防撞輔助系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行器的需求及交互策略

蔣俊

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 防撞輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)介

防撞輔助系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)、攝像頭等感知技術(shù)實(shí)時(shí)、主動(dòng)地探測(cè)前方車輛及行人或其它障礙物的運(yùn)動(dòng)狀況，同時(shí)結(jié)合本車的行駛情況，根據(jù)車況的綜合信息對(duì)車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)做出分析和判斷，在判斷存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會(huì)采取聲音、視覺(jué)或觸覺(jué)等方式向駕駛員發(fā)出報(bào)警，提示駕駛員注意接管車輛以規(guī)避危險(xiǎn)。當(dāng)碰撞危險(xiǎn)加劇到一定程度時(shí)，判斷駕駛員仍未能做出有效地反應(yīng)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)汽車進(jìn)行自動(dòng)緊急制動(dòng)，快速減低本車的速度，避免車輛碰撞情況發(fā)生或盡最大可能地降低碰撞造成的傷害程度。

防撞輔助系統(tǒng)按照子功能可分為前碰報(bào)警、預(yù)填充、HBA 閥值調(diào)整、點(diǎn)剎報(bào)警、AEB（自動(dòng)緊急制動(dòng)）。各功能的觸發(fā)取決于感知模塊對(duì)當(dāng)前車身行駛環(huán)境的分析決策，沒(méi)有嚴(yán)格的觸發(fā)優(yōu)先級(jí)區(qū)分。

2 防撞輔助系統(tǒng)架構(gòu)

目前所有的輔助駕駛系統(tǒng)都可分為環(huán)境感知、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行三個(gè)層面，防撞輔助功能也可在這三個(gè)層面來(lái)分析系統(tǒng)架構(gòu)。環(huán)境感知主要由毫米波雷達(dá)、攝像頭或者二者融合的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，決策規(guī)劃也集成于毫米波雷達(dá)或攝像頭內(nèi)，根據(jù)環(huán)境感知結(jié)果來(lái)分析判斷，進(jìn)一步做出決策。執(zhí)行端主要包括以汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）為基礎(chǔ)的電機(jī)柱塞泵主動(dòng)建壓制動(dòng)系統(tǒng)解決方案、以汽車電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的高壓蓄能器主動(dòng)建壓制動(dòng)系統(tǒng)解決方案、以新型汽車電子助力制動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的主缸助力電機(jī)主動(dòng)建壓制動(dòng)系統(tǒng)解決方案。[從整車成本及方案成熟度考慮，中低端車型執(zhí)行器基本選用ESC 模塊。

下圖1 為某車型的防撞輔助系統(tǒng)的架構(gòu)簡(jiǎn)圖，以毫米波雷達(dá)作為感知及決策模塊，ESC 作為主執(zhí)行器進(jìn)行制動(dòng)控制。各控制模塊通過(guò)CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行信號(hào)的通訊，駕駛員可通過(guò)車機(jī)對(duì)防撞輔助系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)啟關(guān)閉設(shè)置及其它參數(shù)設(shè)置。除ESC 作為執(zhí)行器對(duì)車身進(jìn)行控制外，儀表通過(guò)文字或指示燈顯示、聲音提示等方式來(lái)提醒駕駛員。在AEB 激活的情況下，危險(xiǎn)警示燈點(diǎn)亮用以警示其它車輛。

圖1 防撞輔助系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 交互信號(hào)

3.1 雷達(dá)發(fā)送信號(hào)

3.2 ESC 發(fā)送信號(hào)

表1 和表2 中列出了防撞輔助系統(tǒng)中雷達(dá)與ESC 的主要的交互信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)報(bào)文方式周期性的發(fā)送，報(bào)文周期需嚴(yán)格控制在20ms 及以下。雷達(dá)接收從ESC 發(fā)送來(lái)的車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，如車速、制動(dòng)主缸壓力、子功能可用狀態(tài)等，結(jié)合自身感知的行駛環(huán)境做出相應(yīng)的決策請(qǐng)求。ESC 模塊在接收到雷達(dá)的預(yù)建壓請(qǐng)求、AEB 請(qǐng)求等請(qǐng)求信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，執(zhí)行后ESC 會(huì)反饋激活的信號(hào)給雷達(dá)。

表1 雷達(dá)發(fā)送給ESC的信號(hào)

表2 ESC發(fā)送給雷達(dá)的信號(hào)

