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高速路自动驾驶功能HWP是指在一般畅通高速公路或城市快速路上驾驶员可以放开双手双脚#xff0c;同时注意力可在较长时间内从驾驶环境中转移#xff0c;做一些诸如看手机、接电话、看风景等活动#xff0c;该系统最低工作速度为60kph。 如上两种不同环境和速度…一、功能定义
高速路自动驾驶功能HWP是指在一般畅通高速公路或城市快速路上驾驶员可以放开双手双脚同时注意力可在较长时间内从驾驶环境中转移做一些诸如看手机、接电话、看风景等活动该系统最低工作速度为60kph。 如上两种不同环境和速度段下的自动驾驶功能均需要在超出其限定ODD范围外的场景、系统本身运行故障出现降级、其他车辆可能出现明显故障时对驾驶员进行报警此时驾驶员在系统所能超控整车的最大时间内做出反应并接管车辆。故此过程中驾驶员的所有车内表现都要求驾驶员能够在足够的时间内具备及时的接管能力。故对于有限自动驾驶而言不能允许驾驶员做一些反应时间更长的举动如中度、重度疲劳或离开驾驶位。
二、HWP相应的主要的功能状态包含如下 1、待机Passive
初始化过程包括在TJP/HWP未激活时检查TJP/HWP激活条件确保在ODD范围外的任何条件均无法激活TJP/HWP系统。当检查到TJP/HWP系统激活条件都满足时通过视觉或听觉的方式提醒驾驶员系统此时可激活。当检查到激活条件有不满足情况时系统会根据其不满足条件的部分自动筛选并排序通过仪表或声音提示驾驶员不可激活的原因。由于自动驾驶功能需要搭载高精地图具备导航功能当系统接收到导航地图发出的前方环境信息及目的地信息可通过主动推送的方式提醒驾驶员在某一段环境较好的路段打开TJP/HWP功能进行自动驾驶体验。当然用户也可以手动通过车机通过个性化设置选择关闭TJP/HWP系统。TJP/HWP系统是凌驾于L2级系统待机策略之上的故两者的待机条件应该以L2级为基础进行设置区分横向和纵向进行可待机激活状态
1满足TJA/ICA激活条件
所有传感器无故障执行器无故障且支持的ADAS附加功能可用如ESP的VAF功能可用、EPS的转向状态可用车辆信息输入正常如轮速、转角、横摆角等信息驾驶员驾驶状态正常如安全带已系上、车门已关好、引擎盖已关好、档位已挂到D/S档
2满足TJP/HWP单独要求激活条件
检测到高精度地图输入的车辆道路环境处于ODD范围内检测到驾驶员激活功能时状态不处于重度疲劳或注意力严重分散状态检测到主辅控制器均无故障且状态正常
说明① 对于TJP/HWP单独要求的激活条件而言其中检测车辆处于ODD范围内要求系统搭载较高精度和准确度的高精度地图要求高精度地图可以实现车道级别的定位。
② 以上环境感知是功能激活的重点项目对于高精度地图定位感知的环境信息需要融合激光雷达信息进行相应的点云数据重建以便更为精准的对环境和车道信息均进行探测。 ③ 对于自动驾驶控制而言对于驾驶员接管能力需要提出相应要求未激活前已经检测到驾驶员重度疲劳或长时间注意力不集中时应禁止驾驶员激活自动驾驶当然如果是激活之后才进入重度疲劳或分散时可以适当缩短报接管的时间。④ 对于自动驾驶而言要求当控制器故障时如果已经激活可以启用备用控制器降级后进行驾驶控制但是如果在激活之前控制器故障则不能进行激活以保证安全。
2、激活Active
