乘用車AEB系統的執行器需求及策略研究

張翼，徐陶祎，孫琦

乘用車AEB系統的執行器需求及策略研究

張翼1，徐陶祎1，孫琦2

( 1.武漢城市學院 機電工程學部，湖北 武漢 430077；2.東風汽車集團有限公司技術中心，湖北 武漢 430056）

為促進自動緊急制動系統（AEB）向著更安全可靠方向發展，作為AEB系統的執行器技術更應受到重視。研究從AEB系統概述出發，闡述了AEB系統的工作過程、測試場景，并以東風風神某款暢銷乘用車型的AEB系統架構著眼，落腳于對執行器的需求和策略研究，重點分析了系統中執行器電子穩定系統（ESC）的執行主動制動功能的信號需求、響應需求，并詳細說明了執行器響應主動制動功能的策略。最后以該車型實車場地測試數據為例，對執行器的需求和策略進行驗證說明。

自動緊急制動系統；電子穩定系統；輔助自動駕駛

前言

自動駕駛，作為智能駕駛的終極形態，涉及領域廣，復雜度高，是業界研究的重點。雖然時至今日，自動駕駛系統還存在各種缺陷，離真正的商業化應用還有距離，但輔助自動駕駛功能已逐步標配在中低端車型中，其中自動緊急制動系統（Autonomous Emergency Braking, AEB）就是其中之一的功能。對于AEB系統的研究，行業多從傳感器感知、信息融合、試驗測試等方向進行，但對AEB系統的執行層需求及策略卻鮮有問津，本文正是從此點出發，深入分析了AEB系統對執行器的需求，以及執行層的響應策略，并通過實車測試數據進行了驗證與分析。

1 AEB系統概況

自動緊急制動系統（AEB）主要通過自動制動來避免或減輕碰撞給行人等道路交通系統中的弱勢群體帶來的傷害[1]。AEB系統通過環境傳感器（車載雷達或車載攝像頭）檢測自車前方目標，當檢測到前車減速、停止或存在其他障礙物時，系統通過計算判定當前條件下自車的運行狀態，當系統計算的碰撞危險程度達到臨界報警點時，表明存在與前方目標碰撞的可能性，系統首先會通過聲音、圖像等方式向駕駛員發出預警，提醒駕駛員執行避撞操作，同時預先填充制動油壓，用以在有制動需要時獲得更快更高的制動水平；如果駕駛員對預警沒有做出正確反應時，系統會進行部分制動，同時通過輕微車輛制動點剎振動動作方式向駕駛員發出警告；當系統計算的碰撞危險程度達到臨界制動點時，表明與前方目標碰撞幾乎無法避免，系統會進行自動全力制動來緩解碰撞。圖1是自動緊急制動系統的工作過程圖。

圖1 自動緊急制動系統工作過程圖

在法規層面上，我國已制訂了《乘用車自動緊急制動系統（AEBS）技術要求及試驗方法》。2018版C-NCAP中首次增加了車輛AEB系統的試驗和評價方法，2021版C-NCAP中更完善了AEB測試要求。較2018版，2021版中增加了對于如下兩種類型目標的AEB場景：其一，對于易受傷行人的場景增多，并且對測試時的光線也有要求；其二，對于國內日益增多的共享單車和外賣電動車的二輪車場景和評價方法進行了要求。表1是2021版C-NCAP的AEB場景描述。

表1 2021版C-NCAP的AEB場景描述[2]

C-NACP2021版場景場景描述 目標物本車碰撞位置測試功能 AEB車對車CCRs前車靜止20 km/h～80 km/h直行?50%、100%、50%AEB、FCW AEB車對車CCRm20 km/h直行30 km/h～80 km/h直行?50%、100%、50%AEB、FCW AEB行人CPNA白天5 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行75%、25%AEB AEB行人CPFA白天6.5 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行50%、25%AEB AEB行人CPFA夜晚6.5 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行25%AEB AEB行人CPLA白天5 km/h前方直行20 km/h～80 km/h直行50%、25%AEB、FCW AEB行人CPLA夜晚5 km/h前方直行20 km/h～80 km/h直行50%、25%AEB、FCW AEB二輪車CBNA自行車15 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行50%AEB AEB二輪車CBFA踏板式摩托車20 km/h穿行30 km/h～60 km/h直行50%AEB AEB二輪車CBLA自行車15 km/h直行20 km/h～80 km/h直行50%、25%AEB、FCW

