電動觀光車的自動緊急制動系統設計

蘇玉淋，吳斌，劉 杰，徐成麗

（柳州五菱新能源汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

AEB（Autonomous Emergency Braking）系統是復雜道路交通環境中行駛的基礎安全模塊。它的工作原理是通過傳感器檢測危險目標信息，給駕駛員預警提示、輔助或自動制動達到避免碰撞、減輕乘車人碰撞損傷等效果[1]。在車速小于50 km/h 時，裝配有AEB系統的車輛可以減少38%的車輛追尾事故[2]。當今，開發AEB 系統的整車和零部件廠商越來越多，但不同車型差異較大。開發適合觀光車的AEB 系統，制定合適的控制策略，對增加車輛主動安全性有重要的意義。

1 電動觀光車AEB 系統整體方案

AEB 系統主要由傳感器、控制器、線控執行系統三部分組成。通過CAN 總線組成的網絡實時獲取毫米波雷達和前視相機的數據[3]，完成障礙物的檢測，并進行前碰撞危險狀況檢測，然后結合主動剎車控制策略控制剎車執行機構，完成預警和自動緊急剎車功能，系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統整體框圖

1.1 AEB 控制器功能

根據AEB 系統總體方案，定義了AEB 控制器的功能，詳見表1。

表1 功能特征清單

1.1.1 目標識別跟蹤功能模塊

AEB 控制器傳感器數據采集模塊通過CAN 總線接收Radar 和F-Camera 數據。數據包含Radar 和FCamera 狀態報文、距離信息報文、相對速度報文、告警信息報文。系統根據當前車輛的車速、橫擺角速度、轉向角等信息由目標跟蹤算法模塊計算出當前路徑下最接近本車的目標障礙物（CIPV）的距離、相對速度等數據。AEB 控制器將接收到的數據封裝到結構體中，經過濾波算法后作為計算預碰撞時間（TTC）[4]的參數。

1.1.2 車身數據解析功能模塊

AEB 控制器車身數據采集模塊通過CAN 總線從車身CAN 網絡中讀取車速、橫擺角速率（或方向盤轉角）、輪缸壓力值以及油門狀態、剎車狀態等信息。這些信息封裝到數據結構體中，作為狀態判定條件或參與目標跟蹤算法和預碰撞時間的計算。

1.1.3 控制策略功能模塊

該模塊對AEB 的狀態切換機制進行管理，根據實時傳感器數據和車身信息，判斷當前行車環境及駕駛員操作是否允許激活AEB 系統。同時，在AEB 啟動過程中，也需要實時根據以上這些車身狀態信息判斷是否需要退出主動剎車，執行更高級別的剎車動作如車身穩定制動。如果剎車啟動，控制決策模塊將計算出合適的剎車減速度，并在CAN 總線上請求剎車。

1.1.4 執行控制功能模塊

該模塊通過CAN 總線與底盤CAN 通信，將由控制決策模塊計算的剎車減速度與減速請求發送給ESC 線性剎車機構，控制動力系統降扭，控制執行機構執行剎車。該模塊請求剎車指令的總時間與周期應按實際車型測試進行標定。

1.2 AEB 控制器技術指標

根據AEB 系統總體方案，定義了AEB 控制器的基本性能參數（表2）。

表2 AEB 系統性能指標

2 AEB 系統功能設計及策略

在觀光車行駛過程中，前視攝像頭和毫米波雷達是其進行目標感知的主要元件，是保證系統工作的中要求前提。然而實際行車環境復雜，兩者的融合目標跟蹤算法能提高目標數據的有效性。電動觀光車的ESC 控制器在接收到感知器件發來的有效目標和獲取到精準的自車狀態信息后，通過AEB 控制器進行處理，根據處理結果決定減速。根據AEB 系統的整體方案，結合整車的接口，分別對AEB 系統的硬件和軟件進行了設計。

