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基于線控制動(dòng)系統(tǒng)的 AEB 功能開(kāi)發(fā)

2020-11-18 22:52:59·  來(lái)源：汽車(chē)工程學(xué)報(bào)  
　
摘 要：提出一種線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該線控制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)壓力控制及響應(yīng)能力。該系統(tǒng)具備穩(wěn) 態(tài)壓力控制精度 200 kPa，最大目標(biāo)壓力響應(yīng)速度 1
摘 要：提出一種線控制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該線控制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)壓力控制及響應(yīng)能力。該系統(tǒng)具備穩(wěn) 態(tài)壓力控制精度≤ ±200 kPa，最大目標(biāo)壓力響應(yīng)速度≤ 180 ms，作為 AEB 主執(zhí)行器，比 ESC 具備更高的控制精度和 更快的響應(yīng)速度。
 
AEB 感知系統(tǒng)選用一種國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的 77G 毫米波雷達(dá)并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，該雷達(dá)最多可同時(shí)追蹤 64 個(gè)前向目標(biāo)，并可對(duì)高度目標(biāo)、行人 / 自行車(chē)目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別。運(yùn)用 Matlab/Simulink 及 Vector/CANoe 設(shè)計(jì)了 AEB 功 能軟件模塊，為提高緊急制動(dòng)效果，提出以制動(dòng)距離為控制目標(biāo)的功能邏輯，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的 AEB 系統(tǒng)進(jìn)行 了驗(yàn)證。 
 
關(guān)鍵詞：線控制動(dòng)；毫米波雷達(dá)；AEB；快速控制原型
1 AEB 系統(tǒng)方案
本項(xiàng)目確定了以下 AEB 系統(tǒng)架構(gòu)：傳感器選 用 77 G 毫米波雷達(dá)，主要用于目標(biāo)檢測(cè)，具備探測(cè)距離遠(yuǎn)、距離精度高、中遠(yuǎn)程自動(dòng)切換的優(yōu)勢(shì)， 可追蹤多達(dá) 64 個(gè)目標(biāo)；制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為線控電子液 壓制動(dòng)系統(tǒng)（Electric Hydraulic Brake，EHB），并 集成 AEB 功能算法；量產(chǎn)方案中 ESC 作為 EHB 的 壓力備份冗余以及車(chē)輛信息交互。系統(tǒng)架構(gòu)原理如 圖 1 所示。
 
2 線控制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 線控制動(dòng)系統(tǒng)方案原理
當(dāng)前已具備成熟量產(chǎn) EHB 能力的企業(yè)多數(shù)為外 資廠商。國(guó)內(nèi)汽車(chē)零部件企業(yè)和高校進(jìn)行了預(yù)研和 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，國(guó)內(nèi)如浙江亞太、萬(wàn)向集團(tuán)、上海 拿森、同濟(jì)同馭、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北航等都 開(kāi)展了 EHB 產(chǎn)品的理論研究及產(chǎn)品試制開(kāi)發(fā)工作。
 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種線控制動(dòng)系統(tǒng)（屬于 EHB 線 控制動(dòng)分類(lèi)），該樣機(jī)開(kāi)發(fā)英文簡(jiǎn)稱為 WBS（Wire Brake System），原理如圖 2 所示。
 
