2018版C-NCAP及对汽车电子系统的新要求

2020-03-14陈天殷

汽车电器 2020年1期

陈康，陈天殷

（美国亚派克机电（杭州）有限公司，浙江杭州 310031）

1 2018版新车评价规程C-NCAP概述

自2015版碰撞管理规则实施3年来，中国汽车技术研究中心共测试了上百款车型的乘用车（即M1类车辆），通过安全测试，促进了中国汽车生产企业不断提高车辆的安全性。2018年7月中汽中心宣布，未来对新车安全碰撞测试将启用2018版《中国新车评价规程》——C-NCAP（China New Car Assessment Program）。2015版的碰撞管理规则涵盖有正面、侧面、尾部碰撞试验的测试规范，而这次新的2018版碰撞管理规则加严了侧面碰撞严苛性的要求，也就是加重了台车撞击车辆的质量。同时，还增加了两项重要的考核指标，主要是在行人保护和AEB紧急制动系统两方面，并将其列入了主要的考核指标。且明确将装备车身电子稳定系统ESC列为加分项目。2018版是中国汽车安全标准与国际接轨大跨度的升级。各车企参照新版规则进行车辆的优化调整，自然就推动了中国汽车行业自主品牌挺进先进水平的进程。2018版CNCAP比中国现有强制性标准更严格和更全面地要求进行碰撞安全性能测试，评价结果按星级划分并公开发布。

2018版规则评价体系发生了较大提升，由以前的车辆乘员被动安全保护性能评价，拓展到对车外行人儿童的保护性能和车辆主动预防安全性能，全面覆盖车内外和主、被动安全要求；首次提出加强侧面碰撞、侧碰移动壁障的变更测试；还新增了对纯电动及混合动力车型的评价，可以说是中国对新车评价史上最严格的评价规程。儿童保护主要是指儿童安全座椅的滑车试验。C-NCAP作为汽车行业安全性要求的督促者，在持续提高行业标准、持续促进企业在提升汽车安全性方面做着不懈的努力。见图1。

图1 2018版C-NCAP新规程较原要求有极大提升

图1、图2分别表明了侧面碰撞时移动碰撞壁障的测试工作状态。

从图1的纵览图中可以看到AEB是必备项目，而ESC是加分项目。新规程增重侧面碰撞壁障至1350kg，见图2。

图2 新规程增重侧面碰撞壁障至1350kg

图2 实景中蓝色部分即为侧面碰撞壁障的头部——碰撞体。图3绘出了侧面碰撞测试的俯视图，移动壁障的速度为50km／h。

在1350kg的移动壁障撞击下，车辆侧面碰撞的安全性需仰赖车门的高强度防撞钢梁迅速吸能，使车辆整体车身结构几乎保持完整，虽受撞一侧的车门严重变形，但仍能很好地保证车内乘员的生存空间；立柱在撞击后变形不明显，同时车门仍能正常开启。撞击过程中，所配备的侧气帘会及时弹出，模拟的假驾驶员头部触碰到侧气帘，因而假人的身体各部位没有受到伤害；同时后排模拟乘员假人同样保持良好状态，在安全带的约束下，其头部、胸部和腿部没有受到伤害。

不同的国家，其人口、市场情况以及道路交通状况各异，各国需根据自身情况选择合适的试验规范。C-NCAP正是提升安全性要求，又立足于中国现状适合中国国情推出的评价体系。中国2018年新版的C-NCAP参照美国国家NHTSA，相比旧版增加了侧撞测试，把车身电子稳定系统ESP和自动紧急制动AEB列入新车的标准配置，这也是欧共体、日本等先进工业国家在21世纪10年代初先后都加入了相应规程的。

