乘用车AEB系统的执行器需求及策略研究

张翼，徐陶祎，孙琦

乘用车AEB系统的执行器需求及策略研究

张翼1，徐陶祎1，孙琦2

( 1.武汉城市学院 机电工程学部，湖北 武汉 430077；2.东风汽车集团有限公司技术中心，湖北 武汉 430056）

为促进自动紧急制动系统（AEB）向着更安全可靠方向发展，作为AEB系统的执行器技术更应受到重视。研究从AEB系统概述出发，阐述了AEB系统的工作过程、测试场景，并以东风风神某款畅销乘用车型的AEB系统架构着眼，落脚于对执行器的需求和策略研究，重点分析了系统中执行器电子稳定系统（ESC）的执行主动制动功能的信号需求、响应需求，并详细说明了执行器响应主动制动功能的策略。最后以该车型实车场地测试数据为例，对执行器的需求和策略进行验证说明。

自动紧急制动系统；电子稳定系统；辅助自动驾驶

前言

自动驾驶，作为智能驾驶的终极形态，涉及领域广，复杂度高，是业界研究的重点。虽然时至今日，自动驾驶系统还存在各种缺陷，离真正的商业化应用还有距离，但辅助自动驾驶功能已逐步标配在中低端车型中，其中自动紧急制动系统（Autonomous Emergency Braking, AEB）就是其中之一的功能。对于AEB系统的研究，行业多从传感器感知、信息融合、试验测试等方向进行，但对AEB系统的执行层需求及策略却鲜有问津，本文正是从此点出发，深入分析了AEB系统对执行器的需求，以及执行层的响应策略，并通过实车测试数据进行了验证与分析。

1 AEB系统概况

自动紧急制动系统（AEB）主要通过自动制动来避免或减轻碰撞给行人等道路交通系统中的弱势群体带来的伤害[1]。AEB系统通过环境传感器（车载雷达或车载摄像头）检测自车前方目标，当检测到前车减速、停止或存在其他障碍物时，系统通过计算判定当前条件下自车的运行状态，当系统计算的碰撞危险程度达到临界报警点时，表明存在与前方目标碰撞的可能性，系统首先会通过声音、图像等方式向驾驶员发出预警，提醒驾驶员执行避撞操作，同时预先填充制动油压，用以在有制动需要时获得更快更高的制动水平；如果驾驶员对预警没有做出正确反应时，系统会进行部分制动，同时通过轻微车辆制动点刹振动动作方式向驾驶员发出警告；当系统计算的碰撞危险程度达到临界制动点时，表明与前方目标碰撞几乎无法避免，系统会进行自动全力制动来缓解碰撞。图1是自动紧急制动系统的工作过程图。

图1 自动紧急制动系统工作过程图

在法规层面上，我国已制订了《乘用车自动紧急制动系统（AEBS）技术要求及试验方法》。2018版C-NCAP中首次增加了车辆AEB系统的试验和评价方法，2021版C-NCAP中更完善了AEB测试要求。较2018版，2021版中增加了对于如下两种类型目标的AEB场景：其一，对于易受伤行人的场景增多，并且对测试时的光线也有要求；其二，对于国内日益增多的共享单车和外卖电动车的二轮车场景和评价方法进行了要求。表1是2021版C-NCAP的AEB场景描述。

表1 2021版C-NCAP的AEB场景描述[2]

C-NACP2021版场景场景描述 目标物本车碰撞位置测试功能 AEB车对车CCRs前车静止20 km/h～80 km/h直行−50%、100%、50%AEB、FCW AEB车对车CCRm20 km/h直行30 km/h～80 km/h直行−50%、100%、50%AEB、FCW AEB行人CPNA白天5 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行75%、25%AEB AEB行人CPFA白天6.5 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行50%、25%AEB AEB行人CPFA夜晚6.5 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行25%AEB AEB行人CPLA白天5 km/h前方直行20 km/h～80 km/h直行50%、25%AEB、FCW AEB行人CPLA夜晚5 km/h前方直行20 km/h～80 km/h直行50%、25%AEB、FCW AEB二轮车CBNA自行车15 km/h穿行20 km/h～60 km/h直行50%AEB AEB二轮车CBFA踏板式摩托车20 km/h穿行30 km/h～60 km/h直行50%AEB AEB二轮车CBLA自行车15 km/h直行20 km/h～80 km/h直行50%、25%AEB、FCW

