基于在環(huán)仿真的自動緊急制動系統(tǒng)測試方法

王啟配，劉全周，李占旗

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司 天津 300300)

0 引 言

交通事故統(tǒng)計結(jié)果顯示，大量的交通事故造成死亡和重傷案例是發(fā)生在汽車與易受傷害的道路使用者如行人或騎車人之間，近幾年中國交通事故死亡數(shù)據(jù)分布如圖1所示，超過90%以上的這類交通事故造成了嚴(yán)重的人身傷害。正是基于此汽車制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商正在努力開發(fā)面向主動安全的先進駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)，可以避免或減輕這種撞擊所造成的傷害。其中，自動緊急制動系統(tǒng)(AEB)裝車率越來越高，AEB作為一種汽車主動安全技術(shù)，通過實時檢測本車輛前方的運行環(huán)境，在將要發(fā)生碰撞危險時自動啟動車輛制動系統(tǒng)，使車輛主動降扭減速，輔助駕駛員規(guī)避發(fā)生碰撞或減輕碰撞后果。

圖1 近幾年中國交通事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖Fig.1 Statistics of traffic accidents in China in recent years

為更好地監(jiān)控市場車輛配置的自動緊急制動系統(tǒng)產(chǎn)品性能，自動緊急制動系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)陸續(xù)出臺，其中包括交通運輸部JTT 1242—2019《營運車輛自動緊急制動系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》、國標(biāo)GB/T 38186—2019 《商用車輛自動緊急制動系統(tǒng)(AEBS)性能要求及試驗方法》以及2018年《乘用車自動緊急制動系統(tǒng)(AEBS)性能要求及試驗方法》征求意見稿、2018年《C-NCAP管理規(guī)程》、2020年《CCRT(智能電動汽車)管理規(guī)則》等，都對自動緊急制動系統(tǒng)的性能、場景工況提出了明確要求。

自動緊急制動系統(tǒng)全稱Autonomous Emergency Braking，簡稱AEB，其功能越來越普及，但是市場上的表現(xiàn)效果卻良莠不齊。如何快速迭代驗證AEB功能準(zhǔn)確性、魯棒性是當(dāng)前車企、系統(tǒng)供應(yīng)商面臨的主要問題。本文從硬件在環(huán)仿真測試驗證角度出發(fā)，系統(tǒng)介紹本技術(shù)方案的工作原理、系統(tǒng)平臺構(gòu)建方法、測試驗證方法等。

1 HIL系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用研究

自動駕駛硬件在環(huán)仿真測試方法相較實車測試，在測試成本、測試效率、工況可重復(fù)性、危險極限工況模擬、測試場景數(shù)量等方面有著不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，可有效加速自動駕駛測試，Zhao[1]提出了自動駕駛汽車的測試加速理論，通過應(yīng)用重要性抽樣方法，提高危險場景發(fā)生概率，相同的測試?yán)锍滔略诜抡姝h(huán)境中模擬更多的危險場景，理想條件下可以縮短測試?yán)锍糖П兑陨稀?/p>

硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)基于實時處理器運行車輛動力學(xué)仿真模型來模擬受控對象的運行狀態(tài)，同時通過機柜 I/O接口與被測電控單元行車電腦(ECU)連接，即分別為電控單元ECU提供車輛運行環(huán)境和電氣環(huán)境，從而對被測電控單元ECU進行全方面的、系統(tǒng)的測試，硬件在環(huán)仿真測試已廣泛應(yīng)用至統(tǒng)動力、底盤、新能源、車身等領(lǐng)域。如王劍飛等[2]研究了電子駐車制動系統(tǒng)(EPB)控制器功能仿真測試；劉全周等[3]基于硬件在環(huán)仿真研究了雙離合變速(DCT)控制器的控制策略、診斷策略以及網(wǎng)絡(luò)交互式功能策略測試驗證方法；晏江華等[4]以一款純電動汽車的整車控制系統(tǒng)(VCU)為測試對象，通過建立整車閉環(huán)系統(tǒng)模型，基于dSPACE仿真測試平臺搭建測試環(huán)境，對VCU控制器進行通信測試驗證；田涌軍等[5]采用Lab VIEW開發(fā)，完成對車身電子模塊的自動化測試；陳慧鵬[6]通過對信號級、總成級方法進行HIL仿真測試；辛迪宇[7]搭建了發(fā)動機控制單元硬件在環(huán)測試平臺，分別對發(fā)動機仿真模型驗證、傳感器信號測試驗證、執(zhí)行器信號測試驗證、總線協(xié)議(CAN)通信信號測試驗證及開關(guān)類信號測試驗證；黃淼[8]通過集成駕駛模擬器，開發(fā)了新模式的車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)(ESC)硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，對ESC功能進行測試評價。

