防撞辅助系统对执行器的需求及交互策略

蒋俊

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 防撞辅助系统简介

防撞辅助系统通过雷达、摄像头等感知技术实时、主动地探测前方车辆及行人或其它障碍物的运动状况，同时结合本车的行驶情况，根据车况的综合信息对车辆当前行驶状态做出分析和判断，在判断存在碰撞风险时，会采取声音、视觉或触觉等方式向驾驶员发出报警，提示驾驶员注意接管车辆以规避危险。当碰撞危险加剧到一定程度时，判断驾驶员仍未能做出有效地反应，系统会通过制动系统对汽车进行自动紧急制动，快速减低本车的速度，避免车辆碰撞情况发生或尽最大可能地降低碰撞造成的伤害程度。

防撞辅助系统按照子功能可分为前碰报警、预填充、HBA 阀值调整、点刹报警、AEB（自动紧急制动）。各功能的触发取决于感知模块对当前车身行驶环境的分析决策，没有严格的触发优先级区分。

2 防撞辅助系统架构

目前所有的辅助驾驶系统都可分为环境感知、决策规划、控制执行三个层面，防撞辅助功能也可在这三个层面来分析系统架构。环境感知主要由毫米波雷达、摄像头或者二者融合的方案来实现；对于简单的系统，决策规划也集成于毫米波雷达或摄像头内，根据环境感知结果来分析判断，进一步做出决策。执行端主要包括以汽车电子稳定控制系统（ESC）为基础的电机柱塞泵主动建压制动系统解决方案、以汽车电子液压制动系统为基础的高压蓄能器主动建压制动系统解决方案、以新型汽车电子助力制动系统为基础的主缸助力电机主动建压制动系统解决方案。[从整车成本及方案成熟度考虑，中低端车型执行器基本选用ESC 模块。

下图1 为某车型的防撞辅助系统的架构简图，以毫米波雷达作为感知及决策模块，ESC 作为主执行器进行制动控制。各控制模块通过CAN 现场总线进行信号的通讯，驾驶员可通过车机对防撞辅助系统进行开启关闭设置及其它参数设置。除ESC 作为执行器对车身进行控制外，仪表通过文字或指示灯显示、声音提示等方式来提醒驾驶员。在AEB 激活的情况下，危险警示灯点亮用以警示其它车辆。

图1 防撞辅助系统架构图

3 交互信号

3.1 雷达发送信号

3.2 ESC 发送信号

表1 和表2 中列出了防撞辅助系统中雷达与ESC 的主要的交互信号，这些信号通过报文方式周期性的发送，报文周期需严格控制在20ms 及以下。雷达接收从ESC 发送来的车身运动状态信息，如车速、制动主缸压力、子功能可用状态等，结合自身感知的行驶环境做出相应的决策请求。ESC 模块在接收到雷达的预建压请求、AEB 请求等请求信号后，执行相应的动作，执行后ESC 会反馈激活的信号给雷达。

表1 雷达发送给ESC的信号

表2 ESC发送给雷达的信号

4 系统交互策略

4.1 预填充策略

预填充是通过ESC 在轮缸内建立一个小的轮缸压力，以消除制动片与制动盘二者间间隙，从而达到制动系统可以在驾驶员制动时作出更快响应的目的。

在ESC 无故障的情况下，会一直反馈“预填充可用”为$1=可用。当雷达感知到行车的环境符合预填充的条件时，雷达发送“预填充请求”为$1=有请求，请求ESC 进行预填充。ESC接收到信号后，建立一个约5bar（可标定）的制动压力，同时反馈“预填充激活”为$1=激活表示已完成建压，完成握手交互。

为避免ESC 长期建压，通常情况下，预填充最长请求时长为5s。超过5s 后，即便依旧有请求信号的情况下，ESC 将会泄压，不再执行。此时“预填充激活”为$0=未激活，“预填充可用”为$1=可用。同时，ESC 需判断两次需要判断两次请求的时间间隔，若小于20s（上一次响应到下一次需求），则ESC 模块不执行第二次预填充请求。

4.2 HBA 阀值调整策略

HBA（液压制动辅助系统）功能是ESC本身的功能，能通过监测制动压力信号，HBA 可以发觉到驾驶员进行紧急制动的意愿，从而自动补上紧急制动时不足的制动力。HBA 阀值调整为防撞辅助系统的功能，雷达能根据探测到的紧急情况，降低HBA 触发的阀值，使驾驶员制动时，更容易触发HBA 功能，达到减小制动距离的效果。

