东风汽车：高速公路驾驶辅助系统的开发与应用 | 厚势

yeshuheng 2018-03-01

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厚势按：本文为东风汽车公司技术中心发表在 2017 年第三季度出版的《汽车安全与节能学报》上的论文《基于高速公路的半自动驾驶辅助系统的开发与应用》。

东风汽车的工程师们为了对东风风神 AX7 集成主动安全系统的量产进行有效的探索和技术积累，在此系统开发平台的基础上：

开发了在纵向动力学控制上的高级驾驶辅助系统（ADAS），包括全速自适应巡航系统（FSACC）、自动紧急制动辅助系统（AEB）和前向碰撞预警系统（FCW）；
通过扩展电动助力转向系统实现主动转向功能，开发了车道中线保持系统（LC）、车道保持辅助系统（LKA）和车道偏离预警系统（LDW）。

初步实现集成主动动力调节、主动制动和主动转向的集成底盘控制，所有的零部件、总成和系统都已经实现量产，基于城市高架及高速公路也进行了实车测试。

中国车辆市场快速增长使得道路交通事故发生数量剧增，与世界主要发达国家相比，我国事故发生率远远超过发达国家，而且交通事故死亡率也高出数倍，这很大一部分原因是驾驶员注意力不集中或驾驶经验不足所致 [1]。

近年来，旨在降低驾驶员负荷并且辅助驾驶员修正驾驶行为的驾驶辅助系统被广泛研究，并且自适应巡航（Adaptive Cruise Control，ACC）系统已经成功取得了商业化应用，ACC 系统通过对节气门和制动力的自动调节实现了对车辆的前向距离以及车速的控制 [2]。国内外主机厂也迅速地对基于转向系统的自动控制技术开展研究。文献中对以转向角作为控制输入的车道保持控制系统 [3-4] 和以扭矩作为控制输入的车道保持控制方法 [5-6] 都有介绍，也提出了基于车道线检测的直接横摆运动控制方法 [7] 以及自适应控制方法 [8-9]。

这些研究均单独以某一项纵向驾驶辅助系统或者横向驾驶辅助系统为研究对象，虽然在各自研究领域取得了较好的控制效果。但是，当前驾驶辅助系统配置日益丰富，驾驶辅助程度日益深化，控制变量不断增多，纵向控制和横向控制的耦合也越来越多，在此发展背景下，各项驾驶辅助系统功能的简单叠加已不能够满足整车控制的要求。此时则需要对多个系统进行集成控制 [10-11]。

目前通常采用的做法是对底盘多系统进行分层协调控制，该控制架构总体上可以分为 3 个层次：

最上层为统一化的控制目标计算：如在纵向可以表示为纵向速度、纵向加速度等，在横向可以表示为横摆角速度等）；
中间一层需要对上层控制目标进行优先级仲裁、权重分配，并且通过计算将上层控制目标转化为相应执行器的控制目标：如纵向加速度可以转化为发动机扭矩输出增量、车轮制动力等控制目标，横摆角速度可以转化为转向力矩、转向角或者差动制动力矩等；
最下层为各执行器接收到各自的控制目标并进行相应的闭环控制。

基于此背景，本文以东风风神 AX7 集成主动安全系统开发平台为基础，开发了在纵向动力学控制上的高级辅助驾驶系统，即全速自适应巡航（Full Speed Adaptive Cruise Control，FSACC）系统、自动紧急制动辅助（Automatic Emergency Braking，AEB）系统和前向碰撞预警（Forward Collision Warning，FCW）系统 [12]，并通过扩展电动助力转向系统实现主动转向功能，开发了车道中线保持（Lane Centering Assist，LC）系统、车道保持辅助（Lane Keeping Assis，LKA）系统和车道偏离预警（Lane Departure Warning，LDW）系统，且首次引入了集成底盘控制器对车辆行驶采取了综合控制，初步实现集成了主动动力调节、主动制动和主动转向的集成底盘控制。

