城市客車低速碰撞緩解系統設計

黃文青，陳凌珊

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

研究表明，駕駛員的不當操作會導致90%以上的交通事故[1]。為了進一步提升道路交通安全狀況，減少因駕駛員誤操作而造成的交通事故，先進駕駛輔助系統（Advanced Driving Assistance System，ADAS）正得到越來越廣泛的應用[2]。ADAS 通過各類傳感器感知周圍環境信息，并在緊急工況下向駕駛員發出警示，或者主動介入車輛控制，達到提升車輛主動安全性能的目的[3]。

對于城市客車來說，具有代表性的ADAS是自動緊急制動系統（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 能夠識別車輛前方的碰撞危險，并警示駕駛員采取相應措施，必要時可自主采取制動手段減輕或者避免碰撞[4]。2014 年，歐洲新車碰撞中心（E-NCAP）將AEB 納入汽車安全等級評價體系[5]。JT/T 1094-2016《營運客車安全技術條件》也要求我國9 m 以上營運客車應裝備AEB 系統[6]。在此背景下，本文設計了一種城市客車低速碰撞緩解系統。它除了具有AEB的功能外，還有車道偏離預警的功能，能夠更好地提升客車在城市工況下的主動安全性能。

1 系統功能設計

城市客車低速碰撞緩解系統主要由傳感器、控制系統、執行器、被控對象4 部分組成，如圖1 所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 System schematic diagram

其中，控制系統主要進行有效目標和安全狀態的判斷。其主要部件為圖像傳感器、77 G Hz 毫米波雷達、傳感器融合主機、GPS 天線、陀螺儀、顯示屏以及各類連接線。該系統能夠實現前向碰撞預警、低速碰撞緩解和車道偏離預警等功能，也能夠進行總線通訊與故障診斷。

1.1 前向碰撞預警

此功能由車身前方安裝的77 GHz 毫米波雷達與擋風玻璃安裝的圖像傳感器的數據進行融合，通過算法實時監測前方障礙物的位置、距離和相對速度。當計算到前方行駛路線上有障礙物并且可能發生碰撞時，及時通過聲光報警提醒駕駛員注意。前方行駛路線上的障礙物包括目前現有的障礙物或可能移動到行駛路線上的障礙物，可能發生碰撞的依據通常是預碰撞時間與該車輛目前最大剎車距離相關的一個綜合系數，系統借助傳感器融合得出的真實目標信息與車輛監控系統采集的車輛狀態信息進行決策，輸出控制信號并及時發出聲光報警提醒駕駛員，如圖2 所示。在常規的碰撞預警系統基礎上，該系統對于橫向快速移動的障礙物具備非常強大的追蹤能力，例如電瓶車、奔跑的行人等，為駕駛員及行人提供更全面的安全保障。報警階段，視頻和必要的總線數據會被存儲在本地以及遠程服務器，以供監控和取證使用。

圖2 前向碰撞預警功能設計Fig.2 Design of forward collision warning function

1.2 低速碰撞緩解

在實現前向碰撞預警的基礎上，傳感器融合主機通過向 EBS、其他同類的 ECU（例如ESC、ABS）或者通過控制加裝的繼動閥請求減速度控制，通過發動機、變速箱、減速器、排氣制動和其他制動手段綜合控制，實現減速，以達到碰撞緩解的目的，如圖3 所示。在制動的過程中，同樣會有聲光報警提示；對于加裝方向盤震動電機的車輛，會有方向盤震動提示。制動階段，視頻和必要的總線數據記錄會被存儲在本地及遠程服務器，以供監控和取證使用。

圖3 低速碰撞緩解功能設計Fig.3 Design of low-speed collision mitigation function

1.3 車道偏離預警

此功能是由安裝在擋風玻璃上的圖像傳感器實現的。圖像傳感器實時監測行駛的前方道路，當檢測范圍內有車道線或者路緣，并且監測到車輛行駛趨勢偏離現有的車道，會發出聲光報警提示，提示駕駛員車輛即將偏離本車道，如圖4 所示。判斷發生車道偏離的依據是圖像傳感器監測前方車道線的變化，當車輪外側距離車道線的距離小于0.15 m 或者有偏離車道線的趨勢，系統將自動進行計算并及時發出聲光報警信號。