2018版C-NCAP中新增加的主动安全措施项为AEB（自动紧急制动系统）和ESC（电子稳定控制系统）测试，AEB系统由前视雷达、摄像头以及光学传感器等组成，这些信息可以用来启动制动器，并提供高达1g的制动力，以避免或减轻碰撞。AEB有助于持续监控前方道路，驾驶员没有对即将产生的碰撞做出反应，车辆将自动制动。AEB在追尾方面可以起到非常重要的作用，包括低速和高速，30～50km／h的速度进行预警，从而实现半制动和紧急情况下的全制动。

图3 侧面碰撞

2 AEB系统的基本原理

2.1 AEB的构建

AEB系统由传感系统、控制装置和执行系统3部分组成。如图4所示。传感器组成的感知系统由毫米波雷达、激光雷达、单目摄像头或双目摄像头中的一种或几种的组合。AEB控制装置可以是一个独立的ECU，亦可集成在制动系统控制单元中。AEB系统的核心在执行系统的主动制动功能，当前主流的主动制动系统，一类是博世（Bosch）的iBooster，另一类则是由电子稳定控制 ESC系统升级而来。AEB的功能在于当电子控制单元ECU判断前方有碰撞危险时，系统控制发动机和制动系统降低车速甚至停车以避免碰撞，减轻伤害。AEB作为一个自主自动的道路车辆安全系统，能够一直处于随时待命的警觉状态，检测前方道路状况以及车辆与障碍物的相对速度，不同于人类会感到疲劳或被分心，可针对驾驶者的操作失误进行有效弥补。

图4 AEB系统的构建

AEB的研发进展与自动驾驶技术的发展相互促进，其意义是里程碑性质的，因为它标志着AV（自动驾驶车辆）所依托的制动执行系统在硬件上得以充分实现。自动驾驶对执行系统的要求是能够通过电信号精准、快速地控制车辆各类的运动。

以Volvo为例，AEB几乎是它全系列的标配。其安全制动用途的传感器包括位于前挡风玻璃后的摄像头和激光雷达、位于格栅后的毫米波雷达。毫米波雷达用于探测中长距离的障碍物，激光雷达探测前方10m以内的汽车和其他物体；而摄像头则是用来判断物体的类型。它能实现的功能有：与前车防追尾碰撞、前方身高80cm以上行人的防碰撞、防止同向行驶自行车的碰撞。其AEB系统性能：车速小于等于50km／h时启用，车速在15～30km／h能减轻碰撞；车速相对差值在4～15km／h及以下可完全避免碰撞。

AEB正常工作需要的硬件配置有：服从ECU指令的制动系统，电子制动系统EBS、车身稳定系统ESP、机械制动器和自动变速器都是必不可少的。电子制动系统EBS是AEB能发挥应用的一项重要硬件基础。EBS是电控制动系统，踩制动踏板也只是给EBS控制单元一个信号而已，再由EBS模块控制通过油路油压给制动分泵推动制动系统。正是因为电控的原理，AEB在需要紧急制动的时候才能调用制动系统。若是传统的机械式制动系统，AEB发出要制动的指令，制动却不受指令控制，那紧急制动的功能也就无济于事了。整车电控化是车辆迈向自动驾驶必走的路。

图5为AEB系统结构原理图，图6为AEB系统各部件组成。

图5 AEB系统结构原理图

图6 AEB系统各部件组成

AEB是分段工作的，由摄像头或雷达检测和识别前方车辆，一旦有碰撞可能的风险情况，先用声音和警示灯提醒驾驶者进行制动操作以回避碰撞。若驾驶者仍无制动操作，系统判断已无法避免追尾碰撞，就会采取自动制动措施来减轻或避免碰撞。同时，AEB系统还包括动态制动支持，当驾驶者踩下制动踏板的力量不足以避免即将到来的碰撞时，就能为其瞬间补充足够的制动力。图7为雷达传感器和摄像头双重工作的示意图。