隨著科學技術的發展與產品成本的降低，現在不僅是高端乘用車，越來越多的中低端乘用車中也裝配了AEB系統。同時伴隨消費者對汽車安全意識的不斷重視，會有越來越多的消費者購買配置AEB功能的乘用車。相信將來AEB系統會成為各車型的標準配置，AEB系統的識別場景會更豐富，執行響應會更快捷，質量品質會更有保障。

2 AEB系統架構

AEB系統分為行駛環境感知、車輛安全決策和主動控制執行三部分。在現階段技術中行駛環境感知、車輛安全決策往往都集成一體，通過毫米波雷達、激光雷達或攝像頭實現，特別是對于場景識別率要求更高的AEB系統，常通過雷達與攝像頭融合的方式進行環境感知。對于主動控制執行部分，由于目前的技術成熟度和產品成本的壓力，絕大多數中低端乘用車中仍采用電子穩定系統（Electronic Stability Control- ler, ESC）作為主動制動的執行器。

本文所研究的AEB系統基于東風風神某款熱銷車型，其AEB系統整體架構如圖2所示。

圖2 AEB系統架構圖

毫米波雷達與攝像頭獲得環境感知數據，二者之間通過高速CAN（Controller Area Network，控制器局域網）進行數據融合。毫米波雷達作為AEB系統的控制核心，分析融合感知數據，識別碰撞風險，向車輛儀表發送顯示或報警信息，同時與執行主動制動的ESC保持實時通信，決策主動制動的時機與制動強度要求。ESC作為執行器，一邊實時向毫米波雷達發送車輛信息，一邊在得到主動制動請求時快速響應制動，避免碰撞風險；在主動制動時，ESC還需控制車輛制動尾燈點亮，用以提示后方車輛注意。車輛儀表上不僅顯示AEB系統信息及報警，駕駛員還可以通過儀表中菜單選擇設置，關閉或開啟AEB功能。

3 AEB系統的執行器需求

3.1 信號需求

從AEB系統架構分析中可以看出，通過自動制動來避免碰撞的關鍵在于決策層AEB雷達與執行層ESC之間的協作。實車上，AEB雷達與ESC之間的通信是500 kpb速率的CAN網絡通信，二者間的交互信號可見表2、表3。

從表2、表3中可以看出AEB雷達與執行器ESC之間有著大量的信號交互。一方面，AEB雷達接收了ESC發出的車速、輪速、制動油壓、制動狀態、車輛縱向加速度、車輛橫擺角速度等信號，用于對車輛當前狀態進行識別，以便更好地結合環境數據進行對車輛的自動制動命令的決策；另一方面，根據AEB雷達判斷的碰撞可能性程度，AEB雷達向ESC發送AEB狀態、減速度請求、制動點剎請求、預建壓請求信號，命令ESC執行對應主動制動動作。ESC作為執行器，響應AEB雷達的制動請求，精準主動制動。

表2 AEB雷達發送給執行器的信號表

序號信號名稱信號英文縮寫信號定義 1減速度請求DECELERATION_SETPOINT最大值：?10.65 m/s2 最小值：2 m/s2 2請求制動類型MDD_DECELERATION_TYPE0：無制動1：ACC制動2：高速AEB制動3：低速AEB制動 3AEB狀態AEB_STATUS0：無效狀態1：初始狀態2：保留3：禁止狀態4：保留5：等待狀態6：激活狀態7：故障狀態 4制動點剎請求HAPTIC_ALARM0：無制動點剎請求1：有制動點剎請求 5預建壓請求PREFILL_REQUEST0：無預建壓請求1：有預建壓請求

表3 AEB雷達需求執行器的信號表

序號信號名稱信號英文縮寫信號定義 1響應AEB狀態FA_ETAT_DECEL0：禁用狀態1：等待狀態2：激活狀態3：故障狀態 2車輛靜止狀態ARRET_VHL_ADAS0：車輛運動1：ACC功能下的車輛靜止2：AEB功能下的車輛靜止3：保留 3車輛縱向加速度ACCEL_LONGI_CALIB最大值：40.96 m/s2 最小值：? 40.96 m/s2 4車輛橫向加速度ACCEL_LAT最大值：15 m/s2 最小值：?15 m/s2 5車輛橫擺角速度YAWRATE_RAW最大值：163.68 degree/s 最小值：?163.84 degree/s 6車輛車速VITESSE_VEHICULE_ROUES最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 7沒有濾波的左前輪速信號VITESSE_ROUE_AVG_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 8沒有濾波的右前輪速信號VITESSE_ROUE_AVD_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 9沒有濾波的左后輪速信號VITESSE_ROUE_ARG_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 10沒有濾波的右后輪速信號VITESSE_ROUE_ARD_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 11車輛行駛方向SENS_ROULAGE00：無定義01：前進方向10：后退方向11：無效值 12車速有效標識VVH_INDISP00：無效值01：車速有效10：車速無效11：無效值 13主缸壓力PRESSION_MAITRE_CYL最大值：354.4 bar 最小值：?55 bar 14制動狀態FREINAGE_EN_COURS00：無制動01：駕駛員踩制動踏板產生的制動10：ESC功能產生的制動11：響應其他控制器要求產生的制動 15制動踏板有效標識CONTACT_FREIN3_HS0：制動踏板狀態有效1：制動踏板狀態無效

