強風模擬環境下的自動駕駛實車測試

潘新福，歐陽濤，岳承翰，徐龍，萬金鳴

強風模擬環境下的自動駕駛實車測試

潘新福1，歐陽濤1，岳承翰1，徐龍2，萬金鳴1

（1.中汽研汽車試驗場股份有限公司，江蘇 鹽城 224100；2.長安大學，陜西 西安 710064）

惡劣天氣環境對自動駕駛系統的安全性能具有較大影響。針對自動駕駛汽車在強風環境下行駛安全性的測試驗證需求，基于封閉測試場搭建了強風模擬環境，主要由橫風測試跑道、橫風風機陣列以及其他附屬設施構成；然后基于構建的強風模擬環境進行了三種車速、兩種風速工況下的自動駕駛汽車強風環境道路測試。測試結果表明，強橫風環境下自動駕駛汽車會產生行駛偏移，強風風速越高，車輛行駛偏移越大；強橫風對自動駕駛汽車激光雷達目標感知能力影響較小。

自動駕駛測試；封閉測試場；強風模擬；橫風風機；目標感知

前言

自動駕駛汽車在強風環境下的行駛安全性是自動駕駛汽車研究與測試過程中的關注重點之一。汽車在強風環境下的行駛安全性是指汽車在強風干擾下保持穩定行駛狀態的能力。通常在經過空曠的路面、跨湖跨海大橋、山間隧道的出入口時，汽車會受到強烈的橫風干擾。國外有研究表明，普通型轎車以110 km/h的速度行駛時，在橫向強風的作用下，車身上的氣動力達到了1 112 N。在如此大的側向氣動力作用下，高速行駛的汽車很容易發生側滑、橫擺、甚至側翻等失穩現象，進而影響到行車安全。相關資料統計顯示，每年因交通事故造成的直接經濟損失達10億元，而在這些交通事故中有相當一定的比例是由高速汽車受環境強風影響造成的。此外，強風環境會對自動駕駛汽車各類傳感器產生振動，有可能會對自動駕駛系統的感知能力產生消極影響。因此，研究強風環境對自動駕駛汽車行駛安全性的影響具有十分重要的意義。

目前，國內有關學者圍繞強風環境下的傳統汽車及高速列車的控制性能開展了一些研究[1-2]，但對在橫風環境下的自動駕駛汽車性能測試開展的研究與測試較為少見。高秀晶等[3]對復雜道路下自動駕駛車輛的橫向運動魯棒控制策略進行研究，通過仿真的手段說明潛在的側風等環境有可能會對自動駕駛系統產生消極影響。部分研究則聚焦于汽車環境風洞的搭建、測試系統的設計、風洞環境下的傳統汽車測試等內容[4-6]。風洞環境下開展自動駕駛安全性能測試需要將自動駕駛汽車靜止置于地面或轉鼓臺上，難以實現基于真實車輛運動特性及自然環境（天氣、光照、路面附著系數）的測試評價[7]。

針對該問題，筆者開展了基于封閉測試場的強風模擬系統構建研究，基于封閉測試場完成了真實橫風系統的構建，實現了可模擬不同風速的強風環境；并基于構建的強風模擬系統進行了強風模擬環境下的自動駕駛實車測試。

1 封閉測試場強風模擬環境構建

在封閉測試場環境下搭建橫風系統，實現封閉測試環境模擬強風系統的構建。強風模擬環境主要由橫風測試跑道、橫風風機陣列以及其他附屬設施構成，其測試段布局要求如圖1所示。具體由一條長直線跑道以及放置于跑道旁的橫風風機構成，通過橫風風機對強風環境進行直接模擬，具備試驗條件可控、試驗可重復性高、試驗結果可靠等優勢，可實現自動駕駛汽車模擬強風環境的封閉測試。橫風測試場測試跑道需滿足在橫風風機區域前至少100 m長度內跑道寬度不小于5 m；在橫風風機區域后至少100米長度內跑道寬度不小于7 m。另外，測試跑道在橫向總寬度內的坡度以及縱向任意50 m之間的坡度需滿足不大于2.5%。長直線跑道全長1.4 km，寬16 m，可滿足最高時速120 km的實車測試。

圖1 強風模擬環境設計方案

橫風風機陣列是在道路測試中進行強風環境模擬的關鍵設施。根據測試需求，橫風面長度需大于15 m；風機最大風速需達到20 m/s，相當于自然風等級中的烈風。本文構建的橫風模擬系統采用2臺風機組成橫風風機陣列，橫風面總長度超過20 m，單套風機功率300 kW，設計最大風速20 m/s，可模擬最高9級強風。

圖2 封閉測試場強風模擬環境

表1 強風模擬環境主要技術指標

序號參數名稱參數值 1車道長度/m1 400 2寬度/m>12 3車道數量4 4是否對稱布置是 5路面坡度/%<2.5 6設計最高車速/(km/h)160 1風機設計最高風速/(m/s)20 2風機數量/臺2 3出風角度/°90

強風模擬環境可對強風進行直接模擬，可進行不同車速和不同風速下自動駕駛汽車經過橫風區域后的動態響應測試。測試開始時，自動駕駛汽車以測試車速沿基準行駛線行駛，在接近橫風區時進行方向修正使得車輛維持在基準行駛線上；在進入橫風區后需保持方向盤固定，并測試從進入橫風區開始到以測試車速行駛2 s后為止這段時間內的相關數據。

