基于线控制动系统的AEB 功能开发

刘宏伟，张 杰，朱恩利，黄雪梅，杨佳飞

（1.国机智骏（北京）汽车科技有限公司 研发中心，北京，通州 101100；2.万向钱潮股份有限公司 技术中心，杭州 066004）

研究表明，约93%的交通事故都是由于驾驶员的错误操作导致[1]。为了进一步提高道路交通安全性，帮助驾驶员减少错误操作，以先进驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System，ADAS）为代表的智能汽车安全技术逐渐得到重视和发展。ADAS 系统根据雷达、摄像头等传感器探测环境信息，当发现驾驶员当前的操作有导致事故的危险时，系统向驾驶员发出信息提示或预警，提醒驾驶员纠正驾驶行为回避危险。在紧急工况下，由于留给驾驶员的反应时间很少，一些系统通过主动介入对车辆进行控制，帮助驾驶员回避或减轻事故造成的危害。德国联邦交通研究所（BAST）的研究表明，70%的严重交通事故都可以通过ADAS 避免[2]。在紧急工况下，当前最有代表性的ADAS 系统是自动紧急制动系统（Autonomous Emergency Braking，AEB）。AEB 系统在碰撞危险非常高时通过紧急制动来避免碰撞或减轻碰撞程度。2014 年，欧盟新车认证程序（Euro-NCAP）中引入了对AEB 城市系统（AEB City）和AEB 公路系统（AEB Inter-Urban）的测试和评价[3]。中国汽车技术研究中心也将AEB纳入了2018 版C-NCAP 车辆评价体系。根据Euro-NCAP 的测试，AEB 可以避免27%的交通事故，并且能够大幅降低碰撞事故中人员受伤害的程度。当前应用的AEB 系统普遍以电子稳定控制系统（Electric Stability Controller，ESC）做执行器，但以ESC 作为紧急制动执行器需要对ESC 硬件及性能进行专门强化，并且ESC 响应精度和时间均有局限性。线控制动系统具有传统制动系统无法比拟的优点，比如：制动响应快速、制动能量高、结构简单、便于扩展和增加其它电控制功能等，这些优势将使线控制动技术取代传统的以液压为主的制动系统，成为未来制动系统的主要发展方向[4-5]。线控制动系统比ESC 具备更高的制动响应速度和精度，能显著提高AEB 制动系统的性能。

1 AEB 系统方案

本项目确定了以下AEB 系统架构：传感器选用77 G 毫米波雷达，主要用于目标检测，具备探测距离远、距离精度高、中远程自动切换的优势，可追踪多达64 个目标；制动执行机构为线控电子液压制动系统（Electric Hydraulic Brake，EHB），并集成AEB 功能算法；量产方案中ESC 作为EHB 的压力备份冗余以及车辆信息交互。系统架构原理如图1 所示。

图1 AEB 系统架构原理

2 线控制动系统设计

2.1 线控制动系统方案原理

当前已具备成熟量产EHB 能力的企业多数为外资厂商。国内汽车零部件企业和高校进行了预研和产品开发工作，国内如浙江亚太、万向集团、上海拿森、同济同驭、清华大学、吉林大学、北航等都开展了EHB 产品的理论研究及产品试制开发工作。

设计开发了一种线控制动系统（属于EHB 线控制动分类），该样机开发英文简称为WBS（Wire Brake System），原理如图2 所示。

图2 线控制动系统原理

WBS 系统工作原理：常规制动工况下驾驶员采取制动时，踩下制动踏板，控制器通过读取踏板角度信号确认车辆制动需求，常开型制动主缸隔离电磁阀上电关闭，模拟器常闭电磁阀上电打开，制动主缸油液通过模拟器常闭电磁阀进入模拟器主缸，并由制动主缸和模拟器主缸共同作用反馈合适的制动脚感。线控制动系统制动力源由电动柱塞泵提供，并由高压蓄能器储压，以减少油泵工作次数并提高系统压力响应速度。控制器通过判断踏板角度传感器等信号，控制电磁阀开度及柱塞泵工作，按照控制逻辑控制线控制动系统输出相应制动力，此时制动踏板和制动力是完全解耦的。如果线控制动系统发生故障，进入备用制动状态，控制器控制制动主缸隔离电磁阀断电打开，模拟器常闭电磁阀断电关闭，模拟器停止工作，此时制动油液通过制动主缸和制动主缸隔离电磁阀直接进入备用制动回路，提供车辆备用制动力。对于ADAS 系统（AEB、ACC 等）所需的减速度或制动力请求，可直接发送目标给EHB 控制系统，由EHB 控制器进行减速响应[6-7]。

2.2 线控制动系统台架及装车验证

对所设计的WBS 线控制动系统进行了台架验证，台架包括：轮缸、制动管路、线控制动模块、踏板等，其中轮缸压力、踏板转角、踏板力可通过传感器采集至示波器，线控制动模块相关制动压力目标或反馈信号可通过CAN 线与上位机通讯。

图3 线控制动台架示意图

实车装车过程对原车制动踏板、制动主缸、真空助力器进行了替换，通过CAN 通讯方式采集线控制动系统相关信息。

图4 WBS 测试台架

图5 WBS 装车图

通过试验验证了该线控制动系统具备较高的压力控制精度（稳态≤200 kPa），快速的压力响应（0 ～8 000 kPa ≤180 ms），与ESC 相比较在响应时间、响应精度上均具备优势，可提高AEB系统能力。线控制动系统阶跃响应结果如图6 所示。

