姜文龍，周金應(yīng)，褚觀耀，龍軍，程前

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

我國每年重特大事故中，交通事故數(shù)和因交通事故死亡人數(shù)分別占69%和78.9%，全球因道路交通事故造成的人員傷亡逐年遞增。為了降低該風險造成的危害，汽車自動緊急制動系統(tǒng)(autonomous emergency brake，AEB)在汽車上的安裝率也越來越高[1-2]。

AEB行人系統(tǒng)通過汽車上的傳感器識別并跟蹤行人軌跡，若有碰撞危險則系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號并自動采取制動措施使汽車停止，從而保護道路環(huán)境中的行人[3-5]。

為了對AEB系統(tǒng)的性能進行系統(tǒng)測試及評價，我國發(fā)布實施的《中國新車評價規(guī)程(C-NCAP)管理規(guī)則》對AEB行人系統(tǒng)測試進行了系統(tǒng)規(guī)范[6]。這對于完善AEB行人系統(tǒng)的標準、降低交通環(huán)境中行人的受傷概率具有實際的價值。

為了驗證和評估AEB行人檢測系統(tǒng)的性能，國外相關(guān)研究結(jié)構(gòu)開發(fā)了多種AEB行人測試裝置[7-8]。奧地利某公司開發(fā)的AEB行人檢測裝置通過伺服電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)較為緊湊但靈活性較差，實驗操作不便。英國某公司開發(fā)的AEB行人檢測裝置采用盤式電機驅(qū)動，靈活性較好，但成本較高。

上述AEB行人檢測設(shè)備可以較好地評估歐美地區(qū)交通環(huán)境下的典型危險場景，但與我國道路行人行為習慣存在較大差距，而且設(shè)備和維護成本較高，不符合我國AEB行人系統(tǒng)的開發(fā)和測試要求。

因此，本文針對我國AEB行人檢測系統(tǒng)的測試需求，設(shè)計了AEB行人檢測系統(tǒng)，可以很好地契合C-NCAP的測試規(guī)定。系統(tǒng)測試場景可基于我國行人習慣靈活調(diào)整，并通過多次測試進行有效性驗證。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的AEB行人檢測系統(tǒng)滿足相關(guān)測試要求，可以作為AEB功能測評和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的支撐工具。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

1.1 AEB行人系統(tǒng)測試

針對AEB行人測試系統(tǒng)，C-NCAP測試規(guī)程設(shè)定了4種典型測試場景[9]：遠端碰撞CVFA-50、CVFA-25和近端碰撞CVNA-25、CVNA-75。

如圖1所示，假人目標與測試車輛中心線兩者之間的水平距離為D=6m(遠端)和D=4m(近端)。測試汽車行駛速度vv分別為20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h。假人移動速度vp分別為5km/h、 6.5km/h，其移動方向與測試汽車呈垂直狀態(tài)，在汽車頭部寬度的25%處(M點)、50%(C點)和75%處(K點)分別進行碰撞測試。

圖1 測試場景示意圖

C-NCAP規(guī)范中的AEB行人測試場景是基于歐美地區(qū)交通事故數(shù)據(jù)建立的，與我國行人交通習慣存在較大差異，為此需建立適合我國行人交通行為的測試方案，因此設(shè)定如下兩種測試場景[10-11]：

1)近距離測試場景(CPN)：汽車速度為5～25km/h，假人和測試汽車的距離為7m。

2)遠距離測試場景(CPF)：測試汽車速度為10～60km/h(以10km/h為間隔)，假人與測試汽車的距離為20m。假人移動速度為5.4km/h，碰撞位置為汽車50%位置處。