随着科学技术的发展与产品成本的降低，现在不仅是高端乘用车，越来越多的中低端乘用车中也装配了AEB系统。同时伴随消费者对汽车安全意识的不断重视，会有越来越多的消费者购买配置AEB功能的乘用车。相信将来AEB系统会成为各车型的标准配置，AEB系统的识别场景会更丰富，执行响应会更快捷，质量品质会更有保障。

2 AEB系统架构

AEB系统分为行驶环境感知、车辆安全决策和主动控制执行三部分。在现阶段技术中行驶环境感知、车辆安全决策往往都集成一体，通过毫米波雷达、激光雷达或摄像头实现，特别是对于场景识别率要求更高的AEB系统，常通过雷达与摄像头融合的方式进行环境感知。对于主动控制执行部分，由于目前的技术成熟度和产品成本的压力，绝大多数中低端乘用车中仍采用电子稳定系统（Electronic Stability Control- ler, ESC）作为主动制动的执行器。

本文所研究的AEB系统基于东风风神某款热销车型，其AEB系统整体架构如图2所示。

图2 AEB系统架构图

毫米波雷达与摄像头获得环境感知数据，二者之间通过高速CAN（Controller Area Network，控制器局域网）进行数据融合。毫米波雷达作为AEB系统的控制核心，分析融合感知数据，识别碰撞风险，向车辆仪表发送显示或报警信息，同时与执行主动制动的ESC保持实时通信，决策主动制动的时机与制动强度要求。ESC作为执行器，一边实时向毫米波雷达发送车辆信息，一边在得到主动制动请求时快速响应制动，避免碰撞风险；在主动制动时，ESC还需控制车辆制动尾灯点亮，用以提示后方车辆注意。车辆仪表上不仅显示AEB系统信息及报警，驾驶员还可以通过仪表中菜单选择设置，关闭或开启AEB功能。

3 AEB系统的执行器需求

3.1 信号需求

从AEB系统架构分析中可以看出，通过自动制动来避免碰撞的关键在于决策层AEB雷达与执行层ESC之间的协作。实车上，AEB雷达与ESC之间的通信是500 kpb速率的CAN网络通信，二者间的交互信号可见表2、表3。

从表2、表3中可以看出AEB雷达与执行器ESC之间有着大量的信号交互。一方面，AEB雷达接收了ESC发出的车速、轮速、制动油压、制动状态、车辆纵向加速度、车辆横摆角速度等信号，用于对车辆当前状态进行识别，以便更好地结合环境数据进行对车辆的自动制动命令的决策；另一方面，根据AEB雷达判断的碰撞可能性程度，AEB雷达向ESC发送AEB状态、减速度请求、制动点刹请求、预建压请求信号，命令ESC执行对应主动制动动作。ESC作为执行器，响应AEB雷达的制动请求，精准主动制动。

表2 AEB雷达发送给执行器的信号表

序号信号名称信号英文缩写信号定义 1减速度请求DECELERATION_SETPOINT最大值：−10.65 m/s2 最小值：2 m/s2 2请求制动类型MDD_DECELERATION_TYPE0：无制动1：ACC制动2：高速AEB制动3：低速AEB制动 3AEB状态AEB_STATUS0：无效状态1：初始状态2：保留3：禁止状态4：保留5：等待状态6：激活状态7：故障状态 4制动点刹请求HAPTIC_ALARM0：无制动点刹请求1：有制动点刹请求 5预建压请求PREFILL_REQUEST0：无预建压请求1：有预建压请求

表3 AEB雷达需求执行器的信号表

序号信号名称信号英文缩写信号定义 1响应AEB状态FA_ETAT_DECEL0：禁用状态1：等待状态2：激活状态3：故障状态 2车辆静止状态ARRET_VHL_ADAS0：车辆运动1：ACC功能下的车辆静止2：AEB功能下的车辆静止3：保留 3车辆纵向加速度ACCEL_LONGI_CALIB最大值：40.96 m/s2 最小值：− 40.96 m/s2 4车辆横向加速度ACCEL_LAT最大值：15 m/s2 最小值：−15 m/s2 5车辆横摆角速度YAWRATE_RAW最大值：163.68 degree/s 最小值：−163.84 degree/s 6车辆车速VITESSE_VEHICULE_ROUES最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 7没有滤波的左前轮速信号VITESSE_ROUE_AVG_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 8没有滤波的右前轮速信号VITESSE_ROUE_AVD_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 9没有滤波的左后轮速信号VITESSE_ROUE_ARG_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 10没有滤波的右后轮速信号VITESSE_ROUE_ARD_NF最大值：655.34 km/h最小值：0 km/h 11车辆行驶方向SENS_ROULAGE00：无定义01：前进方向10：后退方向11：无效值 12车速有效标识VVH_INDISP00：无效值01：车速有效10：车速无效11：无效值 13主缸压力PRESSION_MAITRE_CYL最大值：354.4 bar 最小值：−55 bar 14制动状态FREINAGE_EN_COURS00：无制动01：驾驶员踩制动踏板产生的制动10：ESC功能产生的制动11：响应其他控制器要求产生的制动 15制动踏板有效标识CONTACT_FREIN3_HS0：制动踏板状态有效1：制动踏板状态无效