自動駕駛硬件在環(huán)仿真測試驗證方面，劉全周等[9]描述了基于攝像頭暗箱對車道偏離系統(tǒng)(LDW)的功能測試驗證；欒銘湧等[10]、羅傳東等[11]的多篇論文研究聚焦在針對智能攝像頭的硬件在環(huán)仿真測試方案中應(yīng)用，而基于前向智能攝像頭主要用于實現(xiàn)LDW、車道保持輔助系統(tǒng)(LKA)、交通智能識別系統(tǒng)(TSR)功能，由于自動緊急制動系統(tǒng)對目標(biāo)距離、速度要求高，結(jié)合不同類型傳感器差異性特點，自動緊急制動系統(tǒng)基本是借助毫米波雷達傳感器實現(xiàn)目標(biāo)探測，然而目前并無類似文章闡述雷達臺架HIL測試方案。如何針對基于毫米波雷達傳感開發(fā)的自動緊急制動系統(tǒng)進行測試驗證，是本文主要研究目的。

2 AEB系統(tǒng)工作原理

AEB是指車輛在非自適應(yīng)巡航的情況下正常行駛，如車輛遇到突發(fā)危險情況或與前車及行人距離小于安全距離時車輛主動進行剎車(但具備這種功能的車輛并不一定能夠?qū)④囕v完全剎停)避免或減少追尾等碰撞事故的發(fā)生，從而提高行車安全性的一種技術(shù)[12]。當(dāng)系統(tǒng)計算出會有碰撞可能時，首先會通過聲音、圖像等警示駕駛員，若駕駛員沒能對預(yù)警起到正確反應(yīng)，再輕微震動制動踏板或方向盤來二次預(yù)警，過程中提前填充制動油壓，以便制動作用時能快速準(zhǔn)確的完成。AEB電控單元作為請求部件，通常將制動減速度、降扭請求值發(fā)送給EMS、ESP執(zhí)行單元響應(yīng)，從而實現(xiàn)車輛減速剎停，如圖2。AEB系統(tǒng)邏輯工作狀態(tài)如圖3所示。

圖2 AEB系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Work flow of AEB system

圖3 AEB系統(tǒng)邏輯狀態(tài)示意圖Fig.3 Logic state diagram of AEB system

3 AEB HIL系統(tǒng)平臺搭建

AEB系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)由HIL機柜、毫米波雷達模擬器臺架、車輛動力學(xué)模型、交通場景模型、測試管理軟件組成，本次使用的HIL仿真測試系統(tǒng)軟硬件部分均來自dSPACE，從而保證系統(tǒng)兼容性好、實時性強的特點。文本通過模擬雷達回波的方法驗證集成感知與控制一體的ECU電控單元，參見圖4。

圖4 毫米波雷達仿真器示意圖Fig.4 Schematic diagram of millimeter wave radar simulator

本文所述AEB電控單元主要功能點包括AEB功能開啟條件檢測、前方目標(biāo)探測、預(yù)填充功能、液壓助力輔助、制動輔助、AEB功能抑制、緊急制動、功能降級、AEB系統(tǒng)人機交互等。

自動緊急制動系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)的架構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)工作原理主要分為車輛模型、交通場景模型運行在HIL實時系統(tǒng)中，通過HIL機柜CAN仿真板卡與被測控制器通信，殘余總線仿真車載信號，比如車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。基于ASM的整車模型架構(gòu)如圖6所示。

圖5 AEB HIL系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.5 AEB HIL system architecture

圖6 基于ASM的整車模型架構(gòu)圖Fig.6 ASM vehicle model architecture

4 AEB仿真測試驗證方法

如何有效測試驗證智能駕駛電控單元功能準(zhǔn)確性、魯棒性、功能完備性是當(dāng)前業(yè)內(nèi)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，本文提出的基于硬件在環(huán)仿真測試解決方案提供了一種迎接挑戰(zhàn)的方法，通過仿真手段提出了基于多源場景數(shù)據(jù)的測試驗證方法，實現(xiàn)對智能駕駛ECU功能測試驗證。