1. 半自动驾驶辅助系统架构

1.1 半自动驾驶辅助系统组件架构

本研究以摄像头和雷达作为环境感知传感器，ACC 及车道保持控制器分别独立计算各自的控制目标，集成底盘控制器对各控制目标进行综合优化分解，并将指令传递到各执行单元，对发动机、变速箱、制动系统及转向系统进行集成控制，实现车辆自动跟随、自动刹车、安全车距保持以及自动车道保持等功能。执行单元包括发动机管理（Engine Management System，EMS）系统、车身稳定控制（Electronic Stability Control，ESC）系统、电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）系统等。同时扩展了系统人机界面接口，设置系统开关、系统菜单以及声音、文字、图标等显示信息。

为了满足上述目标，对样车进行了如下方面的改装升级：

在挡风玻璃内壁安装智能前视摄像头；
在车辆的前格栅后加装长距雷达；
中控台仪表更换为全液晶仪表；
加装系统开关；
升级原车 ESC 系统，使之具备主动刹车功能；
升级原车发动机管理系统，扩展增扭/降扭交互接口；
升级原车 EPS 系统，使之具备主动转向功能；
增加集成底盘控制器。

1.2 关键零部件选型

对于该半自动驾驶原型车来说，雷达、摄像头以及集成底盘控制器为新增零部件。为满足车辆控制的精度、实时性，对这些样件作如表 1 中所示的性能要求：

表 1 雷达及摄像头的性能要求

根据表 1 中的性能要求，雷达和摄像头分别选用博世和德尔福的某款量产成熟产品进行匹配开发。集成底盘控制器通过控制器局域网（Controller Area Network，CAN）接收雷达和摄像头的控制目标，并通过协调控制算法转化为对执行器如发动机系统、制动系统、转向系统的控制指令。该零件由东风汽车公司技术中心自主开发，对核心算法采用 0.5 ms 的计算周期，并要求其从接收到雷达和摄像头的控制目标到下达对执行器的指令过程不超过 5 ms。

1.3 半自动驾驶辅助系统网络架构

本研究所采用的样车动力 CAN 总线具备 500kb/s 的通讯速率，新增的雷达、摄像头、集成底盘控制器均连接在此总线上，EPS、ESC、EMS 也在此总线上扩展了主动转向、主动制动、主动升/降扭的交互接口。仪表作为网关跨接动力 CAN 总线与车身 CAN 总线，一些必要的车身状态信息如转向灯开关、雨刷器工作状态等，可以通过仪表转发到动力 CAN 总线上。

图 1 半自动驾驶辅助系统 CAN 网络架构

图 1 所示为东风半自动驾驶样车的 CAN 网络架构简图。表 2 描述了与半自动驾驶相关的主要 CAN 总线信号流向。

表 2 车辆半自动驾驶系统主要 CAN 信号流向

1.4 半自动驾驶辅助系统整体功能架构

如图 2 所示，本研究中的半自动驾驶辅助系统首先由雷达和摄像头对道路、车辆等环境信息进行检测，ACC 控制器以及车道保持控制器结合驾驶员的设定信息以及道路环境信息计算出整车纵向加速度目标和横摆角速度目标值。

图 2 半自动驾驶辅助系统功能架构

集成底盘控制器根据上层控制目标值的大小以及子系统的特性来决策由哪些子系统来执行相应的动作。比如当纵向加速度目标为正值时，会选择由发动机增加输出扭矩来实现车速提升；当纵向加速度目标为负值并且其值较小时，会选择由发动机降低输出扭矩来缓慢减速；当纵向加速度目标为负值且超过一定的数值时则选择由 ESC 主动制动来达到快速减速的目的。