3.2 响应需求

AEB雷达系统不仅对执行器ESC有交互信号需求，ESC的响应快慢也决定了AEB系统的灵敏度与反应度。AEB系统对执行器的响应需求如表4所示。

4 AEB系统的执行器策略

从AEB系统的工作过程可以知道，执行AEB动作的制动压力预建压、制动点刹振动动作、全力主动制动都需要执行器ESC的工作，ESC起到了举足轻重的作用。本章节从ESC的角度出发，着重分析ESC响应AEB功能状态的条件，及ESC在AEB系统工作过程的三个阶段中与AEB雷达的交互策略。

4.1 ESC响应AEB功能状态条件

ESC发送给AEB雷达的信号中，响应AEB状态（FA_ ETAT_DECEL）信号是实时表现ESC可以响应AEB系统指令的关键信号，且AEB雷达首先就是根据该信号，决定整个系统功能是否正常。响应AEB状态信号有4个状态标识：“0：禁用状态”“1：等待状态”“2：激活状态”“3：故障状态”。“0：禁用状态”表示由于车辆整体状态不满足ESC响应AEB减速度请求，从而ESC禁用响应AEB减速的功能；“1：等待状态”表示ESC具备响应AEB减速度请求功能，时刻等待AEB雷达发送的减速度响应信息；“2：激活状态”表示ESC正在响应AEB减速度请求，执行主动制动；“3：故障状态”表示ESC由于自身原因产生故障，无法响应AEB减速度请求。这4个状态的详细触发条件如下：

表4 AEB系统对执行器的响应需求

序号响应需求描述 1预建压噪音：无明显噪音 2预建压减速度：由于预建压导致车辆减速值发生变化的范围应该在 0.05 m/s²至 0.3 m/s²之间 3ESC对预建压响应时间：刹车系统应该从收到雷达预建压请求150 ms内完成预建压动作 4ESC响应AEB减速度超调量不超过30% 5ESC响应AEB减速度超调时间不应该超过500 ms 6ESC响应AEB减速度稳态误差不超过10% 7ESC收到AEB请求结束信号，应该在100 ms内开始释放刹车（40 ms对行人工况下） 8刹停距离稳定，速度降达到30 kph 9车辆刹停后ESC使车辆保持停止时间应为3 s 10ESC从AEB请求发出到开始刹车的延迟时间应该小于60 ms 11有预建压下，0.7g的减速度请求，响应时间≤600 ms 无预建压下，0.7g的减速度请求，响应时间≤700 ms有预建压下，0.9g的减速度请求，响应时间≤690 ms 无预建压下，0.9g的减速度请求，响应时间≤790 ms 12车辆保持静止时，刹车系统应该保持不管在哪种倾斜路面下都不发生位移

（1）禁用状态。

如果车辆在倒车，或车辆是override状态，那么ESC发送的响应AEB状态信号为“0：禁用状态”。

车辆的override状态是指在主动制动过程中，驾驶员通过一定程度的踩油门踏板，从而暂停车辆主动制动，由驾驶员接管车辆的状态。

（2）等待状态。

当车辆制动系统正常；且ESC自身功能正常；且AEB雷达发送给ESC的减速度请求为0 m/s2，即DECELERAT- ION_SETPOINT=0 m/s2；且AEB雷达发送的请求制动类型为无制动请求，即MDD_ DECELERATION_TYPE=0；且AEB雷达发送的AEB状态为等待状态或激活状态，即AEB_ STATUS=5或6；那么，ESC发送的响应AEB状态信号为“1：等待状态”。

