緊急制動執行動作。在緊急制動執行過程中，如果滿足AEB 抑制條件，如：駕駛員主動轉向避險、加速踏板明顯被踩踏等，都認為駕駛員主動干預，AEB 功能將被抑制。

圖11 AEB 功能邏輯流程

以ESC 為執行器的AEB 系統因其壓力控制精度較低、響應慢，TTC 觸發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。

所設計的以線控制動為執行器的AEB 系統采用制動安全距離為控制目標，可根據實際工況實時調節制動減速度，可明顯改善制動效果及舒適性。

設TTC 觸發時，兩車相對速度為V0，兩車相對距離為S0，相對安全距離目標為Ssafe，前車減速度為afro（目標信息可由毫米波雷達提供），本車減速度為a，根據動力學公式：

本車減速度控制目標：

進一步考慮整車模型、道路、制動系統模型等，得到輪缸制動壓力P與本車制動減速度目標a的解析關系：式中：dw為輪缸直徑；BF為制動效能因數；n為單輪輪缸數量；r為制動有效半徑。

根據所匹配的實際車型參數，換算關系為P=

Vector 公司的CANoe 具有強大的CAN 總線設計及仿真功能，借助CANoe_Simulink 軟件接口，可使Simulink 控制模型與整車CAN 網絡實時通訊，搭建快速控制原型，驗證算法的實時性和可靠性，聯合模型如圖12 所示。

圖12 AEB 功能算法Simulink 模型

4.2 AEB 系統功能測試

在封閉場地對AEB 樣車進行功能測試驗證，試驗設備構成如圖13 所示。在10 ～40 km/h 本車車速范圍內，對前靜止目標進行AEB 功能隨機測試，相關試驗數據通過數據記錄儀進行記錄和分析。

如圖14 所示，AEB 功能執行過程中，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生波動或減小，通過AEB 功能算法保證制動力不減，并根據危險程度降低做實時制動力值更新，AEB 制動結束時刻之后，適當延時制動力輸出，維持制動效果。

圖13 AEB 試驗設備構成

圖14 AEB 制動力執行測試曲線

如圖15 所示，試驗結果基本體現了AEB 預期功能策略。制動力目標值與TTC 值有函數關系，TTC 檢測精度對制動力目標有較大影響，這會影響實際制動精度及制動舒適性，從根源上應優化毫米波雷達的濾波算法，并且在AEB 策略輸入端也做好TTC 真值的校驗。

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系，但實際測試中發現：僅穩態滿足式（3）的結果，實際上由于線控制動系統響應時間、風阻、載荷等因素的影響，呈現出圖16 所示的制動力與減速度對應關系，這對AEB 制動效果的影響至關重要，需要據此進行標定。

圖16 不同車速制動力與減速度的關系

對本車車速10 ～40 km/h 范圍內的AEB 功能觸發效果進行了測試統計，系統能根據不同本車車速實時調整制動力值，實測制動距離誤差在±0.5 m內，制動距離穩定，達到設計目標，如圖17 所示。

圖17 TTC 及車速測試曲線

5 結論

設計了一種線控制動系統，臺架及實車搭載試驗驗證了該線控制動系統制動響應速度和精度的先進性。所選用的毫米波雷達具備較好的目標距離識別精度，可有效地輸出AEB 系統所需的危險目標信息。設計了AEB 核心算法中的抑制/激活條件、TTC 觸發邏輯、制動力-減速度計算、載荷估計等模塊，通過快速控制原型進行實車驗證，基本達到開發目標，為后續量產開發打下了良好的基礎。