智能網聯重卡的前向碰撞預警方案設計

張倩倩， 郭志培

(1 山西工程職業學院 計算機工程系， 太原 030009; 2 江鈴重型汽車有限公司 技術中心， 太原 030032)

0 引 言

隨著經濟的不斷發展，道路上的車輛越來越多，車輛發生事故的概率也不斷增加，人們對汽車的安全也越來越重視。汽車安全技術已經被整車廠和零部件供應商廣泛地應用。汽車安全技術分為主動安全技術和被動安全技術[1]。汽車被動安全主要是指交通事故發生后，能最大限度減少駕乘人員傷害的安全裝配，主要包括安全帶、安全氣囊等。主動安全是盡量自如的操縱控制汽車的安全系統措施，比如前碰撞預警功能(Forward Collision Warning，簡稱FCW)和自動緊急制動功能(Automatic emergency braking function，簡稱AEB)等。

前向碰撞預警系統是通過攝像頭、雷達等傳感器實時感知車輛前方的物體，檢測車輛與目標之間的距離并警示駕駛員的一種系統[2]。前向碰撞預警系統可以分為兩種，一種基于毫米波雷達、激光雷達、攝像頭等傳統傳感器，感知并獲取前方車輛信息；另一種通過車車(Vehicle-to-Vehicle, V2V)通信實現車輛間運動、軌跡信息交互[3]。基于目前的基礎設施建設程度以及通信協議的差異，實現FCW的功能一般是采用傳感器感知獲取前方車輛信息并預警的方案。汽車前向碰撞預警系統由環境感知傳感器、決策控制器和執行器3部分組成[4]。

作為物流運輸的中堅力量，重卡大部分時間行駛在高速公路和國道省道上，相對城市內部道路場景而言，其交通場景比較簡單。面對物流運輸時效性的要求，司機在行駛過程中容易出現疲勞駕駛的現象。在車輛即將發生碰撞時，FCW通過聲音、視覺或者觸覺有效地提醒駕駛員，及時地采取制動等有效措施，避免或者降低車輛碰撞帶來的損害。

1 前向碰撞預警系統功能簡介

前向碰撞報警FCW 的功能是當檢測并判斷到車輛與前方同向行駛車輛存在碰撞可能性時，給駕駛員提供警告。前方同向行駛的車輛包含3種情況：前方車輛靜止，前方車輛以低于本車的速度行駛或者車輛正在制動。FCW可以降低追尾碰撞的發生率，并在追尾碰撞發生之前提醒駕駛員做出反應，減輕事故嚴重程度。

FCW功能是通過傳感器的感知和控制器的決策來實現的。常見的傳感器有激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達等，這4種傳感器對比見表1。

表1 各種傳感器的性能對比

不同傳感器獲得的數據可以相互融合，增加或增強現有的系統功能。基于多傳感器信息融合的防碰撞預警系統根據多傳感器接收到的車輛前方目標信息和本車的狀態信息，利用多源信息融合技術，識別出本車前方車輛的距離和速度等狀態信息，進行碰撞危險估計。從反應時間、距離、速度3個角度優化控制，可減少駕駛員的負擔和錯誤判斷，對于提高交通安全性起到了至關重要的作用，是實現汽車自動駕駛的基礎。

FCW系統對道路沒有特殊要求，在高速路、城市、國道、隧道、匝道、橋梁道路的直路和彎道上均可以工作，可以識別所有取得牌照、合法上路行駛的車輛和身高在0.8 m以上的行人。

2 重卡FCW系統方案

基于各種傳感器的特性，同時兼顧整車的成本控制，目前智能網聯商用車采用的是前視攝像頭和77 G毫米波雷達結合，實現FCW的功能。智能網聯商用車駕駛室位置比較高，攝像頭布置在前擋風玻璃中間，距離地面的高度2 m以上，攝像頭的盲區較大，因此需要在車輛下方同時布置毫米波雷達。攝像頭(camera)+ 毫米波雷達(redar)的實車布置方案如圖1所示。

圖1 攝像頭和雷達實車布置

將攝像頭和雷達兩種傳感器采集到的兩種不同數據進行融合，能夠有效地改善車輛的性能。雷達將識別到的目標信息通過控制器局域網(Controller Area Network，CAN)總線發送給攝像頭，攝像頭完成數據的融合處理后，再通過 CAN 總線將相關的信息傳輸給儀表，最后通過儀表的顯示，提醒駕駛員。