当满足如上提出的所有可激活待机条件后驾驶员通过主动激活或推送的方式进入正常使用TJP/HWP功能时系统便能实现正常的自动驾驶执行整个动态驾驶任务整个控制逻辑中包括如下环境感知、行为决策、横纵向运动控制、执行反馈调节、显示报警等。具体可包括如下功能对比 功能状态系统 TJP HWP 纵向功能 1自动保持误差范围内与前车一定距离2自动保持误差范围内与前车一定速度3自动跟随前车停车及起步4当有新目标切入时自动完成目标切换同时进行适当减速5当本车前方目标切出时自动完成目标切换同时进行适当加速6识别到环境限速信息包括地图信息或交通流信息后自动进行车速限制7速度高于TJP作用速度范围后自动进入HWP功能控制 1自动保持误差范围内与前车一定距离2自动保持误差范围内与前车一定速度3当有新目标切入时自动完成目标切换同时进行适当减速4当本车前方目标切出时自动完成目标切换同时进行适当加速5识别到环境限速信息包括地图信息或交通流信息后自动进行车速限制6速度低于HWP作用速度后自动进入TJP功能控制 横向功能 1根据导航信息计算相应的横向控制轨迹并以航向角或横向位移输出进行横向转角控制2自动保持一定偏差内的横向轨迹对中功能3自动根据弯道半径调整本车横向对中偏移量4自动根据本车道旁边车道车辆偏离该车道风险自动条件横向对中偏移量5自动根据横向执行反馈结果及环境变化调整横向轨迹偏差6速度高于TJP作用速度范围后自动进入HWP功能控制 1根据导航信息计算相应的横向控制轨迹并以航向角或横向位移输出进行横向转角控制2自动保持一定偏差内的横向轨迹对中功能3自动根据弯道半径调整本车横向对中偏移量4自动根据本车道旁边车道车辆偏离该车道风险自动条件横向对中偏移量5自动根据横向执行反馈结果及环境变化调整横向轨迹偏差6速度低于HWP作用速度后自动进入TJP功能控制 监控功能 自动监控驾驶员状态并根据监控结果执行相应的应对措施。1当TJP激活时检测到驾驶员状态为疲劳为重度或注意力分散时间较长时则缩短TJP操控时间提前进入TJP系统自身报警2当检测到驾驶员状态为重度疲劳或注意力分散时间较长时则无法进入TJP系统可用性待机状态3当驾驶员监控系统检测到TJP开启时延迟一定时间进入DMS系统自身报警 自动监控驾驶员状态并根据监控结果执行相应的应对措施。1当HWP激活时检测到驾驶员状态为疲劳为重度或注意力分散时间较长时则缩短HWP操控时间提前进入报警2当检测到驾驶员状态为重度疲劳或注意力分散时间较长时则无法进入HWP系统可用性待机状态3当驾驶员监控系统检测到HWP开启时延迟一定时间进入DMS系统自身报警 报警功能 当系统检测到有一定碰撞危险时自动将风险进行分级并通过不同的级数报警提示驾驶员 当系统检测到有一定碰撞危险时自动将风险进行分级并通过不同的级数报警提示驾驶员 安全避撞 TJP系统须避免在ODD范围内产生任何碰撞事故规避本车可能存在的责任事故其中包含对前方车辆、行人、骑行者、一般障碍物等的避撞避撞过程包含一定速度范围内的减速至停车并提醒驾驶员。 HWP系统须避免在ODD范围内产生任何碰撞事故规避本车可能存在的安全事故其中包含对前方车辆的前碰以及旁边车辆的侧碰避撞过程包含一定速度范围内的减速减速后可能退出至TJP功能控制并提醒驾驶员。
说明1HWP主要用于高速自动驾驶TJP主要用于中低速自动驾驶两者在纵向控制上主要是通过速度进行区分2HWP主要用于高速情况下自动驾驶当TJP控制的自动驾驶由于如下原因导致速度提升至其作用范围外时TJP需要切换为HWP自动驾驶控制
工况说明