（3）激活状态。

当ESC收到AEB雷达发送给ESC的减速度请求，其值在小于0的正常范围内，即DECELERATION_SETPOINT =[-10.6,0) m/s2；且AEB雷达发送的请求制动类型为AEB制动请求，即MDD_DECELERATION_TYPE=2或3；且AEB雷达发送的AEB状态为等待状态或激活状态，即AEB_ STATUS=5或6；那么，ESC发送的响应AEB状态信号为“2：激活状态”。

（4）故障状态。

当ESC检测到自身系统存在故障时，如轮速传感器信号异常、制动踏板信号异常、CAN通讯故障等，ESC会实现功能降级，无法支持AEB的减速度响应，则ESC发送的响应AEB状态信号为“3：故障状态”。

4.2 ESC预建压策略

在有碰撞危险、AEB系统工作的第一阶段，除了通过仪表给予驾驶员声光报警外，同时执行器ESC还会预先填充制动油压。AEB雷达与ESC实现预建压的交互策略如下：

ESC自身响应AEB状态信号为等待状态或激活状态，即FA_ETAT_DECEL=1或2；并且ESC收到AEB雷达发出的预建压请求信号，即PREFILL_REQUEST=1；这两个条件同时满足时，ESC开始执行预建压动作，主动向制动轮缸中施加少许制动油压，一般为1.0 bar～2.5 bar，减少制动盘与摩擦片间的距离，以在有主制动需要时获得更快更高的制动水平。

由于预建压过程是一个很短暂的过程，若AEB雷达发出的预建压请求信号持续时间超出一定时长，默认为6 s，则此时ESC会判断AEB雷达信号发送错误，会将自身AEB状态信号跳转为禁用状态，即FA_ETAT_DECEL=0，以提示AEB系统出现问题。

4.3 ESC制动点刹振动策略

在AEB系统工作的第二阶段，通过制动系统在执行全力制动前通过短促的制动点刹振动对驾驶员以警告。在这期间会产生一定的制动力，并且需要点亮车尾制动灯。AEB雷达与ESC实现制动点刹振动的交互策略如下：

ESC收到AEB雷达发出的制动点刹请求信号，即HAPTIC_ALARM=1；此次AEB雷达发出的制动点刹请求较前一次请求的时间间隔大于1 s；ESC自身响应AEB状态信号为等待状态，即FA_ETAT_DECEL=1；AEB雷达发送的AEB状态为激活状态，即AEB_STATUS=6；驾驶员没有踩制动踏板；ESC无其他自身功能（如ABS、TCS、AYC等）工作；车速≥0 km/h；车辆横向加速度≤3 m/s2；以上条件全部满足时，ESC执行制动点刹振动动作。需要注意，在实际中往往由于预防碰撞的情况很紧急，时间不足以执行本阶段动作，会直接到达第三阶段。

ESC没有收到AEB雷达发出的制动点刹请求信号，即HAPTIC_ALARM=0；ESC自身响应AEB状态信号不为等待状态，即FA_ETAT_DECEL≠1；AEB雷达发送的AEB状态不为激活状态，即AEB_STATUS≠6；驾驶员踩制动踏板；ESC其他自身功能（如ABS、TCS、AYC等）正在工作；车速＜0 km/h；车辆横向加速度＞3 m/s2；制动点刹振动动作持续超过1 s；以上条件任意满足其中一条时，ESC退出执行制动点刹振动动作。

4.4 ESC全力主动制动策略

在AEB系统工作的第三阶段，就是实现全力紧急制动，ESC根据AEB提供的减速度请求迅速建压产生响应的减速度，直至车辆减速到静止后的保压过程或驾驶员接管。AEB雷达与ESC实现全力主动制动的交互策略如下：

ESC收到AEB雷达发送给ESC的减速度请求，且其值在−10.6 m/s2～0 m/s2范围内，即DECELERATION_SETPO- INT=[−10.6,0) m/s2；ESC收到AEB雷达发送的请求制动类型为AEB制动请求，即MDD_DECELERATION_TYPE=2或3；ESC收到AEB雷达发送的AEB状态为等待状态或激活状态，即AEB_STATUS=5或6；以上条件全部同时满足时，ESC实现全力紧急制动。