1.2 測試方案設(shè)計

針對C-NCAP以及行人測試相關(guān)的規(guī)定，行人檢測系統(tǒng)應(yīng)當具有如下功能：

1)目標假人可在驅(qū)動系統(tǒng)的作用下沿一定速度行駛；

2)駕駛機器人能夠控制汽車按一定的速度和路線行駛；

3)為了使假人與測試汽車發(fā)生指定位置的碰撞，假人與測試汽車互聯(lián)互通，保持實時通信。

根據(jù)上述的功能需求，設(shè)計了如圖2所示的測試過程。將假人固定在托板上，借助牽引帶驅(qū)動假人和托板移動，并在假人驅(qū)動系統(tǒng)和測試汽車上安裝通信設(shè)備，借助實時動態(tài)基準站完成汽車與假人速度、位置的信息交互，滿足測試場景的碰撞要求。

圖2 系統(tǒng)方案架構(gòu)

根據(jù)C-NCAP的規(guī)定，假人移動速度分別為5km/h、5.4km/h、6.5km/h，測試車速在5～60km/h范圍內(nèi)，汽車行駛方向與假人移動方向保持垂直。

2 硬件實現(xiàn)過程

2.1 假人目標優(yōu)化

如圖3所示，基于C-NCAP的尺寸規(guī)定分別設(shè)計了成人假人目標和兒童假人目標，并在假人表面涂抹紅外反射二氧化鈦IR-1000，能夠在850～910nm范圍內(nèi)使假人的紅外反射率達到40～60%，有效提升了假人的視覺和紅外特性[12]。

圖3 假人目標優(yōu)化

2.2 假人目標驅(qū)動機構(gòu)

假人驅(qū)動機構(gòu)分為牽引帶、驅(qū)動和隨動端以及托板。其中，托板上配置磁鐵單元，可以讓假人支撐桿借助磁性的作用與托板緊密結(jié)合，以便支撐假人直立移動，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。當測試汽車碰撞到假人時，磁性連接中斷，假人脫離托板，避免損壞其他部件。

圖4 托板結(jié)構(gòu)

如圖5所示，牽引帶驅(qū)動端的組成部分主要有電源、無線通信部分、控制器以及驅(qū)動電機。

圖5 驅(qū)動端結(jié)構(gòu)

假人目標驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，汽車速度和位置信息由無線通信模塊傳遞給控制器，控制器根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，帶動牽引帶開始工作，實現(xiàn)假人位置的移動。

圖6 假人目標驅(qū)動系統(tǒng)

3 開發(fā)控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的控制策略

按照AEB測試法規(guī)要求，在控制汽車的自動駕駛機器人上安裝慣性導航儀和差分精確定位裝置，分別測量汽車的實時加速度、速度、偏航角以及汽車的精確位置，并通過無線通信模塊，最終將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸EB行人檢測系統(tǒng)。

AEB行人檢測系統(tǒng)對比測試規(guī)程對汽車速度、假人速度以及碰撞位置的規(guī)定，計算假人應(yīng)當啟動的精確時間。

假人在移動過程中，驅(qū)動裝置可以根據(jù)測試汽車的狀態(tài)和位置，實時通過驅(qū)動電機進行加減速控制，最終使假人和測試汽車的運動關(guān)系符合測試法規(guī)的要求，發(fā)生指定位置的碰撞測試。

AEB行人檢測系統(tǒng)和自動駕駛機器人之間有兩個通信通道，通過915MHz信道頻率，實時動態(tài)(RTK)基準站可將GPS定位信息發(fā)送到AEB行人檢測系統(tǒng)以及汽車的駕駛機器人。通過2.4GHz信道頻率，駕駛機器人則將汽車的位置、速度信息傳輸?shù)紸EB行人檢測系統(tǒng)(圖7)。