3.2 響應需求

AEB雷達系統不僅對執行器ESC有交互信號需求，ESC的響應快慢也決定了AEB系統的靈敏度與反應度。AEB系統對執行器的響應需求如表4所示。

4 AEB系統的執行器策略

從AEB系統的工作過程可以知道，執行AEB動作的制動壓力預建壓、制動點剎振動動作、全力主動制動都需要執行器ESC的工作，ESC起到了舉足輕重的作用。本章節從ESC的角度出發，著重分析ESC響應AEB功能狀態的條件，及ESC在AEB系統工作過程的三個階段中與AEB雷達的交互策略。

4.1 ESC響應AEB功能狀態條件

ESC發送給AEB雷達的信號中，響應AEB狀態（FA_ ETAT_DECEL）信號是實時表現ESC可以響應AEB系統指令的關鍵信號，且AEB雷達首先就是根據該信號，決定整個系統功能是否正常。響應AEB狀態信號有4個狀態標識：“0：禁用狀態”“1：等待狀態”“2：激活狀態”“3：故障狀態”。“0：禁用狀態”表示由于車輛整體狀態不滿足ESC響應AEB減速度請求，從而ESC禁用響應AEB減速的功能；“1：等待狀態”表示ESC具備響應AEB減速度請求功能，時刻等待AEB雷達發送的減速度響應信息；“2：激活狀態”表示ESC正在響應AEB減速度請求，執行主動制動；“3：故障狀態”表示ESC由于自身原因產生故障，無法響應AEB減速度請求。這4個狀態的詳細觸發條件如下：

表4 AEB系統對執行器的響應需求

序號響應需求描述 1預建壓噪音：無明顯噪音 2預建壓減速度：由于預建壓導致車輛減速值發生變化的范圍應該在 0.05 m/s2至 0.3 m/s2之間 3ESC對預建壓響應時間：剎車系統應該從收到雷達預建壓請求150 ms內完成預建壓動作 4ESC響應AEB減速度超調量不超過30% 5ESC響應AEB減速度超調時間不應該超過500 ms 6ESC響應AEB減速度穩態誤差不超過10% 7ESC收到AEB請求結束信號，應該在100 ms內開始釋放剎車（40 ms對行人工況下） 8剎停距離穩定，速度降達到30 kph 9車輛剎停后ESC使車輛保持停止時間應為3 s 10ESC從AEB請求發出到開始剎車的延遲時間應該小于60 ms 11有預建壓下，0.7g的減速度請求，響應時間≤600 ms 無預建壓下，0.7g的減速度請求，響應時間≤700 ms有預建壓下，0.9g的減速度請求，響應時間≤690 ms 無預建壓下，0.9g的減速度請求，響應時間≤790 ms 12車輛保持靜止時，剎車系統應該保持不管在哪種傾斜路面下都不發生位移

（1）禁用狀態。

如果車輛在倒車，或車輛是override狀態，那么ESC發送的響應AEB狀態信號為“0：禁用狀態”。

車輛的override狀態是指在主動制動過程中，駕駛員通過一定程度的踩油門踏板，從而暫停車輛主動制動，由駕駛員接管車輛的狀態。

（2）等待狀態。

當車輛制動系統正常；且ESC自身功能正常；且AEB雷達發送給ESC的減速度請求為0 m/s2，即DECELERAT- ION_SETPOINT=0 m/s2；且AEB雷達發送的請求制動類型為無制動請求，即MDD_ DECELERATION_TYPE=0；且AEB雷達發送的AEB狀態為等待狀態或激活狀態，即AEB_ STATUS=5或6；那么，ESC發送的響應AEB狀態信號為“1：等待狀態”。