图6 线控制动系统阶跃响应结果

3 环境感知及控制系统设计

3.1 毫米波雷达测试及数据处理

对毫米波目标CAN 数据进行解析，获取帧ID、检测到的目标个数、目标的序号及其置信度、横向位置、横向速度、纵向位置、纵向速度等数据。对解析出来的检测目标进行筛选，去除无效目标、高度目标、筛选出本车道的候选目标。雷达在扫描期间偶尔会出现的非空信号目标，这种信号出现时间极短，连续性差，偶尔出现的连续数据在数值上跳动性较大，没有实际意义，对目标车辆和防撞预警也会产生影响，因此需要去除。前方具备通过性的障碍物目标信息，比如高架桥、减速带、限高杆、指示牌等，这些目标出现在毫米波视场范围内时可能会造成车辆误动作。图7为毫米波雷达主要筛选算法。

图7 毫米波雷达筛选算法

3.2 毫米波雷达实车输出测试

毫米波雷达目标筛选和处理后，完成毫米波雷达装车并进行各路况测试，同时编写上位机程序用以显示目标检测效果。

图8 前向毫米波样车

该雷达具备较好的目标识别能力，通过实际路况测试，对具备高度信息的障碍物（如广告牌、减速带）能识别并过滤，对成人目标可做到有效识别。

在完成毫米波雷达输出信号准确度确认后，在毫米波雷达输出CAN 信息中增加一路CAN ID信息，其中涵盖危险目标的碰撞时间（Time to Collision，TTC）计算等相关信息，可作为AEB 功能算法输入。

图9 高速路广告牌过滤效果

图10 行人检测效果

4 AEB 系统功能实车验证

4.1 AEB 系统控制策略设计

AEB 主要功能逻辑如图11 所示，主要包含：（1）TTC 及制动压力算法；（2）激活及抑制条件。

首先判断是否满足AEB 激活条件，如：车速＞0，挡位处于D 挡，EPS 方向盘转角是否回位等，如全部满足则输出TTC 给AEB 系统进行制动压力的计算，如不满足则AEB 功能被抑制或退出。设定TTC 触发值，如果实际TTC 值＜触发值，则认为AEB/FCW 功能被触发，由线控制动系统执行制动压力计算值，完成紧急制动执行动作。在紧急制动执行过程中，如果满足AEB 抑制条件，如：驾驶员主动转向避险、加速踏板明显被踩踏等，都认为驾驶员主动干预，AEB 功能将被抑制。

图11 AEB 功能逻辑流程

以ESC 为执行器的AEB 系统因其压力控制精度较低、响应慢，TTC 触发多采用最大制动减速度保证制动安全，但这会造成制动舒适性及驾驶员安全感降低。

所设计的以线控制动为执行器的AEB 系统采用制动安全距离为控制目标，可根据实际工况实时调节制动减速度，可明显改善制动效果及舒适性。

设TTC 触发时，两车相对速度为V0，两车相对距离为S0，相对安全距离目标为Ssafe，前车减速度为afro（目标信息可由毫米波雷达提供），本车减速度为a，根据动力学公式：

本车减速度控制目标：

进一步考虑整车模型、道路、制动系统模型等，得到轮缸制动压力P与本车制动减速度目标a的解析关系：式中：dw为轮缸直径；BF为制动效能因数；n为单轮轮缸数量；r为制动有效半径。

根据所匹配的实际车型参数，换算关系为P=

Vector 公司的CANoe 具有强大的CAN 总线设计及仿真功能，借助CANoe_Simulink 软件接口，可使Simulink 控制模型与整车CAN 网络实时通讯，搭建快速控制原型，验证算法的实时性和可靠性，联合模型如图12 所示。

图12 AEB 功能算法Simulink 模型

4.2 AEB 系统功能测试

在封闭场地对AEB 样车进行功能测试验证，试验设备构成如图13 所示。在10 ～40 km/h 本车车速范围内，对前静止目标进行AEB 功能随机测试，相关试验数据通过数据记录仪进行记录和分析。

如图14 所示，AEB 功能执行过程中，为控制制动距离，由TTC 直接计算得到的制动力计算值可能会产生波动或减小，通过AEB 功能算法保证制动力不减，并根据危险程度降低做实时制动力值更新，AEB 制动结束时刻之后，适当延时制动力输出，维持制动效果。

图13 AEB 试验设备构成

图14 AEB 制动力执行测试曲线

如图15 所示，试验结果基本体现了AEB 预期功能策略。制动力目标值与TTC 值有函数关系，TTC 检测精度对制动力目标有较大影响，这会影响实际制动精度及制动舒适性，从根源上应优化毫米波雷达的滤波算法，并且在AEB 策略输入端也做好TTC 真值的校验。

图15 TTC 及车速测试曲线

前文中式（3）计算了制动力和整车制动减速度的关系，但实际测试中发现：仅稳态满足式（3）的结果，实际上由于线控制动系统响应时间、风阻、载荷等因素的影响，呈现出图16 所示的制动力与减速度对应关系，这对AEB 制动效果的影响至关重要，需要据此进行标定。

图16 不同车速制动力与减速度的关系

对本车车速10 ～40 km/h 范围内的AEB 功能触发效果进行了测试统计，系统能根据不同本车车速实时调整制动力值，实测制动距离误差在±0.5 m内，制动距离稳定，达到设计目标，如图17 所示。

图17 TTC 及车速测试曲线

5 结论

设计了一种线控制动系统，台架及实车搭载试验验证了该线控制动系统制动响应速度和精度的先进性。所选用的毫米波雷达具备较好的目标距离识别精度，可有效地输出AEB 系统所需的危险目标信息。设计了AEB 核心算法中的抑制/激活条件、TTC 触发逻辑、制动力-减速度计算、载荷估计等模块，通过快速控制原型进行实车验证，基本达到开发目标，为后续量产开发打下了良好的基础。