2 強風模擬環境下的自動駕駛實車測試

本文選取的試驗車輛為基于奔騰T99改造的自動駕駛汽車，并進行了測試工況、測試項目的設計。

2.1 測試工況

本文進行三種車速、兩種風速工況下的自動駕駛汽車強風環境道路測試，具體測試工況如表2所示。

表2 測試工況

風速/(m/s)車速/(km/h) 1080 100 120 2080 100 120

2.2 測試項目

（1）強風環境車輛動態響應測量，測試自動駕駛汽車在試驗工況下的行駛跑偏。

（2）自動駕駛汽車感知系統功能穩定性測試，測試自動駕駛汽車車載激光雷達在試驗工況下的目標感知能力。

（3）測試過程：測試進行了6種工況下自動駕駛汽車的行駛跑偏和感知系統目標感知能力測量。試驗時車輛在跑道起始端由停止狀態開始逐漸加速，達到目標車速后通過由側風風機吹風形成的側風區；在此過程中測量車輛的行駛跑偏以及激光雷達對假人目標的感知能力。不同側風風速通過調節風機輸出功率實現。測試現場如圖3所示。

圖3 測試現場

具體測試過程為：固定風速為20 m/s，順序進行車速為80 km/h、100 km/h、120 km/h的測試；將風速調整為10 m/s，順序進行車速為80 km/h、100 km/h、120 km/h的測試。

3 測試結果

（1）強側風環境行駛跑偏試驗結果。

本文測量了各試驗工況下自動駕駛汽車通過側風區后的行駛跑偏距離，測量結果如圖4所示。

（2）感知系統目標感知能力試驗結果

本次試驗進行了自動駕駛汽車頂部激光雷達在不同強風風速下對目標假人的感知及成像測試，測試結果如圖5—圖8所示。測試結果表明：1）在不同風速、不同行駛車速下，測試車輛通過側風區后均出現明顯的行駛偏移；在當前試驗條件下，強風風速越高，車輛行駛偏移越大；同一風速下，車速越低，行駛偏移越大。2）在不同強風風速、不同行駛車速下，測試車輛搭載的激光雷達均可成功感知假人目標，在當前試驗條件下，強風環境對自動駕駛汽車激光雷達目標感知能力影響較小。因此可以認為強風環境會顯著影響自動駕駛汽車運動狀態，在設計自動駕駛系統決策控制方法時應系統考慮潛在的橫風對自動駕駛系統安全性能的影響。

圖4 各工況側向偏移距離

圖5 激光雷達成像結果：風速10 m/s，車速80 km/h

圖6 激光雷達成像結果：風速10 m/s，車速100 km/h

圖7 激光雷達成像結果：風速10 m/s，車速120 km/h

圖8 激光雷達成像結果：風速20 m/s，車速80 km/h

圖9 激光雷達成像結果：風速20 m/s，車速100 km/h

圖10 激光雷達成像結果：風速20 m/s，車速120 km/h

4 結語

自動駕駛汽車在強風環境下的行駛安全性是自動駕駛汽車研究與測試過程中的重點關注內容之一，圍繞強風環境下的自動駕駛汽車行駛安全性測試需求，本文基于封閉測試場搭建了強風模擬環境，并基于構建的強風模擬系統進行了橫風環境下的自動駕駛動態響應與感知系統穩定性實車測試。測試結果表明，強橫風環境下自動駕駛汽車會產生行駛偏移；強橫風環境對自動駕駛汽車激光雷達目標感知能力影響較小。受試驗條件所限，目前的測試工況仍較為簡單，下一步將研究建立強風模擬環境下的自動駕駛測試規程，并基于實車測試系統研究強風對不同自動化等級自動駕駛系統的影響。

[1] 田林,許金良,張瑩.橫風作用下載重汽車在復雜路段運行的安全模型[J].長安大學學報(自然科學版),2015,35(03):21-26.

[2] 李德倉,孟建軍,胥如迅,等.強風下高速列車滑膜自適應魯棒H_∞控制方法[J].鐵道學報,2018,40(07):67-73.

[3] 高秀晶,陶林君,黃紅武,等.復雜道路下自動駕駛車輛的橫向運動魯棒控制策略[J].汽車安全與節能學報,2020,11(04):454-461.

[4] 王磊,梁婷,郭瑞庭,等.汽車環境風洞試驗室的發展與應用[J].科技創新導報, 2020,17(02): 88-89+95.

[5] 周猛,付東翔.基于回歸分析法的汽車散熱試件風洞測控系統[J].電子測量技術, 2019,42(15):88-92.

[6] 袁志群,吉斯漢,谷正氣,等.某帶附加臺架汽車模型風洞試驗精度驗證[J].汽車工程,2018,40(02):156-161.

[7] 王潤民,張心睿,王由道,等.自動駕駛封閉測試場地建設技術研究與實踐[J].汽車實用技術,2020(04):33-36.

Automatic Driving Field Test under Strong Wind Simulation Environment

PAN Xinfu1, OUYANG Tao1, YUE Chenghan1, XU Long2, WAN Jinming1

( 1.CATARC Automotive Proving Ground Co., Ltd., Jiangsu Yancheng 224100;2.Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Severe weather environment has great influence on the safety performance of automatic driving system. In view of the test and verification requirements for the safety of automatic vehicle under strong wind environment, a strong wind simulation system was built in a closed test field. The strong wind simulation environment is mainly composed of cross wind test runway, cross wind fan array and other ancillary facilities. Then, under the condition of three kinds of speed and two kinds of wind speeds, the performance test of the automatic vehicle was carried out by using the strong wind simulation environment. The test results show that the driving deviation of the automatic vehicle under strong crosswind will increase. Strong cross wind has little effect on the target detection ability of automatic vehicle base on lidar.

Automatic driving test;Closed test field;Strong wind simulation;Cross fan;Target detection

A

1671-7988(2021)22-28-04

U495

A

1671-7988(2021)22-28-04

CLC NO.:U495

潘新福，高級工程師，就職于中汽研汽車試驗場股份有限公司，研究方向a：智能網聯汽車測試、汽車道路試驗。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.007