（3）激活狀態。

當ESC收到AEB雷達發送給ESC的減速度請求，其值在小于0的正常范圍內，即DECELERATION_SETPOINT =[-10.6,0) m/s2；且AEB雷達發送的請求制動類型為AEB制動請求，即MDD_DECELERATION_TYPE=2或3；且AEB雷達發送的AEB狀態為等待狀態或激活狀態，即AEB_ STATUS=5或6；那么，ESC發送的響應AEB狀態信號為“2：激活狀態”。

（4）故障狀態。

當ESC檢測到自身系統存在故障時，如輪速傳感器信號異常、制動踏板信號異常、CAN通訊故障等，ESC會實現功能降級，無法支持AEB的減速度響應，則ESC發送的響應AEB狀態信號為“3：故障狀態”。

4.2 ESC預建壓策略

在有碰撞危險、AEB系統工作的第一階段，除了通過儀表給予駕駛員聲光報警外，同時執行器ESC還會預先填充制動油壓。AEB雷達與ESC實現預建壓的交互策略如下：

ESC自身響應AEB狀態信號為等待狀態或激活狀態，即FA_ETAT_DECEL=1或2；并且ESC收到AEB雷達發出的預建壓請求信號，即PREFILL_REQUEST=1；這兩個條件同時滿足時，ESC開始執行預建壓動作，主動向制動輪缸中施加少許制動油壓，一般為1.0 bar～2.5 bar，減少制動盤與摩擦片間的距離，以在有主制動需要時獲得更快更高的制動水平。

由于預建壓過程是一個很短暫的過程，若AEB雷達發出的預建壓請求信號持續時間超出一定時長，默認為6 s，則此時ESC會判斷AEB雷達信號發送錯誤，會將自身AEB狀態信號跳轉為禁用狀態，即FA_ETAT_DECEL=0，以提示AEB系統出現問題。

4.3 ESC制動點剎振動策略

在AEB系統工作的第二階段，通過制動系統在執行全力制動前通過短促的制動點剎振動對駕駛員以警告。在這期間會產生一定的制動力，并且需要點亮車尾制動燈。AEB雷達與ESC實現制動點剎振動的交互策略如下：

ESC收到AEB雷達發出的制動點剎請求信號，即HAPTIC_ALARM=1；此次AEB雷達發出的制動點剎請求較前一次請求的時間間隔大于1 s；ESC自身響應AEB狀態信號為等待狀態，即FA_ETAT_DECEL=1；AEB雷達發送的AEB狀態為激活狀態，即AEB_STATUS=6；駕駛員沒有踩制動踏板；ESC無其他自身功能（如ABS、TCS、AYC等）工作；車速≥0 km/h；車輛橫向加速度≤3 m/s2；以上條件全部滿足時，ESC執行制動點剎振動動作。需要注意，在實際中往往由于預防碰撞的情況很緊急，時間不足以執行本階段動作，會直接到達第三階段。

ESC沒有收到AEB雷達發出的制動點剎請求信號，即HAPTIC_ALARM=0；ESC自身響應AEB狀態信號不為等待狀態，即FA_ETAT_DECEL≠1；AEB雷達發送的AEB狀態不為激活狀態，即AEB_STATUS≠6；駕駛員踩制動踏板；ESC其他自身功能（如ABS、TCS、AYC等）正在工作；車速＜0 km/h；車輛橫向加速度＞3 m/s2；制動點剎振動動作持續超過1 s；以上條件任意滿足其中一條時，ESC退出執行制動點剎振動動作。

4.4 ESC全力主動制動策略

在AEB系統工作的第三階段，就是實現全力緊急制動，ESC根據AEB提供的減速度請求迅速建壓產生響應的減速度，直至車輛減速到靜止后的保壓過程或駕駛員接管。AEB雷達與ESC實現全力主動制動的交互策略如下：

ESC收到AEB雷達發送給ESC的減速度請求，且其值在?10.6 m/s2～0 m/s2范圍內，即DECELERATION_SETPO- INT=[?10.6,0) m/s2；ESC收到AEB雷達發送的請求制動類型為AEB制動請求，即MDD_DECELERATION_TYPE=2或3；ESC收到AEB雷達發送的AEB狀態為等待狀態或激活狀態，即AEB_STATUS=5或6；以上條件全部同時滿足時，ESC實現全力緊急制動。