圖7 AEB行人檢測通信及控制過程

3.2 設(shè)計差分定位模塊

一般GPS定位誤差>3m，不能滿足測試要求的精度，為此借助差分定位方法來精確定位汽車和假人目標[13]。差分定位模塊分為RTK基準站和移動站兩大部分。RTK基準站放置在空曠的區(qū)域，在測試汽車和假人目標上均安裝移動站。RTK基準站收集基本的GPS定位數(shù)據(jù)，然后將信息傳輸給移動站，移動站基于自身的GPS定位信息和RTK基準站發(fā)送的GPS定位信息，通過載波相位差分解算的方法，最終獲得cm級的定位信息，進而控制駕駛機器人和假人目標驅(qū)動系統(tǒng)，滿足測試場景對兩者相對運動的要求。

3.3 設(shè)計假人驅(qū)動控制器

AEB行人檢測系統(tǒng)控制器通過接收測試汽車的位置、速度信息，實時分析、比較汽車實時位置是否與控制器計算要求的觸發(fā)點保持一致，以此判斷是否驅(qū)動假人開始移動。假人移動觸發(fā)后，通過采用與測試場景相匹配的電機驅(qū)動算法，控制器可以實現(xiàn)對假人位置的精確控制?？刂破鞯闹骺匦酒?STM32F767)可以接受各模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并進行處理，被控芯片(STM32F103)可以精確地控制電機轉(zhuǎn)速。圖8是控制器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)模塊。

圖8 控制器結(jié)構(gòu)

3.4 假人驅(qū)動算法

AEB行人測試場景中，假人有加速、勻速以及減速的不同過程，這就要求對假人的速度進行精確控制，以便將假人傳送到指定的位置。為此設(shè)計如圖9所示的驅(qū)動控制算法，將加減速過程細化為減減速階段、加減速階段、勻速階段、減加速階段以及加加速階段，并且加速度變化率保持恒定。

圖9 S型曲線加減速模型

設(shè)vs為初速度，ve為末速度，根據(jù)運動學關(guān)系，假人的加速度a、速度v以及位移S計算公式如表1所示。

表1 參數(shù)計算公式

3.5 系統(tǒng)綜合控制

1)計算系統(tǒng)觸發(fā)點?；诓罘志_定位系統(tǒng)和假人移動站，獲取假人初始位置P0的坐標(x1,y1)，碰撞點P1坐標(x2,y2)。同時由移動站獲取汽車頭部中點處坐標V1(x3,y3)和航向角R。由車速v和假人到碰撞點所需的時間T(D1/Vp)，計算得出系統(tǒng)觸發(fā)點M的坐標(x4,y4)。

2)調(diào)整測試汽車的姿態(tài)和位置。計算車頭中心點V1與直線MP1的距離D2和汽車航向角R與MR1的夾角δ。測試汽車的駕駛機器人根據(jù)D2和δ的變化，控制方向盤進行轉(zhuǎn)動，從而使汽車的航向角和位置滿足測試要求[14]。

3)系統(tǒng)綜合測試。駕駛機器人系統(tǒng)實時更新汽車車頭中心點V1(x3,y3)的坐標，并發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至AEB行人檢測系統(tǒng)，然后由AEB行人檢測系統(tǒng)綜合比較V1點與M點，當x3=x4并且y3=y4時，驅(qū)動假人移動，并按測試場景的要求調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使得汽車達到P1點時，假人移動到P1點。系統(tǒng)綜合控制示意如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)綜合控制示意圖

4 系統(tǒng)測試及驗證

為了對AEB行人檢測系統(tǒng)進行驗證，本文按照C-NACP規(guī)定的行人測試場景進行了行人危險工況測試實驗，以驗證AEB行人檢測系統(tǒng)對假人目標位置、速度的控制精度以及AEB行人檢測系統(tǒng)與測試汽車的無線通信性能。