WBS 系統(tǒng)工作原理：常規(guī)制動(dòng)工況下駕駛員 采取制動(dòng)時(shí)，踩下制動(dòng)踏板，控制器通過(guò)讀取踏板 角度信號(hào)確認(rèn)車(chē)輛制動(dòng)需求，常開(kāi)型制動(dòng)主缸隔離 電磁閥上電關(guān)閉，模擬器常閉電磁閥上電打開(kāi)，制 動(dòng)主缸油液通過(guò)模擬器常閉電磁閥進(jìn)入模擬器主 缸，并由制動(dòng)主缸和模擬器主缸共同作用反饋合適 的制動(dòng)腳感。
線控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力源由電動(dòng)柱塞泵 提供，并由高壓蓄能器儲(chǔ)壓，以減少油泵工作次數(shù) 并提高系統(tǒng)壓力響應(yīng)速度?？刂破魍ㄟ^(guò)判斷踏板角 度傳感器等信號(hào)，控制電磁閥開(kāi)度及柱塞泵工作， 按照控制邏輯控制線控制動(dòng)系統(tǒng)輸出相應(yīng)制動(dòng)力， 此時(shí)制動(dòng)踏板和制動(dòng)力是完全解耦的。如果線控制 動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障，進(jìn)入備用制動(dòng)狀態(tài)，控制器控制 制動(dòng)主缸隔離電磁閥斷電打開(kāi)，模擬器常閉電磁 閥斷電關(guān)閉，模擬器停止工作，此時(shí)制動(dòng)油液通過(guò) 制動(dòng)主缸和制動(dòng)主缸隔離電磁閥直接進(jìn)入備用制 動(dòng)回路，提供車(chē)輛備用制動(dòng)力。
對(duì)于 ADAS 系統(tǒng) （AEB、ACC 等）所需的減速度或制動(dòng)力請(qǐng)求， 可直接發(fā)送目標(biāo)給 EHB 控制系統(tǒng)，由 EHB 控制器 進(jìn)行減速響應(yīng) [6-7]。 
2.2 線控制動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架及裝車(chē)驗(yàn)證 
對(duì)所設(shè)計(jì)的 WBS 線控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了臺(tái)架驗(yàn) 證，臺(tái)架包括：輪缸、制動(dòng)管路、線控制動(dòng)模塊、 踏板等，其中輪缸壓力、踏板轉(zhuǎn)角、踏板力可通過(guò) 傳感器采集至示波器，線控制動(dòng)模塊相關(guān)制動(dòng)壓力 目標(biāo)或反饋信號(hào)可通過(guò) CAN 線與上位機(jī)通訊。
 
實(shí)車(chē)裝車(chē)過(guò)程對(duì)原車(chē)制動(dòng)踏板、制動(dòng)主缸、真 空助力器進(jìn)行了替換，通過(guò) CAN 通訊方式采集線 控制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)信息。
 
通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該線控制動(dòng)系統(tǒng)具備較高的 壓力控制精度（穩(wěn)態(tài)≤ 200 kPa），快速的壓力響 應(yīng)（0 ～ 8 000 kPa ≤ 180 ms），與 ESC 相比較在 響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)精度上均具備優(yōu)勢(shì)，可提高 AEB 系統(tǒng)能力。線控制動(dòng)系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果如圖 6 所示。
 
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3 環(huán)境感知及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 毫米波雷達(dá)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理 
對(duì)毫米波目標(biāo) CAN 數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取幀 ID、檢測(cè)到的目標(biāo)個(gè)數(shù)、目標(biāo)的序號(hào)及其置信度、 橫向位置、橫向速度、縱向位置、縱向速度等數(shù)據(jù)。對(duì)解析出來(lái)的檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行篩選，去除無(wú)效目標(biāo)、 高度目標(biāo)、篩選出本車(chē)道的候選目標(biāo)。
雷達(dá)在掃描 期間偶爾會(huì)出現(xiàn)的非空信號(hào)目標(biāo)，這種信號(hào)出現(xiàn)時(shí) 間極短，連續(xù)性差，偶爾出現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)在數(shù)值上 跳動(dòng)性較大，沒(méi)有實(shí)際意義，對(duì)目標(biāo)車(chē)輛和防撞預(yù)警也會(huì)產(chǎn)生影響，因此需要去除。前方具備通過(guò)性 的障礙物目標(biāo)信息，比如高架橋、減速帶、限高桿、 指示牌等，這些目標(biāo)出現(xiàn)在毫米波視場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)可能 會(huì)造成車(chē)輛誤動(dòng)作。圖7為毫米波雷達(dá)主要篩選算法。
 