FCW功能實現的前提是車輛需要具備一定的車速條件，當車輛偏離起效車速的范圍，該功能停止工作，FCW系統的工作條件見表2。

表2 FCW系統的工作條件

FCW系統的主要功能是在本車與行駛路徑上最近前車存在潛在碰撞危險的情況下向駕駛員發出報警。該功能主要是依據本車到前方車輛的距離、前方車輛相對于本車的相對速度、前方車輛是否在本車行駛路徑上三方面的信息實現的。

FCW系統的功能通過相關的檢測和輸入信號共同實現的，攝像頭和雷達檢測出前方運動的車輛，由攝像頭完成最終的檢測信號融合和相關邏輯的判斷，將相關的報警信息輸出。FCW系統的功能實現示意圖如圖2所示。

圖2 FCW功能實現示意圖

FCW開關和靈敏度選擇開關均采用觸屏按鍵的軟開關，觸屏按鍵配置于整車車機系統顯示屏上，且默認為開啟狀態。整車系統接收信號并將此信號發送到CAN總線，攝像頭從CAN 總線接收FCW開關信號和靈敏度信號。FCW系統原理框圖如圖3所示，攝像頭接收和發送的信號為部分信號。

圖3 FCW系統原理框圖

FCW系統采用兩級報警策略，對應的碰撞時間標定參數(Time To Collision，TTC)不同。第1級報警采用黃色指示燈，5 Hz的閃爍頻率，第1級報警時間內駕駛員沒有采取制動等動作會觸發第2級報警；第2級報警采用紅色的指示燈，頻率更高，再次提醒駕駛員。

3 FCW功能測試

據統計，典型駕駛員感知-反應時間范圍為0.9～2.1 s，95%的駕駛員感知反應時間為1.6 s[5-6]。測試包括靜態測試、場地測試和道路測試。其中靜態測試是對FCW系統相關的外觀、信號、狀態的檢查，本文只詳述場地測試和道路測試。

3.1 FCW功能的場地測試

FCW功能的場地測試要求在封閉區域內進行，且該封閉區域內有測試標準中要求的車道線。場地測試按照JT/T 883 營運車輛行駛危險預警系統技術要求和試驗方法進行。測試中使用VN1630設備監控被測車輛的CAN總線，使用軟件中的窗口進行動態監控。車速93 km/h，觸發FCW 一級報警的動態監控圖如圖4所示。

圖4 FCW 一級報警的動態監控圖

FCW功能的場地測試TTC統計如圖5所示，FCWA_TTCSet為EQ設定的A級報警碰撞時間，FCWB_TTCSet為EQ設定的B級報警碰撞時間，FCWTTCA_EQ表示A級報警時EQ計算的碰撞時間，FCWTTCB_EQ表示B級報警時EQ計算的碰撞時間，FCWTTCA_GT表示A級報警時地面實況計算的碰撞時間，FCWTTCB_GT表示B級報警時地面實況計算的碰撞時間。

由圖5報警TTC分布可知，FCW報警發出時TTC多數分布在閾值±12%范圍內；試驗中未出現漏報警、誤報警情況，FCW系統報警情況總體符合預期設計。

圖5 場地測試TTC統計

3.2 FCW功能的道路測試

FCW功能的道路測試的TTC統計圖如圖6所示，路試里程3 010 km，持續時間55.26 h。

圖6中FCWTTCA_EQ、FCWTTCB_EQ分別為A、B級報警時刻EQ計算的TTC值；FCWTTCA_GT、FCWTTCB_GT分別為報警時刻由雷達測量數據計算的真實TTC值；紅、藍色實線分別為FCW各級報警的TTCSet，實線上下的兩條虛線為允許的報警TTC范圍(±12%)，即報警時TTC位于對應的TTCSet±12%的范圍內可認為正常報警。由圖6可見，本次路試共觸發4次報警，均為1級報警，4次FCW報警事件的報警時機TTC均分布于允許的報警范圍內。沒有發生漏報警、誤報警等嚴重影響系統性能的異常報警，異常報警頻度滿足產品設計要求(≤1次/300 km)。

圖6 道路測試TTC統計

4 結束語

從FCW系統的方案和測試結果來看，FCW功能在智能網聯重卡上有良好的表現。隨著法規的強制要求，FCW功能已成為牽引車和車速大于90 km/h、載重大于18噸的載貨車的標準配置，能夠有效地降低事故發生的概率。FCW是智能駕駛輔助系統中一項重要技術，隨著智能駕駛輔助技術的不斷發展，重卡的自動駕駛等級會越來越高并最終發展為無人駕駛卡車。不僅可以讓駕駛員體驗到智能卡車的安全性、舒適性和便利性，而且可以降低或避免交通事故的發生，節約油耗進而降低物流運輸的成本。