横摆角速度目标可以由转向系统施加主动转向扭矩进行响应，在极限驾驶情况下，当轮胎特性处于非线性区域时转向系统无法有效提供横摆力矩，此时可以由制动系统通过差动制动提供充足的横摆力矩。实际上由于本研究中的半自动驾驶系统并未引入主动变道等功能，对系统的横摆干预量以及变化速率进行了限制，因此在横向运动修正方面以施加主动转向扭矩为主。

发动控制机系统、制动控制系统、转向控制系统通过执行集成底盘控制器分配的控制目标，改变车辆的纵向、横向运动状态，车辆的最新运动状态又反馈给 ACC 控制器和车道保持控制器进行控制目标的更新。

2. 半自动驾驶辅助系统功能实现

2.1 上层控制目标计算

2.1.1 纵向控制目标计算

ACC 功能首先会根据自车车速计算与前车之间的纵向保持距离，以保证自车与前车的纵向安全性，该距离以线性方式进行计算如式（1）所示：

其中：

D_des 为本车与前车之间的目标车距；
k_1、c_1 为通过当前本车车速来确定与前车之间目标距离的一次方程的常数；
D_max 为本车与前车之间的最大目标车距，当线性方程计算得出的数值超过此数值时会被限定在此数值；
D_min 为本车与前车之间的最小目标车距，当线性方程计算得出的低于此数值时会被限定在此数值；
v 为本车当前车速；
v_max 为对应目标车距为 D_max 时的车速；
v_min 为对应目标车距为 D_min 时的车速。

通过目标车距计算得到自车目标车速，如式（2）所示：

其中：

v_des 为本车目标车速；
v_set 为驾驶员设定的巡航车速；
D_set 为通过式（1）计算当车速为 v_set 时的目标车距。

综合考虑对目标车距和目标车速的调节，设定自车目标纵向加速度如式（3）所示：

其中：

a_des 为本车纵向加速度控制目标值；
k_2、k_3 为常数；
为保证系统舒适性使用 a_max 和 a_min 对 a_des 的幅值进行限制：a_max 为保证舒适性而设定的纵向加速度最大值；a_min 为保证舒适性而设定的纵向减速度最大值。

2.1.2 横向控制目标计算

图 3 车道保持控制示意图

图 3 描述了车辆相对于行驶目标轨迹（此处以 LC 为例，目标为车道中心线）的方位计算。D_y 为车辆距车道中心线的偏移量；φ 为车辆偏航角；D_p 为摄像头对前方道路的预瞄距离，并且该预瞄距离随车速增高而线性增大，可以表示为：

其中：D_p,max 和 D_p,min 分别为预瞄距离的最大值和最小值，k_4 和 c_2 为常数。

图 3 中，φ_des为目标航向角，此处表示为：

其中：k_5 为常数。

根据式（5）可知，当车辆偏离车道中心线越多，就会形成一个较大的反向修正目标；当车速越高时由于预瞄距离越大，在相同的车道偏离量时相应目标修正量会较小。

假设 φ_des 为车辆的目标横摆角速度，则可以表示为：

其中：R 为当前道路半径。

2.2 集成底盘控制器设计

集成底盘控制器的作用是将前面所述的车辆纵向和横向运动进行耦合集成控制，协调发动机系统、制动系统和转向系统完成车辆状态修正。

2.2.1 纵向控制目标分解

如图 4 所示，P 为纵向分配比例，红色实线代表发动机系统承担的部分，绿色虚线代表制动系统承担的部分，纵向控制系统详细的控制算法可参见文献 [12]。

图 4 车辆目标纵向加速度分配示意图

当 ACC 控制器计算得出的车辆目标纵向加速度 a_des ≥ 0 g 时，则将该加速度目标全部分配给发动机系统，并且将该加速度目标值转化为发动机扭矩输出增量进行控制；
当 -0.1 g ≤ a_des < 0="">
当 -0.3 g ≤ a_des < -0.1="" g="">
当 a_des < -0.3="" g="">