在ESC 无故障的情况下，“ABA 可用”为$1=可用。满足潜在碰撞危险条件时，雷达会将“刹车辅助请求”置为$1=有请求，同时“刹车辅助系统灵敏度等级”由0 调整至响应的等级；ESC 接收到信号后将降低触发HBA 功能的阈值，并准备好触发HBA 功能（等待驾驶员踩制动踏板）。

4.3 点刹报警策略

点刹报警为防撞辅助系统在危险情形下对驾驶员提醒的一种方式，在前碰报警后驾驶员依旧未接管且车辆危险程度变高或突发危险的情况下，通过短促而有力的制动来提醒驾驶员接管车辆。

在ESC无故障的情况下，“点刹功能可用”一直为$1=可用。当雷达感知到车辆危险情况满足点刹功能触发的条件时，“点刹警示请求”为$1=有请求，“点刹警示灵敏度等级”由等级0 调整至相应的等级。ESC 会根据接收到的不同敏感度等级建立不同的制动压力。点刹功能触发中，ESC 会反馈建压激活状态信号“点刹响应激活”为$1=激活给雷达。

点刹功能主要目的是提醒驾驶员接管车辆，而非进行持续制动。所以点刹对ESC 有以下需求：车辆减速度在0.1g-0.3g 之间，作用时间为0.2s-0.4s，点刹时速度降最大不超过5km/h。

4.4 自动紧急制动策略

自动紧急制动功能是雷达感知车辆处于极其危险情形且驾驶员未做出有效的接管的情况下，通过与制动系统协作控制车身减速，达到避免碰撞或者减小碰撞程度的效果。

在ESC 无故障的情况下“AEB 可用”一直为$1=可用。雷达感知到行车的环境符合自动紧急制动触发的条件时，“AEB 车对车请求状态”为$1=有请求，同时通过“AEB目标减速度值”发送计算减速度值给ESC。ESC 接收到信号后，对轮缸制动压力进行精准加压，以达到雷达请求的减速度值。同时将“AEB 激活”置$1=激活进行反馈。

AEB 触发时ESC 需短时间内建立一个比较大的制动压力，这对ESC 的寿命性能均有一定的影响。所以ESC 自身对其做了限制：在响应AEB 功能时，最长执行时间为5s；同时ESC 会判断两次AEB 触发的时间间隔，若小于10s 时，ESC 不会执行第二次的请求。虽然这类执行器本身的要求制约了AEB 的功能退出或者无法激活，但ESC 依旧会发出“AEB 可用”一直为$1=可用。

5 执行器（ESC）性能需求及测试

表3 列出了防撞辅助驾驶系统对ESC 的性能需求，主要集中在自动紧急制动部分。对于 ESC 的响应性能，一般使用 CANoe 软件中的 capl 编程语言来进行测试。如图2所示，用capl 设置一个阶跃的减速度来查看ESC 的响应情况：黄色曲线代表雷达的请求减速度，绿色曲线代表ESC 响应的减速度。

表3 对ESC的性能要求

图2 ESC响应曲线

（1）雷达在t=14.52s 时，开始有减速度请求，请求的减速度为-4m/s。在

t=14.70s 时ESC 开始建压，反应时间为 182ms，满足需求；

（2）在t=14.92s 时，建压满足目标减速度，则响应时间为403ms，满足需求；

（3）ESC 建压时，超调量为-4.56m/s，超调量为14%，满足需求；

（4）在t=15.12s 时，ESC 建压稳定，进入稳态响应状态，稳态控制时间为100ms，满足需求；

（5）进入稳态后，最大的稳态误差在t=17.14s，为-4.56m/s，超调精度为14%，不符合<10%的要求。

以上为阶跃型的减速度测试案例，实际还有例如梯度型减速度测试案例等。通过不同测试案例的多次测试结果来综合评定 ESC 是否符合要求。

6 结语

防撞辅助功能是一个系统工程，既取决于感知及决策模块的正确规划，也需要执行端的快速响应。目前汽车智能化正快速的推进，随着成本的下降及用户对安全要求的提高，防撞辅助系统会逐步成为汽车的标配。深入了解决策端与执行端的交互策略、分析执行器的性能，可以完善优化目前系统存在的一些问题，也能为后续汽车开发提供更安全可靠的防撞辅助功能。