在上面全力緊急制動條件中，若AEB雷達發送給ESC的減速度請求，且其值為?10.65 m/s2時，說明情況特別危急，此時ESC會使用最大的制動能力進行緊急制動。

5 實車測試

AEB系統的實車測試可分為封閉場景測試和公共道路測試，封閉場景測試一般是以C-NCAP的測試場景為標準進行，而公共道路測試一般選取典型的高速、城市、鄉村道路，車輛行駛累加里程30～60萬公里的AEB系統可靠耐久測試。本文以東風風神某暢銷車型封閉場景中的30 km/h碰撞靜態車輛為例，測試數據如圖3，使用CANoe軟件分析實車測試數據，驗證AEB系統的執行器策略。

圖3 實車測試數據

圖3曲線從上到下信號依次為：車速、踩制動踏板狀態、油門踏板位置、AEB系統減速度請求、AEB狀態、AEB請求制動類型、預建壓請求、ESC響應AEB狀態、車輛縱向加速度、車輛靜止狀態、車輛橫向加速度、車輛橫擺角速度、車輛行駛方向、車速有效標識、制動狀態、制動踏板有效標識。在=538.8 s時刻，實車車速為28.04 km/h，駕駛員沒有踩制動踏板和油門踏板，AEB系統識別到碰撞危險，需要ESC執行全力制動動作（在此之前AEB雷達已發送了預建壓請求）：AEB雷達發出?8 m/s2的減速度請求、AEB狀態“6：激活狀態”、AEB請求制動類型“3：低速制動請求”，ESC此刻響應AEB狀態分為“1：等待狀態”。ESC迅速根據車輛當前及自身狀態判斷響應AEB制動請求條件，條件滿足，及時執行AEB系統減速度請求。ESC進行主動制動在=538.86 s～540.38 s時間段，約1.52 s，完成主動制動車輛停止后，ESC還有3 s的保壓動作。

將上例實車測試數據中的AEB系統減速度請求、車輛縱向加速度、ESC響應AEB狀態信號單獨繪制同坐標系曲線（如圖4所示），用以分析實車中執行器ESC的響應特性。

圖4 實車測試數據

=538.8 s時刻AEB雷達發出?8 m/s2的減速度請求，在=539.32 s時刻車輛縱向加速度達到?8 m/s2，可見響應時間為520 ms。ESC執行主動制動時，在=539.48 s時刻車輛最大縱向加速度達到?9.02 m/s2，則減速度超調為12.75%，超調時間160 ms。在隨后580 ms時間內車輛剎停，由于緊急制動剎停時車輛有一個前傾動作，所以數據可見車輛縱向加速度達到正值1.46 m/s2。最后車輛剎停，避免碰撞發生。

6 結論

對于乘用車AEB系統的執行器需求和策略的研究，不僅是對執行層深入的理解，也為更安全、更可靠的AEB系統提供保障，并且伴隨著自動駕駛技術研究逐步深入，自動駕駛應用逐步擴大，作為自動駕駛執行器之一的電子制動系統必將越來越受到重視，必然是今后研究的重點與難點。

[1] 陳強.通過真實交通事故數據驗證AEB行人系統的有效性[J].質量與認證,2018(4):78-80.

[2] 中國汽車技術研究中心有限公司.C-CNAP管理規則(2021版)附錄C主動安全ADAS系統試驗方法[R].天津:中國汽車技術研究中心有限公司,2020.

Research the Actuator Requirement and Strategy of Passenger Vehicle AEB System

ZHANG Yi1, XU Taoyi1, SUN Qi2

( 1.Wuhan City College, Mechanical and Electrical Engineering Department, Hubei Wuhan 430077;2.Dongfeng Motor Group Co., Ltd., Technology Centre, Hubei Wuhan 430056 )

In order to promote the development of Autonomous Emergency Braking (AEB) system safer and more efficient, as the actuator of AEB system, it should be more and more paid attention to. Starting from the overview of AEB system, this research expounds the working process and test scenarios of AEB system. Based on the architecture of AEB system in one of DFM AEOLUS passenger vehicles, the research focuses on the requirements and strategies of the actuator. The signals requirement and response requirement of the active braking function in the actuator electronic stability system (ESC) are analyzed, and the strategy of actuator response to active braking function is described in detail. Finally, taking the field test data of the vehicle as an example, the requirements and strategies of the actuator are verified.

Autonomous emergency braking; Electronic stability controller; Assistance autonomous driving

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.017

U463.5

A

1671-7988(2021)21-70-06

U463.5

A

1671-7988(2021)21-70-06

張翼，碩士，高級工程師，就職于武漢城市學院機電工程學部，研究方向：汽車電子電控、電子設計與自動化控制。

湖北省教育廳科學技術研究項目：B2020334；武漢城市學院院級科學研究項目：2021CYYBKY004。