本车跟随前车进行TJP跟车控制本车设置车速该车速大于TJP运行车速大于前车车速前车加速离开后本车加速到设置车速此过程中会由TJP直接切换为HWP进行自动驾驶控制本车跟随前车进行TJP定速巡航控制驾驶员通过按键或踩踏油门踏板设置本车车速增加到大于TJP运行车速本车加速到设置车速此过程中会由TJP直接切换为HWP进行自动驾驶控制
工况说明
本车跟随前车进行HWP定速巡航控制驾驶员设置本车车速增加到大于前车车速前车减速制动本车跟随前车减速制动后其速度小于HWP运行速度范围此过程中会由HWP直接切换为TJP进行自动驾驶控制本车跟随前车进行TJP定速巡航控制驾驶员通过按键设置本车车速减速到小于HWP运行车速本车减速到设置车速此过程中会由HWP直接切换为TJP进行自动驾驶控制
注意当驾驶员通过踩制动踏板引起的速度变化会直接退出TJP和HWP整个自动驾驶将会退出3对于横向功能而言由于执行转角或扭矩控制时需要考虑到由功能安全因素引起的转角或转角速率限制是随速变化的在某些低速情况下转角或转角速度会比高速时范围更大。 4对于安全避撞功能而言TJP系统为了完成避撞后如果其减速过程比较紧急使得减速度值超过AEB触发的阈值条件一般AEB-P部分制动为-3.5m/s2AEB-M全力制动为-6至-8m/s2则跟车停止后TJP控制拉起手刹保持车辆不动后直接退出纵向控制如果该减速度值小于AEB阈值触发条件则TJP跟车停止后可以跟随前车起步。5安全避撞功能包含正向避撞和侧向避撞功能两种正向避撞触发应充分考虑AEB碰撞功能触发条件侧向避撞应该充分考虑ELK紧急纠偏条件当以上两种功能触发时则TJP不再发送制动或转向指令给相关联执行器此时可认为其处于临时退出状态以上两种安全性功能执行完毕后TJP重新介入并进行驾驶控制
3、驾驶员超越
这里的驾驶员超越包含了横向超越和纵向超越其原理均和原来L2级以下超越逻辑保持一致。
纵向超越当驾驶员踩踏油门踏板时若该踏板开度达到某个阈值一般为2%-5%时则认为本车满足纵向超越此时纵向完全由驾驶员控制本车将被加速到一定速度该速度小于系统最大运行范围130kph。当驾驶员松开踏板导致该踏板开度小于某阈值时则退出纵向控制TJP/HWP恢复纵向系统控制。
横向超越当驾驶员转动方向盘时若该方向盘扭矩大于某阈值一般为1.5-2Nm时则认为本车满足横向超越此时系统处于临时退出状态当在一定时间内驾驶员松开方向盘后系统重新实现对整车的控制若驾驶员长时间控制方向盘进行转向时整个横向控制就会不可逆的退出。
4、降级控制Functional Degradation Control
系统降级是自动驾驶过程中经常会出现的一类可预期故障在系统工程设计初期就应该对各类系统故障或失效可能引起的原因及后果进行分析以便在出现类似问题后启动相关逻辑进行驾驶风险最小化规避。如在激活后如果TJP/HWP系统检测到本车超出ODD范围或者系统出现相关故障时该两系统需要在自
身最大能力范围内对车辆进行继续控制以便为驾驶员腾出反应时间及接管时间。如果驾驶员无反应或接管意图不够明确则系统需要进行控制升级如通过座椅震动或方向盘震动提示驾驶员立即采取强有力的接管措施。对于TJP和HWP而言其降级控制策略有所不同对于TJP而言该系统功能工作速度段是处于60kph以下的故TJP系统降级时可启动安全停车逻辑将本车进行靠边刹停若此时系统处于高速段的自动驾驶控制HWP中则在系统降级时HWP控制本车进行减速并且尽最大努力将车安全的换道后靠边行驶此换道过程可以通过接受高精度地图进行车道级定位到的应急车道区域控制本车换道至应急车道或专用停车道。
三、传感器架构定义
