自动紧急刹车系统的设计与开发

自动紧急刹车系统的设计与开发

边宁，郭顺，杜江伟，沈忱，白傑

东风汽车公司技术中心，武汉市，430058，email: biann@

摘要：AEB（Autonomous Emergency Brake，自动紧急刹车系统）是当前汽车主动安全技术的焦点，是一种避免追尾和防止碰撞的有效解决方案。本文以东风风神A60为原型，在加装了毫米波雷达及ESC（Electronic Stability Control，车身电子稳定系统）的基础上，利用Matlab/simulink的建模环境和ETAS快速控制原型系统，开发完成了AEB系统的控制策略，并进行了初步验证。

关键字：主动安全；自动紧急刹车系统；安全距离测算

Design and Development for Autonomous Emergency

Brake System

BIAN Ning, GUO Shun, DU Jiangwei, SHEN Chen, BAI Jie

DongFeng Motor corporation technology center，Wuhan，430058，email: biann@ Abstract:Currently, AEB (Autonomous Emergency Brake) is the focus of automotive active safety technology, it is effective solutions to avoid rear-end and prevent collisions. Based on Dongfeng Aeolus A60 which installed the millimeter-wave radar and ESC (Electronic Stability Control), this paper completed the development of control strategy for AEB system using Matlab/simulink and rapid prototyping system, and verified it by testing.

Keywords：active safety; Autonomous Emergency Brake; safety distance calculation

1 引言

安全像基因一样主导着汽车技术的发展，也是汽车厂商一直努力追求的目标。AEB （Autonomous Emergency Brake，自动紧急刹车系统）是一种汽车主动安全技术，它采用传感器测出与前车或者障碍物的距离，然后预测汽车潜在的碰撞风险，主动干预制动系统来避免事故。调研中显示，车辆在装备AEB之后能减少27%的事故[1]，尤其是在城市路况中，低速AEB系统（工作时速范围在30km/h以下）能使追尾事故发生率大幅度减少。

随着AEB技术的日渐成熟，众多车企都非常看好这项技术在减少事故发生率上的帮助，Euro-NCAP从2014年开始将AEB入汽车安全评级加分项中。沃尔沃、上海通用、一汽大众、长安福特等的上市车型中有些已经配备了低速AEB系统，国内自主品牌红旗H7、吉利EC8也同样具备此功能。可见AEB在将来很快会成为ABS、ESP等我们熟知的汽车安全名词，成为未来汽车安全系统中必不可少的主打配置。

东风汽车公司以风神A60为原型，改装完成了智能驾驶控制系统功能开发平台，并基于此平台开发了AEB系统的基本控制策略。利用Matlab/simulink的建模环境和ETAS快速控制原型系统，通过试验场测试验证了功能。

2 AEB系统的原理及总体设计

AEB系统是一个―感知——运算——执行‖ 循环的闭环过程，它采用毫米波雷达实时地测出与前车或者障碍物的距离，结合自车传感器信息，利用安全距离模型实时计算当前条件下的安全距离，并与雷达测出的距离进行对比来确定安全状态，当雷达测出的实际距离小于安全距离时，即使在驾驶员没有来得及踩制动踏板的情况下，系统会主动向ESC（Electronic Stability Control，车身电子稳定系统）发送油压指令，使得车辆在瞬间获得一定的减速度，紧急制动从而避免碰撞。本文采用基于模型的控制策略开发方法，使用Matlab/Simulink工具搭建模型，利用快速控制原型系统进行功能验证[2]。AEB结构原理图1如下所示。

图1 AEB系统结构原理图

3 AEB系统的硬件构成

以风神A60为基础，通过改装和升级，构建智能驾驶控制系统的开发平台，基于此平台可进行ACC（自适应巡航控制系统）、AEB等主动安全及智能辅助驾驶系统的开发与测试。对于AEB 系统，硬件平台所应具备的功能如下：

（1）环境感知传感器（如雷达或摄像头）能实时采集前车或障碍物的相对距离、相对速度等信息；

（2）运算控制单元能判断自车当前的安全状态，并在需要主动干预制动的情况下，发出制动指令；

（3）制动系统能响应控制单元发出的制动指令。

根据以上功能要求，我们对风神A60进行了3个方面的改装及升级：

（1）在车辆的格栅后加装毫米波雷达，其最大探测距离为130m，探测精度±0.5m。

（2）把原车的防抱死系统（Anti-locked Braking System，ABS）换装成ESC电子稳定控制系统，能够响应控制其发出的制动油压指令；

（3）加装快速控制原型系统（ETAS-910），能够将开发好的Simulink模型下载到控制器中验证。控制器ETAS-910的信号输入主要包括：雷达数据（如相对速度、相对距离等），车辆传感器信号（速度传感器、油门和制动踏板位置传感器）；信号输出主要包括：制动油压指令[3]。

图2 AEB系统硬件结构

4 AEB系统控制策略的设计

综上所述，在Simulink建立的控制模型包括3个部分：信号处理模块、安全距离测算模块、制动执行模块。

4.1 信号处理模块

信号处理模块主要功能包括：

（1）将雷达和自车传感器输入的信号如：相对距离、相对速度、自车速度、等进行滤波处理；

（2）根据油门踏板位置、主缸制动压力大小来判断制动踏板和油门踏板信号的ON/OFF。

4.2 安全距离测算模块

在实际的驾驶过程中，可分为驾驶员在发现危险到制动停车可分四个阶段，如下图3所示: （1）反应阶段，假设在t w时刻驾驶员意识到有碰撞危险，t p时刻驾驶员刹车，t p -t w为驾驶员反应时间，驶过的距离为x w；

（2）预压阶段，油压从零增至最大稳定油压的过程，t ah -t p为预压建立时间，驶过距离为x p;

（3）全压减速阶段，车辆以最大刹车减速度制动，t stop -t ah为全压刹车时间，驶过距离：x ah；

（4）刹车停止后跟随阶段，设定结束刹车后的车间距离x stop。

目标车

图3 安全距离分析示意图

当自车与前车的距离达到D d时，在考虑以驾驶员意志为优先的原则下，AEB系统没有控制动作；当实际车间距离达到S s时，驾驶员仍然没有采取制动动作，AEB系统判断出汽车进入危险状态，同时向ESC发出制动指令，使车辆在瞬间获得一个较大的制动减速度，帮助驾驶员完成制动功能，避免发生碰撞[4]。安全车距表示如下：