2.1 硬件設計

AEB 控制器對外接口包含3 路CAN 節點：CAN0為底盤信號輸入（車速、橫擺角速度、輪速、檔位、EPS、油門等）及控制指令輸出CAN（EHB/IBS）；CAN2為毫米波雷達和前視相機數據輸入輸出CAN；CAN3為人機交互數據輸入輸出。系統的硬件連接框圖如圖2 所示。

圖2 硬件設計框圖

2.2 目標識別跟蹤功能模塊設計

AEB 控制器目標跟蹤功能模塊通過CAN2 接收數據，CAN2 波特率為500kbit/s。數據包含毫米波雷達和前視攝像頭狀態報文、距離、相對車速、橫向車速等。根據目標數據和當前本車車速、橫擺角速度等運動狀態，融合目標識別跟蹤算法將計算出本車行駛路徑中的最接近目標，并提取CIPV（closest in-path vehicle）距離信息報文、CIPV 相對速度報文、CIPV 相對角度。AEB 控制器將接收到的CIPV 數據封裝到結構體中，經過濾波算法后作為計算TTC 的參數。CAN2 輸入信號流圖如圖3 所示。

圖3 目標跟蹤模塊信號流圖

2.3 車輛信息采集功能設計

AEB 控制器車身數據采集模塊通過CAN0 從底盤CAN 網絡中讀取車速、橫擺角速率、輪缸壓力值以及油門狀態、剎車狀態等信息，波特率為250kbit/s。將這些信息封裝到數據結構體中，在剎車控制策略中作為狀態判定條件或參與TTC 的計算。輸入信號流圖如圖4 所示。

圖4 車身數據采集功能信號流圖

2.4 執行控制模塊設計

該模塊通過CAN0 與底盤CAN 通信，將由控制決策模塊計算的剎車減速度與減速請求發送給EHB或IBS，控制動力系統降扭，控制執行機構執行剎車。該模塊請求剎車指令的總時間與周期應按實際車型測試進行標定。與車身CAN 通信，將AEB 系統狀態，剎車燈點亮請求發送給BCM，控制聲光告警。輸出信號流圖如圖5 所示。

圖5 控制輸出信號流圖

2.5 人機交互模塊設計

該模塊通過CAN3 與底盤CAN 通信，將TTC 實時計算結果、AEB 系統狀態等數據發送到車身儀表上顯示，控制聲光告警。同時，將剎車燈點亮、安全帶拉緊等請求指令發送給車身控制器BCM。

通過人機交互模塊可以設置AEB 功能的打開/關閉，如圖6 所示。

圖6 人機交互輸出信號流圖

3 實車測試

實車使用五菱威威電動觀光車，通過車上配備的12V 低壓蓄電池給毫米波雷達、前視攝像頭和AEB控制器供電。毫米波雷達安裝在車輛前方中心位置（見圖7 長方形標記），前視攝像頭安裝在車輛前擋風玻璃中間下方位置（圖7 圓形標記處）。AEB 控制器通過CAN 總線與車輛ECU 建立通訊，獲取車輛車速等信息，同時發送制動信號給ECU，ECU 控制制動系統進行緊急制動。

圖7 毫米波雷達和前視攝像頭裝車實車側視圖

試驗表明，在車速30 km/h 工況下，整套系統能在1.6 s 內主動緊急制動，滿足設計要求。圖8 為實車緊急制動測試圖。

圖8 實車緊急制動測試圖

4 結語

圍繞基于前視攝像頭和毫米波雷達的AEB 系統展開研究，研究了總體系統設計、需求分析、硬件選型、軟件設計。并將設計應用于公司的電動觀光車上，同時進行了實車測試。綜上分析，得出以下結論：

（1）設計的AEB 系統，前視攝像頭和毫米波雷達均能滿足性能要求，同時具備擴展性。

（2）基于TTC 的控制策略，預警功能和制動率準確率逸95%，復雜工況下，毫米波雷達因為信號受到干擾，存在一定的誤報。

（3）整套AEB 系統可靠有效，能大大避免駕駛失誤造成的交通安全事故，提高電動觀光車的主動安全性能。