4 系統(tǒng)交互策略

4.1 預(yù)填充策略

預(yù)填充是通過(guò)ESC 在輪缸內(nèi)建立一個(gè)小的輪缸壓力，以消除制動(dòng)片與制動(dòng)盤二者間間隙，從而達(dá)到制動(dòng)系統(tǒng)可以在駕駛員制動(dòng)時(shí)作出更快響應(yīng)的目的。

在ESC 無(wú)故障的情況下，會(huì)一直反饋“預(yù)填充可用”為$1=可用。當(dāng)雷達(dá)感知到行車的環(huán)境符合預(yù)填充的條件時(shí)，雷達(dá)發(fā)送“預(yù)填充請(qǐng)求”為$1=有請(qǐng)求，請(qǐng)求ESC 進(jìn)行預(yù)填充。ESC接收到信號(hào)后，建立一個(gè)約5bar（可標(biāo)定）的制動(dòng)壓力，同時(shí)反饋“預(yù)填充激活”為$1=激活表示已完成建壓，完成握手交互。

為避免ESC 長(zhǎng)期建壓，通常情況下，預(yù)填充最長(zhǎng)請(qǐng)求時(shí)長(zhǎng)為5s。超過(guò)5s 后，即便依舊有請(qǐng)求信號(hào)的情況下，ESC 將會(huì)泄壓，不再執(zhí)行。此時(shí)“預(yù)填充激活”為$0=未激活，“預(yù)填充可用”為$1=可用。同時(shí)，ESC 需判斷兩次需要判斷兩次請(qǐng)求的時(shí)間間隔，若小于20s（上一次響應(yīng)到下一次需求），則ESC 模塊不執(zhí)行第二次預(yù)填充請(qǐng)求。

4.2 HBA 閥值調(diào)整策略

HBA（液壓制動(dòng)輔助系統(tǒng)）功能是ESC本身的功能，能通過(guò)監(jiān)測(cè)制動(dòng)壓力信號(hào)，HBA 可以發(fā)覺(jué)到駕駛員進(jìn)行緊急制動(dòng)的意愿，從而自動(dòng)補(bǔ)上緊急制動(dòng)時(shí)不足的制動(dòng)力。HBA 閥值調(diào)整為防撞輔助系統(tǒng)的功能，雷達(dá)能根據(jù)探測(cè)到的緊急情況，降低HBA 觸發(fā)的閥值，使駕駛員制動(dòng)時(shí)，更容易觸發(fā)HBA 功能，達(dá)到減小制動(dòng)距離的效果。

在ESC 無(wú)故障的情況下，“ABA 可用”為$1=可用。滿足潛在碰撞危險(xiǎn)條件時(shí)，雷達(dá)會(huì)將“剎車輔助請(qǐng)求”置為$1=有請(qǐng)求，同時(shí)“剎車輔助系統(tǒng)靈敏度等級(jí)”由0 調(diào)整至響應(yīng)的等級(jí)；ESC 接收到信號(hào)后將降低觸發(fā)HBA 功能的閾值，并準(zhǔn)備好觸發(fā)HBA 功能（等待駕駛員踩制動(dòng)踏板）。

4.3 點(diǎn)剎報(bào)警策略

點(diǎn)剎報(bào)警為防撞輔助系統(tǒng)在危險(xiǎn)情形下對(duì)駕駛員提醒的一種方式，在前碰報(bào)警后駕駛員依舊未接管且車輛危險(xiǎn)程度變高或突發(fā)危險(xiǎn)的情況下，通過(guò)短促而有力的制動(dòng)來(lái)提醒駕駛員接管車輛。

在ESC無(wú)故障的情況下，“點(diǎn)剎功能可用”一直為$1=可用。當(dāng)雷達(dá)感知到車輛危險(xiǎn)情況滿足點(diǎn)剎功能觸發(fā)的條件時(shí)，“點(diǎn)剎警示請(qǐng)求”為$1=有請(qǐng)求，“點(diǎn)剎警示靈敏度等級(jí)”由等級(jí)0 調(diào)整至相應(yīng)的等級(jí)。ESC 會(huì)根據(jù)接收到的不同敏感度等級(jí)建立不同的制動(dòng)壓力。點(diǎn)剎功能觸發(fā)中，ESC 會(huì)反饋建壓激活狀態(tài)信號(hào)“點(diǎn)剎響應(yīng)激活”為$1=激活給雷達(dá)。

點(diǎn)剎功能主要目的是提醒駕駛員接管車輛，而非進(jìn)行持續(xù)制動(dòng)。所以點(diǎn)剎對(duì)ESC 有以下需求：車輛減速度在0.1g-0.3g 之間，作用時(shí)間為0.2s-0.4s，點(diǎn)剎時(shí)速度降最大不超過(guò)5km/h。