2.2.2 横向控制目标分解

LKA 控制器计算得出的横向控制目标为目标偏航角和目标横摆角速度，使车辆产生横摆运动的方式可以采取主动转向和差动制动以及两者相结合的方式。但是基于 LKA 系统仅需使车辆维持在本车道内行驶，并不涉及到紧急变道等剧烈操作需求。本文将横向控制目标 100% 转化为转向系统的干预力矩。其计算式如下：

其中：T 为转向叠加力矩，k_6、k_7 为控制系数。

2.3 安全设计

本研究中将 ACC 功能以及车道保持功能作为高级驾驶员辅助系统，最大程度为驾驶者提供驾驶舒适性以及安全性。但其也只能作为辅助系统，很难在所有的工况下满足车辆自动驾驶的需求。

因此系统设计时还要考虑诸多因素来保证系统运行的安全，降低系统误动作给驾驶员带来的安全风险。该项目的开发从需求分析到详细设计再到测试验证遵从 ISO 26262 标准的功能安全 V 字型开发流程。

2.3.1 关键的安全设计元素举例

1）通讯数据校验。对于如表 2 所述的所有关键信号均采用 Checksum 和 Rollingcounter 进行校验。要求信号的收发双方均对传输数据进行判断是否正常。如果偶尔发生一次数据校验错误，则将此帧数据废弃采用最近一次的有效数据进行控制。如果错误连续发生超过一定的次数，则系统自动退出，并通过仪表对驾驶员进行提醒。

2）控制限幅。系统在提供运行所需的控制量的前提下，尽量减小对执行机构的控制。如对于车道保持系统来说控制指令的收发双方均对控制量进行 ±3 Nm 的限制。一旦 EPS 系统接收到超过该范围的请求，首先 EPS 会将响应动作限制在该范围之内，如果连续收到超出范围的请求次数据超过设定值，那么 EPS 会确认发送方的指令计算出了问题，它会平稳地退出车道保持控制并在仪表上进行报警。

3）信号丢失处理。对于表 2 所述的所有关键信号均会定时判断其接收状态，如果单次接收超时，则采用最近一次有效值进行替代计算，如果连续超过设置的时间收不到该信号，则系统自动退出，并在仪表上进行报警提示。

4）「软」失效保护。对于上述所列举的以及本文未列举的仅跟驾驶辅助相关的故障被确认时，系统仅关闭跟驾驶辅助相关的功能，仍能够保证在驾驶员的干预下执行各自的常规功能。比如转向系统仍能够提供正常的助力特性，制动系统仍能够根据制动踏板的输入提供正常的制动力矩。

5）驾驶员优先。本文所述的半自动辅助驾驶系统在设计层面上要满足任何情况下驾驶员能够完全接管对车辆的控制。比如，当驾驶员对制动踏板的干预超过一定程度后，ACC 功能将自动退出，当驾驶员在方向盘上的输入力矩超过一定程度后，车道保持功能也自动退出对转向的控制。

3. 实车测试及分析

3.1 纵向驾驶辅助（ACC）功能测试

试验开始前，先设置 ACC 系统的巡航速度（v_acc）为 80 km/h，设置完成后，开始测试。

图 5 ACC 系统测试示意图

ACC 系统测试如图 5 所示，前方引导车在同向车道行驶，速度（v_intr）稳定在 30 km/h，匀速行驶 10s，加速至 50 km/h，匀速行驶 20s，减速至 30 km/h，匀速行驶 10s，ACC 车辆驾驶员保持车辆直行，不能踩油门踏板和制动踏板，在 ACC 系统控制下实现自动跟车。测试结果如图 6 和图 7 所示。

图 6 ACC 测试结果

图 7 ACC 距离跟随测试

从图 6 和图 7 可以看出，ACC 车辆能稳定跟随前车加速或减速，速度响应时间短，加速过程平稳，无急加速和急减速情况，驾驶员无不舒适感。

说明在本文所设计的系统控制架构下，从 ACC 控制器对纵向加速度控制目标的计算到集成底盘控制器对该控制目标的转化和分解,再到动力总成以及制动系统对各自所负责的控制指标的响应各计算环节互相配合，取得了良好的综合控制效果。

