不同光照不同偏置率碰撞場景的AEB 系統(tǒng)測試與評價

牛成勇，吳昆倫，周祥祥，蘇占領，胡 雄

（1.國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車質(zhì)量檢驗檢測中心（重慶），重慶 401329，中國；2.汽車主動安全測試技術重慶市工業(yè)和信息化重點實驗室，重慶 401329，中國；3.自動駕駛系統(tǒng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術研發(fā)與測試應用重慶市工程研究中心，重慶 401329，中國）

汽車自動緊急制動系統(tǒng)（autonomous emergency braking system, AEB）通過先進車載環(huán)境感知傳感器（單目、雙目、多目攝像頭等視覺傳感器或毫米波雷達、激光雷達等）實時監(jiān)測周圍環(huán)境及自車行駛狀態(tài)，根據(jù)算法判斷與目標之間的距離、方位及相對速度等，當系統(tǒng)探測到前方區(qū)域存在潛在碰撞危險時，及時對駕駛員進行提醒、警告并采取制動措施以避免或減輕碰撞程度[1]。根據(jù)歐盟新車評價規(guī)程(European new car assessment programme，Euro-NCAP)調(diào)查研究表明，AEB 系統(tǒng)可有效避免27%的碰撞事故[2-4]。

隨著國內(nèi)外新車評鑒協(xié)會的AEB 評價規(guī)程不斷豐富、嚴苛以及交通行業(yè)標準《營運客車安全技術條件》（JT/T 1094-2016）、《營運車輛自動緊急制動系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》（JT/T 1242-2019）和國家推薦性標準《乘用車自動緊急制動系統(tǒng)（AEBS）性能要求及試驗方法》（GB/T 39901-2021）的貫徹落實，不同傳感器方案的AEB 系統(tǒng)已廣泛應用于乘用車、營運車輛上[5]。結(jié)合實際行駛環(huán)境及相關事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，本車與前方目標以一定的偏置率行駛及天氣環(huán)境變化（如，車輛進入隧道時產(chǎn)生的“黑洞效應”所造成的感知系統(tǒng)短暫“失明”）等情況經(jīng)常出現(xiàn)，其對AEB 感知系統(tǒng)的識別及后續(xù)的系統(tǒng)控制執(zhí)行操作造成了極大的影響。然而，目前國內(nèi)外標準法規(guī)中，尚未有基于不同偏置率場景的AEB 系統(tǒng)深度測評（光照條件變化、目標物差異），只是局限于基礎場景的測試，不能有效評價系統(tǒng)的性能好壞及不同系統(tǒng)供應商產(chǎn)品的優(yōu)劣性。

鑒于此，本文基于AEB 系統(tǒng)在不同測試目標物、不同光照條件下的偏置率場景測試，分析不同偏置率場景對系統(tǒng)的預警時機、制動效能、執(zhí)行策略等要素的影響，是極具現(xiàn)實意義的，能夠為相關汽車主機廠及系統(tǒng)供應商進一步提升系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支撐與技術參考。

1 AEB 系統(tǒng)工作原理及測試評價方法

1.1 AEB 系統(tǒng)工作原理

簡而言之，AEB 系統(tǒng)首先通過車載環(huán)境感知機構(gòu)實時探測并快速獲取前方目標信息，然后根據(jù)系統(tǒng)控制策略判斷危險等級，最后通過執(zhí)行機構(gòu)施加主動制動[6]。其工作原理如圖1 其所示。

圖1 AEB 系統(tǒng)工作過程

1.1.1 AEB 系統(tǒng)環(huán)境感知傳感器及影響要素分析

目前，AEB 環(huán)境感知傳感器的解決方案主要有單目—雙目攝像頭、毫米波雷達和激光雷達。一般而言，3 種異構(gòu)傳感器各有優(yōu)缺點，往往需要通過采用多傳感器數(shù)據(jù)融合來充分發(fā)揮各傳感器優(yōu)勢以提高目標探測準確性、縮短探測及識別時間以及豐富目標識別多樣性[6]。然而，無論是單傳感器方案，還是多傳感器融合方案，在偏置率工況、光照條件變化等因素下，感知系統(tǒng)的識別穩(wěn)定性、可靠性均受到影響，甚至失效。因此，有必要對AEB 系統(tǒng)環(huán)境感知傳感器的影響要素作進一步分析。