圖4 車道偏離預警功能設計Fig.4 Design of lane departure warning function

2 系統硬件架構

一般的駕駛輔助系統主要包含感知、控制和決策3 部分，所以系統的硬件架構也要充分考慮這3 部分的功能要求，如圖5 所示。

圖5 系統硬件架構Fig.5 System hardware architecture

感知部分主要是圖像傳感器、77 GHz 毫米波雷達和陀螺儀（可選裝）。其中，圖像傳感器與主機之間的通信方式為19 200 b/s的LIN通信，能夠實現識別目標類型、位置信息的功能；雷達與主機之間的通信方式為500 kb/s 的CAN 通信，能夠實現探測目標位置、速度信息的功能；陀螺儀與主機之間的通信方式為250 kb/s 的CAN 通信，能夠實現獲取車輛的角度等信息的功能。

控制部分主要是傳感器融合主機，它主要是利用一定的傳感器融合算法自動分析、綜合圖像傳感器、77 GHz 毫米波雷達等車載傳感器檢測到的目標信息，并進行信息處理從而得到真實目標信息，以便完成所需要的決策和估計。

決策部分主要是PCAN，ICAN，EBS，它們與主機之間的通信方式為250 kb/s 的CAN 通信，能夠實現獲取整車狀態的相關數據和控制EBS 執行決策的功能。

3 系統軟件架構

城市客車低速碰撞緩解系統的軟件架構自上而下依次為應用層、內核層和寄存器層，如圖6所示。

圖6 系統軟件架構Fig.6 System software architecture

應用層主要是FCW、低速碰撞緩解、LDW三個功能的應用程序，是面向用戶的。用戶可以通過MATLAB/Siumulink 搭建三部分功能的控制策略模型，然后進行報文解析，輸出警示和制動信號到執行器以完成相應操作；同時，如果對模型進行了參數關聯等配置后，還可以生成相應的嵌入式代碼和標定文件。

內核層中，BIOS 是一個可拓展的實時操作系統，提供線程、信號量、中斷等特性，連接之間的隊列和消息傳遞使用BIOS 信號量實現。進程間通信IPC 是用于處理器之間通信的軟件API，能夠提供功能、多處理器堆、多處理器鏈表（ListMP）、消息隊列和通知等。BIOS 和IPC利用的處理器應用有IPU1 C0（M4）、IPU1 C0（M4）、DSP（C66X）和EVE。BSP Drivers 是基于FVID2 接口控制和適配VIP/VPE/DSS/ISS 硬件的視頻驅動程序（如VIP 捕獲、DSS 顯示、ISS捕獲、ISS 處理、VPE 縮放等）和串行驅動程序（如I2C，SPI，UART 板特定的驅動程序和傳感器驅動程序等）。網絡協議層的軟件包有NSP，NDK，AVB。Vision LIB 是為DSP 優化的視覺算法內核；EVE LIB 是為EVE 優化的視覺算法內核，其中包括用于EVE 算法執行的框架。

該系統通過對圖像傳感器和77 GHz 毫米波雷達等載傳感器的數據結果進行處理得到目標的真實信息，然后根據各個功能的控制策略給出不同的信號到執行器完成制動操作，其主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統主程序流程圖Fig.7 System main programme flow chart

4 系統控制策略

城市客車低速碰撞緩解系統控制策略的設計主要是基于TTC 來控制預警和制動等操作的實施，同時使相關狀態信息出現在顯示屏上。

4.1 前向碰撞預警控制策略

前向碰撞預警檢測目標主要有車輛和行人兩類，預警級別分為一級和二級預警（其中，一級為低等級，二級為高等級）。在默認狀態下，顯示屏上的警示圖標不亮，也沒有聲音報警信息。