自动驾驶设计过程必须要求具备丰富的传感器和足够能力的控制器其中传感器需要包含星车主系统所必需的毫米波雷达、激光雷达、角雷达、前视摄像头以及融合泊车辅助系统中的环视摄像头、超声波雷达等传感器另外对于车机交互单元还需要有高精度定位系统带有惯性导航、驾驶员监控系统等。 传感器sensor 数量 功能说明 探测范围 前雷达 Front radar 1 负责进行前方障碍物距离与速度探测其要求在两种不同波束下即水平方向开角范围不同时具备不同的探测距离 160-200m 前摄像头 Front Camera 1 对前方障碍物形状类型进行探测同时对障碍物距离速度等信息进行补充探测 130-160m 角雷达 Conner radar 4 对旁边邻车道车辆或障碍物信息包括距离、速度等进行探测 60-70m 环视摄像头 Around View 4-6 对本车两侧近距离的车道线及障碍物进行探测后输出相应的探测值 10-30m 超声波雷达 Ultrasonic Sensors 8-12 实现低速跟车时对横穿障碍物的探测对于增加跟停自动起步时间是至关重要要的超声波雷达也可作为行车过程中旁边车道障碍物的补充探测方式 5-8m 驾驶员监控摄像头DMS 监控摄像头 1 监控驾驶员状态信息对驾驶员接管能力进行实时判断 1-1.5m 导航定位输入 GPSIMU 1 通过输入当前车辆的实际定位信息同时与激光雷达进行融合后输出相应的车辆高精度地图定位信息包含如本车处于何种道路类型、本车处于哪一条车道、本车前方限速信息等 实时更新20cm精度 控制器 Controller 数量 功能说明 性能指标 主控制器 Domain Controller 1 负责自动驾驶算法控制的中央单元将传感器输入的相关信息进行计算并采用一定的决策控制算法进行决策最后生成执行指令输出给执行器执行其过程中要求根据执行器反馈的执行情况实时调整输出命令状态 ASIL D 安全冗余控制器 Redundancy Controller 1 当主控制器出现各种不明原因造成的功能障碍时需要冗余控制器接管整车控制将车辆在安全可靠地范围内进行报警并刹停车辆 ASIL C\D
四、系统架构定义
由于自动驾驶系统已经实现了从人控车到系统控车的过度也即转变了原来的人机共驾方案到机器驾驶代替人的方案而这一方面的转变要求系统具备极高的功能安全等级其稳定性、可靠性均有很高的要求。由于传感器性能始终受制于自身硬件的约束无法真正完全保证传感器的精确探测性能做到不漏报不误报这就使得在系统控制中可能导致因传感器误输入所产生的误控制的结果。此外控制器与执行器虽然功能安全较传感器高但是也无法完全规避由于自身失效带来的系统失效问题这就要求在自动驾驶系统要求架构设计上尽量设计出相应的冗余控制方案当传感器或控制器出现失效或功能不可用时启动相应的冗余控制方案来实现相应的控制逻辑以便保证真正自动驾驶的稳定性能。 五、系统通信硬件设计
从自动驾驶系统架构中不难看出其中主要包含了几大部分感知、决策、执行及显示控制中。其数据连接交互形式表示为如下几种形式Hardwire、LVDS、Lin、CAN、CANFD、FLEXRAY、Ehternet几种主要体现在通信方式及通信效率有所不同。对于自动驾驶系统而言需要针对一些功能安全等级较高的控制器之间实现及时、高效且稳定可靠地通信链路比如传感器与自动驾驶控制器之间自动驾驶控制器与制动执行控制器之间均要求极高的功能安全策略故必须采用性能最优的CAN通信策略这里可以采用CANFD。 