單目—雙目攝像頭作為AEB 系統(tǒng)的環(huán)境感知機構(gòu)的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標屬性（行人、動物、車輛等）的有效識別且能獲取足夠的環(huán)境細節(jié)。然而，針對單目攝像頭而言，其無法保障對不同距離范圍內(nèi)目標的較高精度測距且需要建立豐富的、不斷更新、維護和優(yōu)化的樣本數(shù)據(jù)庫（若樣本數(shù)據(jù)庫中沒有待識別目標的全部特征數(shù)據(jù)，則單目攝像頭無法識別）以保障單目攝像頭對目標的識別[7-9]。當本車與目標存在偏置時，有可能造成單目攝像頭識別效率降低，甚至會發(fā)生因偏置引起的目標特征數(shù)據(jù)丟失而造成的識別失效；當光照條件（明暗反差、逆光等）發(fā)生變化時，單目攝像頭會短暫丟失目標，造成無法識別的后果。針對雙目攝像頭而言，其相較單目攝像頭，識別精度提高，但探測距離較近。當與前方目標存在（較大）偏置時，因其自身探測距離受限、探測視角窄的原因，會出現(xiàn)無法提供及時的預警而導致系統(tǒng)制動功能衰減；當遇到光照條件變化時，其出現(xiàn)的問題與單目攝像頭類似。

毫米波雷達具有目標探測距離遠、目標更新頻率高、環(huán)境魯棒性好（尤其是在夜間環(huán)境及不良天氣下的探測能力較好）等特點，其對目標的探測主要依靠電磁波硬件系統(tǒng)，對目標識別算法的要求較低，占用硬件資源較少[1]。但是，其目標識別能力及周圍環(huán)境信息獲取能力差，一般需融合攝像頭以支持較為復雜的交通場景且“毫米波雷達+攝像頭”信息融合方案是目前及未來一段時期內(nèi)的AEB 環(huán)境感知解決方案[10-13]。目前，由于毫米波雷達為避免對相鄰車道目標的誤觸發(fā)，通常會對本車道外一定區(qū)域內(nèi)的目標作過濾處理，即抑制功能觸發(fā)，從而導致當本車與目標有一定偏置率，尤其是偏置程度較大時，會存在一定程度的漏識別，從而導致系統(tǒng)無法啟動自動制動。

激光雷達（非單線激光雷達）具有較高的角度、距離和速度分辨率，抗有源干擾能力強且具備一定的環(huán)境魯棒性。激光測距方法大體上可分為激光飛行時間（time of fly，TOF）法和三角法。三角法測距，類似于雙目視覺測距，其在近距離下，探測精度較高，而在遠距離探測時，探測誤差會呈幾何量級增長；TOF 法是通過獲取激光的飛行時間，反推出飛行距離，其探測距離及測距精度均優(yōu)于三角法測距[14]。值得一提的是，盡管激光雷達具有探測距離遠、不受光線影響、視場角大等優(yōu)勢，因其成本高、性價比低，在配置AEB 系統(tǒng)的量產(chǎn)車上，實際應用很少。

1.1.2 AEB 系統(tǒng)控制執(zhí)行策略

AEB 系統(tǒng)控制策略主要以實現(xiàn)安全性和舒適性為目標[15]，因此，在AEB 系統(tǒng)請求制動執(zhí)行策略設定方面分為2 類：

1） 采用一級制動，即AEB 系統(tǒng)開始制動后直接達到所需的最大減速度值，以保證安全性為前提；

2） 采用二（多）級制動，即AEB 系統(tǒng)開始制動直至車輛停止過程中，AEB 系統(tǒng)提供不同減速度值的二（多）級制動，在保證安全的情況下，充分考慮舒適性的要求，使得系統(tǒng)激活后能更為舒適、平順地介入[16]。

1.2 AEB 系統(tǒng)測試評價方法

選取白天、夜間2 種光照條件、標準假車、騎自行車人模型2 種測試目標物、50%、75%、100% 3 種偏置率場景，對2 款同類型城市運動型多用途車型（sport utility vehicle，SUV）（分別匹配不同系統(tǒng)供應商的AEB 產(chǎn)品）進行綜合性能測試。

當前方目標物為標準假車時，測試場景有2 種：前車靜止（car to car stationary，CCRs），前車以20 km/h 的速度緩行（car to car moving，CCRm）；當前方目標物為騎自行車人模型時，測試場景為縱向沿道路以15 km/h 的速度騎行（car-to-bicyclist longitudinal adult，CBLA）。詳細試驗矩陣、試驗場景及關鍵測試設備如表1 和圖2 所示。

表1 AEB 系統(tǒng)測試矩陣

圖2 AEB 系統(tǒng)測試場景及關鍵測試設備

在AEB 關鍵測試設備中，轉(zhuǎn)向控制機器人能實現(xiàn)測試車輛行駛路徑的精準控制，保證測試車輛按設定的偏置率進行試驗；制動油門組合控制機器人能保證測試車輛速度的穩(wěn)定，避免傳統(tǒng)人工駕駛帶來的隨機性、重復性差的影響，保證測試結(jié)果的一致性。