當TTC 處于預警閾值范圍內時，系統進行目標類別判斷，區分行人和車輛后進行預警（顯示屏上圖標和聲音報警）。本系統的前向碰撞預警中，預警閾值范圍為2.8 s

前向碰撞預警的控制策略如圖8 所示。其中，ICON 表示顯示屏的警示圖標狀態，VOICE 表示聲音預警的狀態，car 指車輛，pde 指行人。

圖8 FCW 控制策略Fig.8 FCW control strategy

4.2 低速碰撞緩解控制策略

運行車速方面，低速碰撞緩解在10 km/h 以下的車速下不響應預警、制動，在10 km/h 以上的車速下正常運行。在默認狀態下，前向碰撞預警不觸發，低速碰撞緩解不觸發，車輛保持原來的運動狀態不減速。

如圖9 所示，當TTC<4.4 s 時，系統進入前向碰撞預警狀態，提示駕駛員采取制動措施使車輛減速，但尚未觸發低速碰撞緩解；如果駕駛員未能及時采取相應措施使得TTC ≤3 s，則在前向碰撞預警的基礎上，系統進入低速碰撞緩解狀態，此時系統自動執行相應決策使得車輛制動減速；當車速下降使得TTC>3 s 時，系統返回上一層的預警狀態；進一步下降使得TTC>4.4 s 時，系統返回默認狀態。

圖9 低速碰撞緩解控制策略Fig.9 Low-speed collision mitigation control strategy

車載通信方面，低速碰撞緩解需要能從車內通信網絡提取所需的信息，車內通信網絡提供的信息至少包括車速信息、制動和轉向燈等。

需要說明的是，低速碰撞緩解的報警階段形式與FCW 的報警方式一致，所以在整個城市客車碰撞緩解系統中，FCW 不單獨工作，而是與低速碰撞緩解相關聯的。此外，為了保障乘客安全，制動減速度應在1～2.5 m/s2之間

4.3 車道偏離預警控制策略

當車輛沿著車道線正常行駛未發生偏離，以及圖像傳感器檢測范圍內無車道線或者路緣時，車道偏離預警不會觸發。

在LDW 打開的情況下，如果車速大于某一閾值（系統默認設為50 km/h，可修改），且圖像傳感器識別到車輛行駛方向正在偏離車道或者有偏離趨勢時，車道偏離預警觸發，顯示屏上高亮顯示報警圖標，并有聲音報警。當駕駛員接收到報警信息并采取相關措施調整車輛運行軌跡后，經1 s 延時系統回到正常狀態，如圖10 所示。左、右側車道偏離均會觸發報警。

圖10 車道偏離預警控制策略Fig.10 Lane departure warning control strategy

需要說明的是，條件1，2，3 均滿足時，車道偏離預警才會觸發，條件4 為可選項。同理，條件1、2 均滿足時，系統才能返回正常狀態。

此外，在圖像傳感器只檢測到單側車道線時，系統將自動補充另一側虛擬車道線。在光線較強、較弱的情況下，系統也會自動調節圖像的白平衡和對比度，提升強、弱光環境下的目標識別能力。

5 城市工況下系統功能測試

以某型城市客車作為試驗車輛，在城市環境中廣泛選擇車道線和交通情況不同的測試路線。測試過程中，試驗車輛按正常速度行駛，驗證系統在城市工況下正常運轉情況。

普通城市道路出現常見的實際道路情況時，記錄系統的觸發條件測試、多目標伴行測試、多目標行人測試、對向來車測試、壓線行駛測試的結果，如表1 所示。

表1 系統測試結果Tab.1 System test results

（續表）

為了測試系統的誤報率，選取5 000 km 測試距離，分析相關測試數據，誤報率見表2。

表2 系統誤報率Tab.2 System false alarm rate

5 結語

本文設計的城市客車低速碰撞緩解系統能夠輔助駕駛員控制車距，減少因注意力分散或制動不及時而導致碰撞事故，降低事故傷害和財產損失，具有良好的應用前景。針對系統的3 個主要功能，相關人員可以繼續優化或者重新設計控制策略和程序代碼，進一步降低系統的誤報率，提升整體性能。