通信类型 通信效率 连接控制器 备注 HardWire 无 转化物理机械接触信号为电压或电流信号的部分方向盘按键TJP/HWP Button油门踏板Accel Pedal制动踏板Brake Pedal换挡器Gear Selection震动座椅 Vibration seat可选 自动驾驶功能设计中诸如方向盘按键座椅震动一类均采用的硬线连接技术其原理是直接将与驾驶员接触的信号通过物理接触转化为电压或电流信息输入给系统控制器。 LVDS 155M 与视频接入有关的传感器控制器影音娱乐系统HU驾驶员监控系统DMS抬头显示系统HUD可选仪表显示系统IP 低电压差分信号LVDS是一种低功耗、低误码率、低串扰和低辐射的差分信号技术其技术的核心是采用极低的电压摆幅高速差动传输数据可以实现点对点或一点对多点的连接其传输介质可以是铜质的PCB连线也可以是平衡电缆。 Lin 20k 用于传输效率要求不高的控制器车灯、雨刮、空调、方向盘等 LIN总线是基于UART/SCI(通用异步收发器/串行接口)的低成本串行通讯协议。其目标定位于车身网络模块节点间的低端通信主要用于智能传感器和执行器的串行通信而这正是CAN总线的带宽和功能所不要求的部分。 CAN 5K-1M 功能安全需求较低的传感控制器发动机管理系统EMS变速器管理单元TCU转角传感器SAS安全气囊控制器SRS座舱域控制器ICCU车身控制单元BCM车载通信基础终端TBOX CAN是目前主要的汽车局部网络通信协议他具有实时性好、稳定性高、采取非破坏仲裁技术、信号位区分优先级等功能。与传统CAN通信协议相比CAN FD主要的优势在于• 更高的总线效率5Mbps的最大数据传输速率支持高达64字 节的有效负荷• 兼容经典CAN无需新的连接器或电缆但需要更新的处理器新处理器需要包含CAN FD控制器和相关的CAN FD收发器• 受可用解决方案限制的转型当前的多芯片解决方案需要更高的成本和板载空间。 CANFD 2M-5M 功能安全要求等级较高的传感控制器自动驾驶主控制器TJP/HWP ECU自动驾驶辅助控制器RedundantECU雷达传感器Radar/Lidar前视摄像头Camera制动控制系统EPBi转向控制系统EPS Ethernet 10M-100M 高精度地图HDMap 车载以太网传输速率较高适用于诸如高精地图一类对传输实时性要求较高的场合。但其需要增加交换机故成本也较高在成本可接受的范s围内可以将以太网传输作为CAN线传输的备份
六、系统冗余设计
冗余设计包括如下几个部分电源、定位、感知、控制器、执行器各个部分。
1电源模块 — 每个关键的驱动系统都有两个独立的电源系统
2定位模块 — 两套独立的惯性测量系统可选
3感知模块— 激光雷达、毫米波雷达和视觉感知多传感器检测可选
4控制器模块 — 备用控制器一直后台运行当主系统发生故障时则备用控制器向车辆的执行系统发出控制指令控制车辆安全停车
5执行器模块 — 制动系统和转向系统均采用冗余设计。
对于冗余设计而言其功能安全要求较高的部分主要集中在中央控制及决策执行单元故主要需要对中央控制单元及决策控制单元进行双冗余设计。
1、主控制器模块
采用主控制器和辅助控制器两个进行双向控制主控制器主要负责自动驾驶基础功能的计算与处理包含对感知数据的后端处理决策控制的模块处理生成后端执行器能够执行的车辆数据如纵向加减速度、转向角度等。此外主控制器还会接收来自各级传感器回传的车辆执行数据分析其执行的程度通过反馈回调将减小发送数据的误差。此外由于自动驾驶系统功能需要考虑在系统失效时对系统当时的数据状态以便在售后事故处理过程中进行原因分析故主控制器还要实现数据记录相关工能。
2、辅助控制器模块