1.3 測試車輛及AEB 系統(tǒng)信息

2 款同類型城市SUV（車長、軸距及最大總質(zhì)量相近）所裝備的AEB 感知技術方案相同，均采用攝像頭+毫米波雷達信息融合方案；系統(tǒng)感知傳感器安裝位置相同，處于前擋風玻璃中間位置（攝像頭）及前進氣格柵中部（毫米波雷達）。

2 AEB 測評結(jié)果與分析

2.1 前方目標車輛靜止（CCRs）測試場景

2.1.1 白間測試

根據(jù)表1 所述的測試矩陣要求，在白天天氣良好、光照度滿足試驗要求的環(huán)境下，基于3 種不同的偏置率場景（50%、75%、100%），依次進行了2 個速度點（30、50 km/h）的對比測試。

1） 不同偏置率場景對即碰時間（time to collision，TTC）的影響。采用不同系統(tǒng)供應商技術方案的測試車輛A1、A2，在不同偏置率場景下的TTC 響應數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 2 款試驗車輛的TTC 響應數(shù)據(jù)

分析可知：車輛A1 在正對場景（100%偏置率場景）中的系統(tǒng)功能觸發(fā)時機要比偏置場景早，且隨著偏置程度的增加，TTC 響應時間基本呈現(xiàn)變短的趨勢，即觸發(fā)時機愈晚。測試車輛A2 在低速場景下，偏置率對系統(tǒng)預警時機影響不大，幾乎同時觸發(fā)；而在高速測試場景下，系統(tǒng)預警早晚與偏置率的大小基本呈現(xiàn)正相關性。

因AEB 感知系統(tǒng)對偏置目標的識別難度大于對正對（100%偏置率）目標的識別，導致系統(tǒng)對偏置目標的預警響應時機偏晚。為有效避免對相鄰車道目標的誤觸發(fā)，系統(tǒng)通常會對本車道外一定區(qū)域內(nèi)的目標作過濾處理，即抑制功能觸發(fā)，從而導致系統(tǒng)對偏置目標會存在一定程度的漏識別。

2） 不同偏置率場景對系統(tǒng)制動效能的影響。2 款試驗車輛在50 km/h 測試車速點下的制動效能（主要參考參數(shù)為制動減速度）曲線數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 2 款試驗車輛的制動減速度

試驗結(jié)果表明：因目標偏置程度的增加引起預警時機（包括聲光報警、預制動點剎形式）滯后，從而導致車輛A1 和A2 的系統(tǒng)主動制動介入時機延后。為避免與前方靜止目標的碰撞，隨著目標偏置程度的增加，車輛A1 和A2 均表現(xiàn)出更大的峰值制動減速度，即制動效能更大。

3） 系統(tǒng)預警時機和制動執(zhí)行策略對其制動效能的影響。以測試車輛A1 為例，選取100%碰撞偏置率、2 個測試車速點對比分析，如圖5 所示。

圖5 100%偏置率、試驗A1 的制動減速度

結(jié)合圖3 所示數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：

a） 因測試車速的增加，系統(tǒng)根據(jù)避撞控制策略，TTC 響應時間提前，從而使得其制動執(zhí)行策略不同，即低速時，預警時間相對較晚，采用一級制動，AEB系統(tǒng)開始制動后直接達到其所需的最大減速度；高速時，系統(tǒng)預警時機提前，為兼顧舒適性，采用二級制動，AEB 系統(tǒng)開始制動直至車輛停止過程中，系統(tǒng)會根據(jù)算法實時計算車輛與前方目標的相對距離、相對速度（包括橫向速度）等信息并在某一時刻決策是否保持或降低制動減速度，整個過程能提供不同制動減速度值的二級制動。

b） 不同的系統(tǒng)制動執(zhí)行策略導致制動效能不同，即最大制動減速度及在最大制動減速度點的保壓時間不同。

綜上所述，系統(tǒng)預警時機的早晚以及制動執(zhí)行策略的差異對其制動效能產(chǎn)生影響。

2.1.2 夜間測試

本夜間測試路段的光源為兩側(cè)對稱型，光照強度在16～22 lx 范圍內(nèi)，測試車輛不開啟近光燈或遠光燈。測試車輛A1 和A2 在白天、夜間2 種場景下的TTC響應對比數(shù)據(jù)如圖6 所示。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

圖6 2 款試驗車輛的TTC 響應數(shù)據(jù)

1) 與白天測試環(huán)境相比，夜晚場景下，不同偏置率場景對AEB 系統(tǒng)的預警時機的影響程度明顯增加，尤其是高速場景，即由于光照條件對感知系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)TTC 響應時間因不同偏置率場景而產(chǎn)生明顯的差異。