在上面全力紧急制动条件中，若AEB雷达发送给ESC的减速度请求，且其值为−10.65 m/s2时，说明情况特别危急，此时ESC会使用最大的制动能力进行紧急制动。

5 实车测试

AEB系统的实车测试可分为封闭场景测试和公共道路测试，封闭场景测试一般是以C-NCAP的测试场景为标准进行，而公共道路测试一般选取典型的高速、城市、乡村道路，车辆行驶累加里程30～60万公里的AEB系统可靠耐久测试。本文以东风风神某畅销车型封闭场景中的30 km/h碰撞静态车辆为例，测试数据如图3，使用CANoe软件分析实车测试数据，验证AEB系统的执行器策略。

图3 实车测试数据

图3曲线从上到下信号依次为：车速、踩制动踏板状态、油门踏板位置、AEB系统减速度请求、AEB状态、AEB请求制动类型、预建压请求、ESC响应AEB状态、车辆纵向加速度、车辆静止状态、车辆横向加速度、车辆横摆角速度、车辆行驶方向、车速有效标识、制动状态、制动踏板有效标识。在=538.8 s时刻，实车车速为28.04 km/h，驾驶员没有踩制动踏板和油门踏板，AEB系统识别到碰撞危险，需要ESC执行全力制动动作（在此之前AEB雷达已发送了预建压请求）：AEB雷达发出−8 m/s2的减速度请求、AEB状态“6：激活状态”、AEB请求制动类型“3：低速制动请求”，ESC此刻响应AEB状态分为“1：等待状态”。ESC迅速根据车辆当前及自身状态判断响应AEB制动请求条件，条件满足，及时执行AEB系统减速度请求。ESC进行主动制动在=538.86 s～540.38 s时间段，约1.52 s，完成主动制动车辆停止后，ESC还有3 s的保压动作。

将上例实车测试数据中的AEB系统减速度请求、车辆纵向加速度、ESC响应AEB状态信号单独绘制同坐标系曲线（如图4所示），用以分析实车中执行器ESC的响应特性。

图4 实车测试数据

=538.8 s时刻AEB雷达发出−8 m/s2的减速度请求，在=539.32 s时刻车辆纵向加速度达到−8 m/s2，可见响应时间为520 ms。ESC执行主动制动时，在=539.48 s时刻车辆最大纵向加速度达到−9.02 m/s2，则减速度超调为12.75%，超调时间160 ms。在随后580 ms时间内车辆刹停，由于紧急制动刹停时车辆有一个前倾动作，所以数据可见车辆纵向加速度达到正值1.46 m/s2。最后车辆刹停，避免碰撞发生。

6 结论

对于乘用车AEB系统的执行器需求和策略的研究，不仅是对执行层深入的理解，也为更安全、更可靠的AEB系统提供保障，并且伴随着自动驾驶技术研究逐步深入，自动驾驶应用逐步扩大，作为自动驾驶执行器之一的电子制动系统必将越来越受到重视，必然是今后研究的重点与难点。

[1] 陈强.通过真实交通事故数据验证AEB行人系统的有效性[J].质量与认证,2018(4):78-80.

[2] 中国汽车技术研究中心有限公司.C-CNAP管理规则(2021版)附录C主动安全ADAS系统试验方法[R].天津:中国汽车技术研究中心有限公司,2020.

Research the Actuator Requirement and Strategy of Passenger Vehicle AEB System

ZHANG Yi1, XU Taoyi1, SUN Qi2

( 1.Wuhan City College, Mechanical and Electrical Engineering Department, Hubei Wuhan 430077;2.Dongfeng Motor Group Co., Ltd., Technology Centre, Hubei Wuhan 430056 )

In order to promote the development of Autonomous Emergency Braking (AEB) system safer and more efficient, as the actuator of AEB system, it should be more and more paid attention to. Starting from the overview of AEB system, this research expounds the working process and test scenarios of AEB system. Based on the architecture of AEB system in one of DFM AEOLUS passenger vehicles, the research focuses on the requirements and strategies of the actuator. The signals requirement and response requirement of the active braking function in the actuator electronic stability system (ESC) are analyzed, and the strategy of actuator response to active braking function is described in detail. Finally, taking the field test data of the vehicle as an example, the requirements and strategies of the actuator are verified.

Autonomous emergency braking; Electronic stability controller; Assistance autonomous driving

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.017

U463.5

A

1671-7988(2021)21-70-06

U463.5

A

1671-7988(2021)21-70-06

张翼，硕士，高级工程师，就职于武汉城市学院机电工程学部，研究方向：汽车电子电控、电子设计与自动化控制。

湖北省教育厅科学技术研究项目：B2020334；武汉城市学院院级科学研究项目：2021CYYBKY004。