ACC 车辆与前车的速度为 30 km/h 时，车距（D）保持在 25 m 左右，当车速在 50 km/h 时，车距保持在 35 m 左右，这与理论计算的安全车距保持一致。

3.2 横向驾驶辅助功能测试（LDW、LKA 功能测试）

车辆在一段平直的路段行驶，驾驶员维持车速在 80 km/h 左右，车辆在直行过程中驾驶员轻微扰动方向盘并松开双手。图 8 为 LDW、LKA 功能测试的示意图。

图 8 LDW、LKA 功能测试示意图

图 9 LDW、LKA 功能测试数据

图 9（a）中，蓝色线条为车辆左侧车轮驶过的痕迹，红色线条为右侧车轮驶过的痕迹，绿色线条为左侧车道标线，紫色线条为右侧车道标线（该路段车道宽度为 3.7 m），红色圆圈标识的地方为 LDW 报警的区域。

图 9（b）中，蓝色的曲线为 LKA 系统施加的修正力矩 T（该力矩为换算到方向盘上的力矩，正值代表向左修正，负值代表向右修正）。图 9 坐标中 X 为车辆纵向（前进方向）位移，Y 为车辆横向（左右方向）位移。

从图 9 可以看出，当车辆向左偏离时，系统给出了向右的修正力矩，当车辆距离左侧车道线小于 0.1 m，甚至超出左侧车道线时系统发出了向左偏离报警指示。当车辆向右偏离时亦然。在该次数据中包含了一次向右修正和一次向左修正，车辆超出车道线的最大距离为 0.16 m，符合 ISO 11270 对 LKA 系统修正能力的要求。

3.3 半自动驾驶辅助功能测试

将车道保持辅助功能切换为 LC 模式，并开启 ACC 功能，设置目标车速为 80 km/h，然后松开油门踏板。当车辆速度接近目标车速时双手脱离方向盘，此时车辆的横向运动及纵向运动将全部由驾驶辅助系统自动控制。车辆行驶的车道宽度为 3.7 m，道路曲率半径不小于 650 m。

图 10 LC、ACC 功能测试数据

从图 10 可以看出，在 LC 模式下车辆的横向运动得到了全时控制，车辆始终以车道中心线为目标进行转向修正。

在该模式下基于车辆目标航向角与实际航向角的差值进行了横摆目标值的计算，并经过集成底盘控制器的计算转化输出为转向叠加力矩，并将该指标分配给 EPS 子系统。EPS 系统通过对助力扭矩的闭环调节，最终实现车辆的轨迹修正。

经过这一系列的计算和控制，车辆运动轨迹一直保持在本车道内，靠近车道中心线的位置，验证了控制策略和算法的有效性。

4. 结论

本文以东风风神 AX7 集成主动安全系统开发平台为基础，开发了在纵向动力学控制上的 3 种高级辅助驾驶系统。通过扩展电动助力转向系统实现主动转向功能，开发了道路中线保持等 3 种系统，且首次对车辆行驶采取了综合控制，初步实现了集成主动动力调节、主动制动和主动转向的集成底盘控制，在城市高架及高速公路进行了约 1500 km 实车测试，验证了系统方案的可行性。

本研究对低成本车辆实现高速公路半自动驾驶进行了有效探索，使 AX7 半自动驾驶车辆解放了驾驶员的双手和双脚，实现了高速公路部分路况下的半自动驾驶。

该项目的开发及测试参考了当前国内外的法律法规以及当前合资品牌 ADAS 系统的量产实施方案，并作了集成底盘控制的初步提升。下一步还需继续研究更深度的驾驶员辅助功能，例如：