2) 在高速、夜間測試場景下，因攝像頭目標感知識別難度增加以及探測距離受限，導致系統(tǒng)預警時機明顯變晚，尤其是目標偏置程度較大的測試工況。

通過實測車輛A1 和A2 發(fā)現(xiàn)，在夜晚、低速場景下，系統(tǒng)均能避免碰撞。在白天、夜間2 種場景下，2 車制動停止后與目標距離參數(shù)如圖7 所示。在夜晚、高速場景下，由于系統(tǒng)預警時機較晚，在不同偏置率場景下存在與前方目標物發(fā)生碰撞的情況以及因光照條件、偏置率場景引起感知傳感器的漏識別，甚至出現(xiàn)誤觸發(fā)。

圖7 低速場景下試驗車輛制動停止后與目標距離

2.2 前方目標車輛緩行（CCRm）測試場景

按照前述測試矩陣要求，在CCRm 測試場景下，試驗車輛A1 和A2 分別在白天/夜間、3 種偏置率場景、4 個速度點下進行AEB觸發(fā)預警時刻TTC的對比測試，如圖8 所示。

圖8 2 款試驗車輛的TTC 響應數(shù)據(jù)

以試驗車輛A1 為例，選取50%和100% 2 種偏置率場景，其在65 km/h 測試速度點下的制動效能（制動減速度）數(shù)據(jù)如圖9 所示。

圖9 試驗車輛A1 在65 km/h 速度點下的制動減速度數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)分析可知:

a) 在同一光線條件（白天、夜間）、低速測試場景下，不同偏置率場景對系統(tǒng)預警時機影響不大，但影響程度隨車速的增加而變大，且夜晚條件下的TTC 明顯小于白天測試環(huán)境；

b) 隨著測試車速的提高，系統(tǒng)預警TTC 隨之增大；

c) 由于不同偏置率帶來的系統(tǒng)TTC 預警時機的差異，加之白天/夜間光線條件使差異程度進一步放大，為避免與前方目標車輛發(fā)生碰撞，隨著偏置程度的增加，其制動效能隨之增大。

2.3 前方自行車縱向騎行（CBLA）測試場景

因自行車目標移動速度較快且騎行路徑隨機性大，與行人目標相比，其識別難度較大。在自行車橫穿道路時進入攝像頭視野較晚，加之毫米波雷達對橫向運動目標不敏感，其會對感知傳感器的識別造成影響；在縱向騎行時，其尾部輪廓特征（即尾部目標輪廓的高、寬、高寬比、面積等典型輪廓特征）不明顯且雷達截面積（radar cross setion）較機動車目標尾部低，很容易出現(xiàn)攝像頭或毫米波雷達的漏識別情況。因此，對AEB系統(tǒng)進行自行車場景的測試可較為充分、嚴苛地考察其對不同目標的識別能力。

本場景中，自行車目標物以15 km/h 的速度縱向騎行，測試車輛以50 km/h 的速度，按照3 種偏置率、2 種光照條件進行追尾測試。測試車輛A1 和A2 的AEB 系統(tǒng)功能表現(xiàn)分別如圖10 所示。

圖10 2 款試驗車輛的TTC 響應數(shù)據(jù)

通過實測發(fā)現(xiàn)：

1） 與白天場景相比，在夜間場景下，試驗車輛A1和A2 的AEB 系統(tǒng)預警時刻均較晚且因自行車尾部輪廓屬性導致系統(tǒng)感知傳感器存在漏識別情況，尤其是在夜間場景；

2） 由于試驗車輛A1 所匹配的AEB 系統(tǒng)預警時機普遍較晚，導致其制動執(zhí)行策略表現(xiàn)為一級制動，通過剎停的方式避免與前方自行車的碰撞。而試驗車輛A2 在預警TTC 相對寬裕的情況下，通過二級制動方式減速至15 km/h 以下，以跟隨的形式避免碰撞。

3 結(jié) 論

本文通過分析2 款同類型乘用車匹配的不同供應商的AEB 系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

系統(tǒng)的制動效能與即碰時間（TTC）及系統(tǒng)制動執(zhí)行策略具有關聯(lián)性；

不同偏置率碰撞場景會對系統(tǒng)的預警時機及制動效能產(chǎn)生較大影響；

影響程度因光線條件（白天、夜晚）的不同而存在明顯差異性。

同時，本研究優(yōu)化并豐富了AEB 系統(tǒng)的評價指標，增加了諸如系統(tǒng)預警TTC（碰撞時間）、制動減速度（制動效能）、與目標避免碰撞時的剎停距離、制動策略等評價參數(shù)，使評價更全面、具體。