智能駕駛車測試驗證相對傳統(tǒng)車電控單元測試的差異性特點主要在于自動駕駛面臨著無窮限種類的交通場景，為全面對自動駕駛車輛進行功能驗證需要基于廣泛的道路里程進行測試[15]。本文結(jié)合多個項目案例從測試場景實際需求出發(fā)，梳理基于多源場景數(shù)據(jù)源的智能駕駛仿真測試驗證方法。

交通場景數(shù)據(jù)源包括標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、功能定義、自然駕駛、交通事故、項目經(jīng)驗5個，結(jié)合這5個數(shù)據(jù)源開發(fā)設(shè)計面向自動駕駛仿真測試需求的場景，場景設(shè)計路線參考圖7。

圖7 交通場景開發(fā)技術(shù)路線Fig.7 Technical route of traffic scenario development

進一步闡述本文設(shè)計場景的技術(shù)路線。首先對ADAS功能項進行分析，確認功能項后對其功能點分解，針對功能點定義功能作用域，基于作用域設(shè)計場景元素，場景元素根據(jù)重要度組合方法設(shè)計場景，設(shè)計場景時根據(jù)多源場景數(shù)據(jù)賦值，從而將設(shè)計的場景應(yīng)用至自動駕駛控制器測試驗證。基于dSPACE Motiondesk軟件開發(fā)虛擬場景，如圖8—圖11。

圖8 交通事故場景模擬示意圖Fig.8 Simulation of traffic accident scenario

圖9 自然駕駛場景模擬示意圖Fig.9 Simulation of natural driving scenario

圖10 基于C-NCAP開發(fā)AEB CCRb前車剎車仿真場景Fig.10 AEB CCRb scenario based on C-NCAP

圖11 基于C-NCAP開發(fā)AEB CCRs前車靜止仿真場景Fig.11 AEB CCRs scenario based on C-NCAP

5 AEB HIL仿真試驗

結(jié)合某車型AEB系統(tǒng)，對其進行法規(guī)試驗仿真測試，提煉C-NCAP規(guī)定的AEB場景測試要求，在虛擬仿真軟件中搭建測試場景，驗證AEB系統(tǒng)工作的有效性、準(zhǔn)確性。本次設(shè)計場景主要包括AEB CCR測試場景，其中主要包括3種試驗：CCRb，CCRm，CCRs，以不發(fā)生碰撞作為測試評價依據(jù)。本次CCR試驗場景參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 CCR場景設(shè)計Tab.1 CCR scenario design

5.1 AEB CCBb場景仿真驗證

兩車初始相對距離40 m，兩車初始車速均為50 km/h行駛，前車以4 m/s2減速，結(jié)果如圖12。

圖12 AEB CCRb法規(guī)試驗Fig.12 AEB CCRb regulation test

5.2 AEB CCBm場景仿真驗證

兩車初始相對距離150 m，本車速45 km/h行駛，前車勻速20 km/h行駛，結(jié)果顯示如圖13。

圖13 AEB CCBm法規(guī)試驗Fig.13 AEB CCBm regulation test

5.3 AEB CCBs場景仿真驗證

兩車初始相對距離150 m，本車速40 km/h行駛，前車靜止。由于前方是靜止目標(biāo)物，而本次測試毫米波雷達傳感器是不識別靜止物體的，所以本車距離前方車輛很近時，本車也沒有減速，本車直接與目標(biāo)車相撞，通過本次試驗確認了本款雷達傳感器對靜止目標(biāo)物體不起作用。

6 結(jié) 論

本文介紹了汽車電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真工作原理，基于dSPACE 軟硬件平臺搭建AEB HIL系統(tǒng)，主要考慮基于多源交通場景對自動駕駛系統(tǒng)進行仿真測試，最后通過設(shè)計C-NCAP AEB CCR場景，借助HIL仿真平臺對AEB電控系統(tǒng)測試驗證，結(jié)果表明基于硬件在環(huán)仿真平臺可有效對AEB系統(tǒng)功能進行驗證，通過量化數(shù)據(jù)分析不僅實現(xiàn)對AEB功能定性測試且支持定量分析，從而驗證AEB功能準(zhǔn)確性。本方案在實驗室環(huán)境下對ADAS控制器進行功能測試，僅通過法規(guī)場景為例對AEB系統(tǒng)功能仿真驗證說明，下一步重點工作將會利用多源場景數(shù)據(jù)驗證ADAS功能魯棒性，同時結(jié)合故障仿真等手段驗證ADAS功能完備性，最終實現(xiàn)在仿真環(huán)境下加速自動駕駛測試的目的。■