当自动驾驶主控制器模块由于自身原因失效而无法继续控制整车时需要启动辅助控制器模块接管进行车辆的安全控制其设计逻辑是与主控制器实现直接的实时通信在辅助控制器内部构建安全校验模块当该模块校验的主控制器失效或通信中断时启动辅助控制器开始进行安全控制一般的安全控制策略包括如下
1继续接收高精地图及摄像头发出的道路环境信息计算并发送一定的转角控制本车换道转向至车道最边缘
2继续接收前雷达和角雷达发出的障碍物信息并控制车辆在最终道边以一定的减速度进行安全停车停车后自动拉起电子手刹打起双闪灯提示后车
3当检测到主控制器失效的同时通过仪表发出相应的报警提示信息进行报警提示驾驶员立即接管车辆控制。
3、执行器模块
对于执行器冗余控制来说主要是进行安全冗余控制一般情况下加速控制对安全不产生积极控制影响而安全控制主要集中在制动控制及转向控制逻辑中。故为了实现执行器的辅助安全控制就需要进行制动及转向的双冗余控制。
1制动控制单元制动控制的冗余控制包括通过主制动器对轮岗压力进行增压、保压、减压控制。该控制逻辑与传统辅助驾驶控制系统ADAS保持一致差异表现在对该控制器的要求制动执行端的响应速度和性能比ADAS提升一个等级。对于辅助制动单元而言当主制动控制单元失效时启动辅助制动控制器进行强力制动以博世的IBooster实现冗余制动控制为例该控制器实现了与ESP结合iBooster 和ESP均可通过机械推动力帮助车辆在任何减速情况下停止行驶。通过电机工作iBooster 能够实现主动建压而无需驾驶员踩下制动踏板。 与典型的ESP系统相比获得所需制动力的速度提高了三倍并且可通过电子控制系统进行更加精确的调节。紧急情况下iBooster 可在约120 毫秒内自动建立全制动压力。这不仅有助于缩短制动距离还能在碰撞无法避免时降低撞击速度和对当事人的伤害风险。
2转向控制单元一般的转向控制器EPS功能安全等级为ASILD级诸多级别中故障最严重的级别由此可看出其在失效率方面的严格要求。用于ADAS的基本思考针对目前的EPS安全目标主要考虑两种故障模式被划分为ASIL-D级别主要包括如下两种失效是自动驾驶无法接受的
① 转向的失控驾驶没有操控的情况下车辆系统并没有给出自动转向等指示可转向盘却会自动旋转自动驾驶系统在发出转向角给执行器执行后其执行器执行的转向角相对于发出的转向角出现严重超调而出现转向失控
② 转向器的锁止电机死锁可能由电气失效或机械失效导致。尤其在高速时这种意外的扭矩会给司机乘客和行人带来危险。这种危险可能源于电控单元ECU的故障或电机及转向系统的机械故障。故转向冗余设计中需要考虑确保电机不能锁死保证司机能正常转向。由此对转向系统设置双冗余是提升自动驾驶功能安全的保证因素具体可参照如下图进行转向的双冗余设计。
4、双电源驱动系统
除了业内都在重点关注自动驾驶系统的自身硬件和软件算法是否满足相应的功能安全要求外从车辆供电系统这个角度来分析目前绝大多数传统车辆只有单主电源的供电系统当这些车辆单路供电网络因故障无法提供电源时整车电器负载包括自动驾驶系统就无法正常工作而对此时正处于自动驾驶模式的车辆就存在失去控制的风险。对比人工驾驶自动驾驶在解放驾驶员手脚和眼睛的同时也对车辆在自动驾驶下的安全性提出了更高的要求。比如在车辆驾驶安全和自动驾驶电器负载失去电源供电时整个自动驾驶系统就无法正常运行那车辆在自动驾驶模式下就存在安全隐患。为了提醒驾驶员立即接管驾驶并确保接管期间的驾驶安全需要有备用电源对这些负载进行供电确保车辆驾驶安全。典型的双冗余电源方案设计方案如下