图7 雷达传感器和摄像头双重工作的示意图

2.2 AEB的核心技术与运作

图8 显示行进中的车辆为规避碰撞风险，时刻有传感器、雷达探测周围与障碍物的间距和相对速率。

图8 车辆四周皆有测距测速的传感器在工作着

AEB的工作，由数据线传递至中央处理器。CPU对数据分析处理，根据车辆当前位置、目标位置及周围环境参数能作出自主制动策略，并转换成电信号；车辆策略控制执行系统在接受电信号后，指示车辆紧急制动或转向规避行驶（方向、角度及动力支援）等诸方面的操控，并有充分体现驾驶员操作特点的汽车主动避撞鲁棒控制器。

AEB主动规避碰撞系统的重点在于安全距离模型的设计。各大厂商皆有自己的模型，漏报率、误报率各有差异，现有模型算法都有改进空间。其中的原因在于只有当模型算法充分符合驾驶员避撞的操作特性，方可提高系统的接受度。安全距离模型不仅依赖于实时的相对运动关系，还须准确获知当前自身车辆参数与外界环境信息，关键在于雷达目标检测算法的实时性和鲁棒性，而且还得充分考虑到路况条件以及车辆制动特性对系统性能的影响。

所谓“鲁棒性” （Robustness）指控制系统在一定（结构，大小）的参数扰动下，维持其它某些性能稳定的特性，也就是系统的健壮性，表征在异常和危险情况下系统生存能力的关键。鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知，且不确定因素的变化范围可以预估。鲁棒性表征控制系统对特性及参数扰动的不敏感性。鲁棒性强，系统在异常、危险和误操作情况下稳定性好。AEB的动态检测系统和模糊补偿系统使可靠地运行得以保障。

避免碰撞而采取紧急制动，不同驾驶员从判断到做出对策有着差异性。驾驶员行为仿真这一类非线性控制函数模糊控制系统能给出一种非模型化的估计。方案对传感器与执行器的工作精度要求甚高，较难补偿系统运行的动态误差，于是也会转为借助于依托熟练驾驶员经验构筑的模糊控制技术。

对于有碰撞风险的车辆实施AEB，引入碰撞时间TTC（Time To Collision）这一参数，或者用碰撞时间倒数TTC-1作为评价指标，建立分级警示与主动制动的安全距离模型。

当自车与前车的速度分别为VC和VP，两车间距离为R，则有：

依据NHTSA （Nation Highway Traffic Safety Administration美国国家公路交通安全管理局）的统计学数据，认为98%驾驶员制动减速度a不会超过-2.17m／s2，减速度达到-3～-4m／s2时会引起人体不适。加速度a=-2.17m／s2时对应的TTC-1为0.11；而a=-3～-4m／s2时，对应的TTC-1为0.7～1.2。为防止过早警示分散驾者注意力甚至产生慌乱，也需避免过晚介入贻误时机，不能给驾者足够反应时间，故将危险情况依次分为安全、较危险、很危险和极端危险4个级别来区别对待，见表1。

表1 4级制的分级声光警示与主动制动

图10 从t0～t4时间段AEB的工作过程

规避碰撞紧急制动系统的雷达处理算法，即AEB的检测控制流程，如图11所示。

表1中Ⅱ级以后为警示安全距离，而Ⅳ级以后为制动安全距离。制动安全距离由两车在系统延时时间内经过的相关距离和两车以相同最大减速度制动的距离差两者所组成。系统延时t1由雷达算法延时与执行机构滞后两部分组成。t1若取值过大，系统会频繁制动导致车身不断俯仰；反之则无法及时实现有效制动。

基于规避碰撞自动紧急制动系统的软硬件平台采用目标检测算法，既具备碰撞时间规划的精确性，又兼容了经验知识模糊控制的鲁棒性，是当前业界深入探研的方案。碰撞时间的计算见图9。