3.2 毫米波雷達(dá)實(shí)車(chē)輸出測(cè)試 
毫米波雷達(dá)目標(biāo)篩選和處理后，完成毫米波雷 達(dá)裝車(chē)并進(jìn)行各路況測(cè)試，同時(shí)編寫(xiě)上位機(jī)程序用 以顯示目標(biāo)檢測(cè)效果。
 
該雷達(dá)具備較好的目標(biāo)識(shí)別能力，通過(guò)實(shí)際路 況測(cè)試，對(duì)具備高度信息的障礙物（如廣告牌、減 速帶）能識(shí)別并過(guò)濾，對(duì)成人目標(biāo)可做到有效識(shí)別。在完成毫米波雷達(dá)輸出信號(hào)準(zhǔn)確度確認(rèn)后， 在毫米波雷達(dá)輸出 CAN 信息中增加一路 CAN ID 信息，其中涵蓋危險(xiǎn)目標(biāo)的碰撞時(shí)間（Time to Collision，TTC）計(jì)算等相關(guān)信息，可作為 AEB 功 能算法輸入。
 
 
4 AEB 系統(tǒng)功能實(shí)車(chē)驗(yàn)證
4.1 AEB 系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)
AEB主要功能邏輯如圖11所示，主要包含：
（1） TTC 及制動(dòng)壓力算法；
（2）激活及抑制條件。首先判斷是否滿足 AEB 激活條件，如：車(chē)速＞0， 擋位處于 D 擋，EPS 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角是否回位等，如 全部滿足則輸出 TTC 給 AEB 系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)壓力的 計(jì)算，如不滿足則 AEB 功能被抑制或退出。設(shè)定 TTC 觸發(fā)值，如果實(shí)際 TTC 值＜觸發(fā)值，則認(rèn)為 AEB/FCW 功能被觸發(fā)，由線控制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行制動(dòng) 壓力計(jì)算值，完成緊急制動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作。
在緊急制動(dòng) 執(zhí)行過(guò)程中，如果滿足 AEB 抑制條件，如：駕駛 員主動(dòng)轉(zhuǎn)向避險(xiǎn)、加速踏板明顯被踩踏等，都認(rèn)為 駕駛員主動(dòng)干預(yù)，AEB 功能將被抑制。
 
以 ESC 為執(zhí)行器的 AEB 系統(tǒng)因其壓力控制精 度較低、響應(yīng)慢，TTC 觸發(fā)多采用最大制動(dòng)減速度 保證制動(dòng)安全，但這會(huì)造成制動(dòng)舒適性及駕駛員安 全感降低。
所設(shè)計(jì)的以線控制動(dòng)為執(zhí)行器的 AEB 系統(tǒng)采 用制動(dòng)安全距離為控制目標(biāo)，可根據(jù)實(shí)際工況實(shí)時(shí) 調(diào)節(jié)制動(dòng)減速度，可明顯改善制動(dòng)效果及舒適性。設(shè) TTC 觸發(fā)時(shí)，兩車(chē)相對(duì)速度為 V0，兩車(chē)相 對(duì)距離為 S0，相對(duì)安全距離目標(biāo)為 Ssafe，前車(chē)減速 度為 afro（目標(biāo)信息可由毫米波雷達(dá)提供），本車(chē)減 速度為 a，根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式：
 
本車(chē)減速度控制目標(biāo)：
 
進(jìn)一步考慮整車(chē)模型、道路、制動(dòng)系統(tǒng)模型等， 得到輪缸制動(dòng)壓力 P 與本車(chē)制動(dòng)減速度目標(biāo) a 的解 析關(guān)系：
 
式中：dw 為輪缸直徑；BF 為制動(dòng)效能因數(shù)；n 為單 輪輪缸數(shù)量；r 為制動(dòng)有效半徑。根據(jù)所匹配的實(shí)際車(chē)型參數(shù)，換算關(guān)系為 P a = × 70.628 8 P a = × 70.628 8 。
 Vector 公司的 CANoe 具有強(qiáng)大的 CAN 總線設(shè) 計(jì)及仿真功能，借助 CANoe_Simulink 軟件接口， 可使Simulink控制模型與整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通訊， 搭建快速控制原型，驗(yàn)證算法的實(shí)時(shí)性和可靠性， 聯(lián)合模型如圖 12 所示。
 
