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、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前車身行駛環(huán)境的分析決策，沒有嚴格的觸發(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、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或攝像頭內(nèi)，根據(jù)環(huán)境感知結(jié)果來分析判斷，進一步做出決策。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，以毫米波雷達作為感知及決策模塊，ESC 作為主執(zhí)行器進行制動控制。各控制模塊通過CAN 現(xiàn)場總線進行信號的通訊，駕駛員可通過車機對防撞輔助系統(tǒng)進行開啟關(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，報文周期需嚴格控制在20ms 及以下。雷達接收從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。

表1 雷達發(fā)送給ESC的信號

表2 ESC發(fā)送給雷達的信號

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。當雷達感知到行車的環(huán)境符合預(yù)填充的條件時，雷達發(fā)送“預(yù)填充請求”為$1=有請求，請求ESC 進行預(yù)填充。ESC接收到信號后，建立一個約5bar（可標定）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。當雷達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。

點剎功能主要目的是提醒駕駛員接管車輛，而非進行持續(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，對輪缸制動壓力進行精準加壓，以達到雷達請求的減速度值。同時將“AEB 激活”置$1=激活進行反饋。

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，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。