图9 某型奔驰的碰撞时间的计算

当侦测到有碰撞风险后ECU会指令自动紧急制动。目前AEB还没有一个业界统一标准，各品牌的命名也各不相同，如沃尔沃名为城市安全系统、奔驰名为Pre-safe。但现阶段这些自动紧急制动系统的工作时速范围普遍在30km／h以下。图10为AEB对一个动态的工作目标的工作过程。即前方车辆在减速，但没有停下来，还在以某一速度前行。AEB检测到该种情况，其判断依据是跟车距离。先用声音提醒驾驶员，发动机降低扭矩输出，制动系统处于准备状态，若驾驶员没有干预行为，根据距离还在继续变近，此刻系统就会预制动，施加一部分制动力减速，距离还在变近，碰撞风险加大的时候才会使出最大制动力紧急制动。车距变大之后就会松开制动。故这种状态就存在刹停和不刹停两种情况，主要取决于前车的运动速度。

图11 AEB系统障碍检测控制流程图

ESC系统能实现主动制动，因而ESC可作为自动紧急制动系统的执行器。即当险情出现时，即使驾驶员没有踩踏制动踏板，ESC中的马达工作带动泵体工作，促使制动回路油压增高，车辆制动系开始工作。

有实验表明，当不踩油门踏板，节气门开度为0，挡位为D，软件向CAN发减速度指令，设置车辆的目标减速度由0m／s2到-3m／s2，减速度的变化率为-3m／s2。而该ESC最大能提供-15m／s2的减速度变化率，目标减速度和实际的减速度延时时间为160ms，此即为车辆制动系间隙协调时间t2。车辆的减速度从0m／s2到-3m／s2经过时间为1s。车辆制动力增长时间t3和减速度变化率及减速度值大小有关。制动力增长时间最短只需530ms。

实际上该过程利用各种传感器传输来的数据信息，运用路径规划、行驶距离和行驶速度的融合算法，逐一控制车辆制动程序到达预定的关键点。

经验告诉我们，常常是当道路情况良好，车辆不算特别多的时候，人容易懈怠驾驶，分心走神不集中精神操控车辆，危险就容易出现。这时AEB紧急制动系统就能发挥避免碰撞减轻伤害作用，甚至救人一命。

当然不同的车型随款式的差异有不同的设定，当前AEB工作速度的范围大致在30～50km／h。必须注意，因AEB仅在车辆遇到突发危险情况时能自主产生制动效果，让车辆减速，但具备该功能，并非能实现将车辆在接触到前车、前人或前物的瞬间完全刹停。它是提高行车安全性的一项防撞技术，预防减轻车祸的措施，但并不是保证不再会发生碰撞事故、可以过度依赖、任何车况下都万无一失的“安全全保障”。如前面2.1章节介绍Volvo时已指出，只有当车速差在4～15km／h以下，才可完全避免碰撞。奔驰Pre-Safe预防安全系统有较卓越的表现，碰撞前2.6s开始提示，碰撞前1.6s时开始辅助制动，碰撞前0.6s开始用最大的力度制动，见图12。系统性能：时速50km／h以内完全避免追尾碰撞；时速50～72km／h降低碰撞程度。

图12 奔驰Pre-Safe预防安全系统典型应用场景

2.3 鞭打测试

图13 为鞭打测试的实况。鞭打测试实际是汽车碰撞引起对人颈部伤害的测试。

鞭打测试是将试验车辆驾驶员侧座椅及约束系统仿照原车结构，固定安装在可移动滑车之上，滑车以速度变化模拟后碰撞过程。座椅上放置着一系着安全带的模拟假人，通过测量后碰撞过程中模拟假人颈部受到的伤害情况，用以评价车辆座椅的头枕对乘员颈部保护效果环节。此外，2015版的鞭打速度为16km／h，新版速度增加至20km／h。

图13 鞭打测试的实况

近年，从国内外媒体针对各大整车企业AEB系统的测试结果可以看出，AEB的技术水平和实际反应速度皆有显著改进和提升。当前，AEB重要研发方向是低速（30km／h）状态下，AEB系统对前方车辆（尤其是行人）的识别能力以及车辆制动能力的提升，考验车辆是否能在障碍物前自动刹停。受中国安全产业协会委托，中国起草的《汽车自动防撞技术标准》即将出台，据透露该标准部分要求将高于欧盟。