防撞輔助系統(tǒng)對執(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)簡介

防撞輔助系統(tǒng)通過雷達(dá)、攝像頭等感知技術(shù)實時、主動地探測前方車輛及行人或其它障礙物的運動狀況，同時結(jié)合本車的行駛情況，根據(jù)車況的綜合信息對車輛當(dāng)前行駛狀態(tài)做出分析和判斷，在判斷存在碰撞風(fēng)險時，會采取聲音、視覺或觸覺等方式向駕駛員發(fā)出報警，提示駕駛員注意接管車輛以規(guī)避危險。當(dāng)碰撞危險加劇到一定程度時，判斷駕駛員仍未能做出有效地反應(yīng)，系統(tǒng)會通過制動系統(tǒng)對汽車進(jìn)行自動緊急制動，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警、預(yù)填充、HBA 閥值調(diào)整、點剎報警、AEB（自動緊急制動）。各功能的觸發(fā)取決于感知模塊對當(dāng)前車身行駛環(huán)境的分析決策，沒有嚴(yán)格的觸發(fā)優(yōu)先級區(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)行三個層面，防撞輔助功能也可在這三個層面來分析系統(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實現(xiàn)；對于簡單的系統(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)柱塞泵主動建壓制動系統(tǒng)解決方案、以汽車電子液壓制動系統(tǒng)為基礎(chǔ)的高壓蓄能器主動建壓制動系統(tǒng)解決方案、以新型汽車電子助力制動系統(tǒng)為基礎(chǔ)的主缸助力電機(jī)主動建壓制動系統(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)行制動控制。各控制模塊通過CAN 現(xiàn)場總線進(jìn)行信號的通訊，駕駛員可通過車機(jī)對防撞輔助系統(tǒng)進(jìn)行開啟關(guān)閉設(shè)置及其它參數(shù)設(shè)置。除ESC 作為執(zhí)行器對車身進(jìn)行控制外，儀表通過文字或指示燈顯示、聲音提示等方式來提醒駕駛員。在AEB 激活的情況下，危險警示燈點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

3.1 雷達(dá)發(fā)送信號

3.2 ESC 發(fā)送信號

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，這些信號通過報文方式周期性的發(fā)送，報文周期需嚴(yán)格控制在20ms 及以下。雷達(dá)接收從ESC 發(fā)送來的車身運動狀態(tài)信息，如車速、制動主缸壓力、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)的決策請求。ESC 模塊在接收到雷達(dá)的預(yù)建壓請求、AEB 請求等請求信號后，執(zhí)行相應(yīng)的動作，執(zhí)行后ESC 會反饋激活的信號給雷達(dá)。

表1 雷達(dá)發(fā)送給ESC的信號

表2 ESC發(fā)送給雷達(dá)的信號

4 系統(tǒng)交互策略

4.1 預(yù)填充策略

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

在ESC 無故障的情況下，會一直反饋“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，雷達(dá)發(fā)送“預(yù)填充請求”為$1=有請求，請求ESC 進(jìn)行預(yù)填充。ESC接收到信號后，建立一個約5bar（可標(biāo)定）的制動壓力，同時反饋“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 長期建壓，通常情況下，預(yù)填充最長請求時長為5s。超過5s 后，即便依舊有請求信號的情況下，ESC 將會泄壓，不再執(zhí)行。此時“預(yù)填充激活”為$0=未激活，“預(yù)填充可用”為$1=可用。同時，ESC 需判斷兩次需要判斷兩次請求的時間間隔，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)填充請求。

4.2 HBA 閥值調(diào)整策略

HBA（液壓制動輔助系統(tǒng)）功能是ESC本身的功能，能通過監(jiān)測制動壓力信號，HBA 可以發(fā)覺到駕駛員進(jìn)行緊急制動的意愿，從而自動補上緊急制動時不足的制動力。HBA 閥值調(diào)整為防撞輔助系統(tǒng)的功能，雷達(dá)能根據(jù)探測到的緊急情況，降低HBA 觸發(fā)的閥值，使駕駛員制動時，更容易觸發(fā)HBA 功能，達(dá)到減小制動距離的效果。

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

4.3 點剎報警策略

點剎報警為防撞輔助系統(tǒng)在危險情形下對駕駛員提醒的一種方式，在前碰報警后駕駛員依舊未接管且車輛危險程度變高或突發(fā)危險的情況下，通過短促而有力的制動來提醒駕駛員接管車輛。

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

點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。所以點剎對ESC 有以下需求：車輛減速度在0.1g-0.3g 之間，作用時間為0.2s-0.4s，點剎時速度降最大不超過5km/h。

4.4 自動緊急制動策略

自動緊急制動功能是雷達(dá)感知車輛處于極其危險情形且駕駛員未做出有效的接管的情況下，通過與制動系統(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)境符合自動緊急制動觸發(fā)的條件時，“AEB 車對車請求狀態(tài)”為$1=有請求，同時通過“AEB目標(biāo)減速度值”發(fā)送計算減速度值給ESC。ESC 接收到信號后，對輪缸制動壓力進(jìn)行精準(zhǔn)加壓，以達(dá)到雷達(dá)請求的減速度值。同時將“AEB 激活”置$1=激活進(jìn)行反饋。

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

5 執(zhí)行器（ESC）性能需求及測試

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

表3 對ESC的性能要求

圖2 ESC響應(yīng)曲線

（1）雷達(dá)在t=14.52s 時，開始有減速度請求，請求的減速度為-4m/s。在

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

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

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

（4）在t=15.12s 時，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試案例，實際還有例如梯度型減速度測試案例等。通過不同測試案例的多次測試結(jié)果來綜合評定 ESC 是否符合要求。

6 結(jié)語

防撞輔助功能是一個系統(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安全要求的提高，防撞輔助系統(tǒng)會逐步成為汽車的標(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)存在的一些問題，也能為后續(xù)汽車開發(fā)提供更安全可靠的防撞輔助功能。