4.2 AEB 系統(tǒng)功能測(cè)試 
在封閉場(chǎng)地對(duì) AEB 樣車(chē)進(jìn)行功能測(cè)試驗(yàn)證， 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖 13 所示。在 10 ～ 40 km/h 本車(chē)車(chē)速范圍內(nèi)，對(duì)前靜止目標(biāo)進(jìn)行AEB功能隨機(jī)測(cè)試， 相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行記錄和分析。 
如圖 14 所示，AEB 功能執(zhí)行過(guò)程中，為控制 制動(dòng)距離，由 TTC 直接計(jì)算得到的制動(dòng)力計(jì)算值可 能會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)或減小，通過(guò) AEB 功能算法保證制 動(dòng)力不減，并根據(jù)危險(xiǎn)程度降低做實(shí)時(shí)制動(dòng)力值更 新，AEB 制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻之后，適當(dāng)延時(shí)制動(dòng)力輸出， 維持制動(dòng)效果。
 
如圖 15 所示，試驗(yàn)結(jié)果基本體現(xiàn)了 AEB 預(yù)期 功能策略。制動(dòng)力目標(biāo)值與 TTC 值有函數(shù)關(guān)系， TTC 檢測(cè)精度對(duì)制動(dòng)力目標(biāo)有較大影響，這會(huì)影響 實(shí)際制動(dòng)精度及制動(dòng)舒適性，從根源上應(yīng)優(yōu)化毫米 波雷達(dá)的濾波算法，并且在 AEB 策略輸入端也做 好 TTC 真值的校驗(yàn)。 
前文中式（3）計(jì)算了制動(dòng)力和整車(chē)制動(dòng)減速 度的關(guān)系，但實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)：僅穩(wěn)態(tài)滿足式（3）的結(jié)果，實(shí)際上由于線控制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、風(fēng)阻、 載荷等因素的影響，呈現(xiàn)出圖 16 所示的制動(dòng)力與減 速度對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)AEB制動(dòng)效果的影響至關(guān)重要， 需要據(jù)此進(jìn)行標(biāo)定。
 
 
對(duì)本車(chē)車(chē)速 10 ～ 40 km/h 范圍內(nèi)的 AEB 功能 觸發(fā)效果進(jìn)行了測(cè)試統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)能根據(jù)不同本車(chē)車(chē) 速實(shí)時(shí)調(diào)整制動(dòng)力值，實(shí)測(cè)制動(dòng)距離誤差在 ±0.5 m 內(nèi)，制動(dòng)距離穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，如圖 17 所示。
 
5 結(jié)論
設(shè)計(jì)了一種線控制動(dòng)系統(tǒng)，臺(tái)架及實(shí)車(chē)搭載試 驗(yàn)驗(yàn)證了該線控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)響應(yīng)速度和精度的先 進(jìn)性。所選用的毫米波雷達(dá)具備較好的目標(biāo)距離識(shí) 別精度，可有效地輸出 AEB 系統(tǒng)所需的危險(xiǎn)目標(biāo) 信息。
設(shè)計(jì)了 AEB 核心算法中的抑制 / 激活條件、 TTC 觸發(fā)邏輯、制動(dòng)力 - 減速度計(jì)算、載荷估計(jì)等 模塊，通過(guò)快速控制原型進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證，基本達(dá)到 開(kāi)發(fā)目標(biāo)，為后續(xù)量產(chǎn)開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。
文章來(lái)源：汽車(chē)工程學(xué)報(bào)
文章作者：劉宏偉 ，張 杰 ，朱恩利 ，黃雪梅 ，楊佳飛 
 
 
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