如圖11所示，首先進行單功能測試，在不同測試場景下，AEB行人檢測系統(tǒng)不與駕駛機器人聯(lián)動，測試電機控制算法對假人的驅(qū)動控制精度。每種測試場景進行3次實驗。由于不同測試場景下假人與測試汽車的距離要求不同，一共完成了(4+11)×3=45次實驗，相關(guān)測試結(jié)果如表2所示?；趯嶒灲Y(jié)果計算出假人目標控制精度達到96%(控制精度=符合要求實驗測試/總實驗次數(shù))。由此表明，本文所設(shè)計的AEB行人檢測系統(tǒng)可以根據(jù)測試要求對假人移動過程實現(xiàn)精確控制。

圖11 AEB行人單功能測試

表2 假人移動速度和位移測試

如圖12所示，在單功能測試完成后，將AEB行人檢測系統(tǒng)與駕駛機器人聯(lián)通，測試兩者之間的無線通信性能，查看假人與測試汽車的碰撞點是否滿足測試場景的法規(guī)要求。

圖12 AEB行人檢測系統(tǒng)聯(lián)動測試

根據(jù)C-NCAP測試規(guī)程進行20次實驗(測試車速在20～60km/h范圍，每種測試場景進行5次實驗)，根據(jù)國內(nèi)測試場景要求進行11次實驗，共進行31次測試實驗，測試結(jié)果如表3所示。表中的數(shù)字表示第幾次實驗完全達到測試場景規(guī)定的碰撞速度、位置等關(guān)鍵指標。

根據(jù)表3的統(tǒng)計情況可知，1次實驗即達到要求的概率為90%，2次實驗即達到要求的概率為100%。

在測試過程中，AEB行人檢測系統(tǒng)對假人速度以及假人與測試汽車碰撞位置的準確度達到96%。由于地面摩擦力不均及牽引帶的彈性，在單功能測試45次實驗中，有2次出現(xiàn)誤差大于精度有效范圍的情況，但其綜合誤差仍然較小，可以滿足測試法規(guī)對于精度的要求。

表3 AEB行人檢測系統(tǒng)聯(lián)動測試次數(shù)

在對AEB行人檢測系統(tǒng)和駕駛機器人進行聯(lián)動測試中，除了3次由于AEB行人檢測系統(tǒng)與駕駛機器人的無線通信被其他設(shè)備干擾外，兩者之間的無線通信始終保持良好。由此可知，應(yīng)當在空曠無干擾的環(huán)境下進行AEB行人測試實驗。在無其他通信干擾的情況下，AEB行人檢測系統(tǒng)可以較好地與駕駛機器人進行聯(lián)動測試。

綜上所述，本文設(shè)計的AEB行人檢測系統(tǒng)可以用于C-NCAP和中國行人測試場景，相較于國外的AEB行人檢測系統(tǒng)，本文設(shè)計的測試系統(tǒng)具有如下的優(yōu)勢：

1)AEB行人檢測系統(tǒng)的控制參數(shù)可以靈活調(diào)整，滿足國內(nèi)交通場景的行人檢測測試要求。

2)整個系統(tǒng)成本較低，可供更多的AEB行人測試和研發(fā)單位使用，有助于推進AEB行人檢測系統(tǒng)更新提升。

本文的AEB行人檢測系統(tǒng)也存在一定的不足。比如，假人目標沒有考慮雷達的反射特性；此外，對歐洲新車評估規(guī)程(E-NCAP)等國外測試規(guī)范沒有很好的適用性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種AEB行人檢測系統(tǒng)，可以根據(jù)C-NCAP和AEB行人測試的法規(guī)要求，對假人移動過程的進行精準控制，實現(xiàn)了AEB行人檢測系統(tǒng)與駕駛機器人的實時無線通信。

根據(jù)測試實驗結(jié)果可知，本文設(shè)計的AEB行人檢測系統(tǒng)對假人目標的速度和位移控制精度達到96%，與駕駛機器人的聯(lián)動測試一次成功率達到90%。所開發(fā)的假人目標具備人體特征及紅外反射特性，能夠用于行人危險工況的測試實驗，其測試精度較高，是汽車AEB系統(tǒng)功能測評和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的有效支撐工具。