4.4 自動(dòng)緊急制動(dòng)策略

自動(dòng)緊急制動(dòng)功能是雷達(dá)感知車輛處于極其危險(xiǎn)情形且駕駛員未做出有效的接管的情況下，通過(guò)與制動(dòng)系統(tǒng)協(xié)作控制車身減速，達(dá)到避免碰撞或者減小碰撞程度的效果。

在ESC 無(wú)故障的情況下“AEB 可用”一直為$1=可用。雷達(dá)感知到行車的環(huán)境符合自動(dòng)緊急制動(dòng)觸發(fā)的條件時(shí)，“AEB 車對(duì)車請(qǐng)求狀態(tài)”為$1=有請(qǐng)求，同時(shí)通過(guò)“AEB目標(biāo)減速度值”發(fā)送計(jì)算減速度值給ESC。ESC 接收到信號(hào)后，對(duì)輪缸制動(dòng)壓力進(jìn)行精準(zhǔn)加壓，以達(dá)到雷達(dá)請(qǐng)求的減速度值。同時(shí)將“AEB 激活”置$1=激活進(jìn)行反饋。

AEB 觸發(fā)時(shí)ESC 需短時(shí)間內(nèi)建立一個(gè)比較大的制動(dòng)壓力，這對(duì)ESC 的壽命性能均有一定的影響。所以ESC 自身對(duì)其做了限制：在響應(yīng)AEB 功能時(shí)，最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間為5s；同時(shí)ESC 會(huì)判斷兩次AEB 觸發(fā)的時(shí)間間隔，若小于10s 時(shí)，ESC 不會(huì)執(zhí)行第二次的請(qǐng)求。雖然這類執(zhí)行器本身的要求制約了AEB 的功能退出或者無(wú)法激活，但ESC 依舊會(huì)發(fā)出“AEB 可用”一直為$1=可用。

5 執(zhí)行器（ESC）性能需求及測(cè)試

表3 列出了防撞輔助駕駛系統(tǒng)對(duì)ESC 的性能需求，主要集中在自動(dòng)緊急制動(dòng)部分。對(duì)于 ESC 的響應(yīng)性能，一般使用 CANoe 軟件中的 capl 編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行測(cè)試。如圖2所示，用capl 設(shè)置一個(gè)階躍的減速度來(lái)查看ESC 的響應(yīng)情況：黃色曲線代表雷達(dá)的請(qǐng)求減速度，綠色曲線代表ESC 響應(yīng)的減速度。

表3 對(duì)ESC的性能要求

圖2 ESC響應(yīng)曲線

（1）雷達(dá)在t=14.52s 時(shí)，開(kāi)始有減速度請(qǐng)求，請(qǐng)求的減速度為-4m/s。在

t=14.70s 時(shí)ESC 開(kāi)始建壓，反應(yīng)時(shí)間為 182ms，滿足需求；

（2）在t=14.92s 時(shí)，建壓滿足目標(biāo)減速度，則響應(yīng)時(shí)間為403ms，滿足需求；

（3）ESC 建壓時(shí)，超調(diào)量為-4.56m/s，超調(diào)量為14%，滿足需求；

（4）在t=15.12s 時(shí)，ESC 建壓穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng)狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)控制時(shí)間為100ms，滿足需求；

（5）進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，最大的穩(wěn)態(tài)誤差在t=17.14s，為-4.56m/s，超調(diào)精度為14%，不符合<10%的要求。

以上為階躍型的減速度測(cè)試案例，實(shí)際還有例如梯度型減速度測(cè)試案例等。通過(guò)不同測(cè)試案例的多次測(cè)試結(jié)果來(lái)綜合評(píng)定 ESC 是否符合要求。

6 結(jié)語(yǔ)

防撞輔助功能是一個(gè)系統(tǒng)工程，既取決于感知及決策模塊的正確規(guī)劃，也需要執(zhí)行端的快速響應(yīng)。目前汽車智能化正快速的推進(jìn)，隨著成本的下降及用戶對(duì)安全要求的提高，防撞輔助系統(tǒng)會(huì)逐步成為汽車的標(biāo)配。深入了解決策端與執(zhí)行端的交互策略、分析執(zhí)行器的性能，可以完善優(yōu)化目前系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題，也能為后續(xù)汽車開(kāi)發(fā)提供更安全可靠的防撞輔助功能。