基于数据分析特斯拉事故原因

汽车电子与软件 2021-04-24 00:00

本人目前从事国内自主电助力,ESC开发,底盘域控方面工作,今天上班划了半天水,写了这篇帖子,应该可以对这个问题有一点专业解答,友情提示本文分成5个Part,大约2700字,关注结论的可以直接看黑体字。



01


Tesla碰撞前运动数据


首先这是Tesla在事故发生前的数据,各大网站都有转发了

虽然这份数据存在诸多问题被吐槽,例如数据采样频率严重不足,关键数据丢失(驾驶员踩制动踏板行程等),但是仍然可以从中找到很多本次事故发生的原因
使用6:14:22.35秒作为本次事故的起始时间,车辆在6:14:27.65秒发生了碰撞,整个事故持续时间共计5.3秒。在同一张图内画出速度v和减速度a随时间的关系,由于关键的减速度在日志中未发送,使用dv/dt来计算每两个速度采样点之间的平均减速度,得到了这次事故的车速与减速度曲线:

事故还原:整个5.3秒的事故过程中,第0.8秒时,驾驶员踩下制动踏板,车辆开始减速;在前3.5秒内,制动减速度上升,车速一直保持下降;在3.5秒时,车速下降到约85kph,此时车辆减速度约0.55g,然后前后轴ABS均被激活;0.5秒后,车速为75kph时,AEB被激活,此时车辆减速度约0.62g;又在1.2秒之后,车辆发生碰撞,碰撞时速约48kph,碰撞前车辆瞬时减速度约为0.7g,整个制动过程的平均减速度约为0.4g,ABS触发后的平均减速度约为0.57g。
同时Tesla也上传了主缸压力信号,我们也画出了主缸压力与对应的减速度曲线(这对后续基础制动的分析非常重要)



02


Tesla Model3基础制动计算


Tesla Model3的基础制动采用了前轮固定卡钳*2,后轮浮动卡钳的设计,卡钳参数如下:
前卡钳:2*D42,有效制动半径133.8mm,后卡钳:D43,有效制动半径142.5mm,前后刹车片的摩擦系数0.38。
Tesla Model3在空载和满载时,质量在1600kg至2100kg之间,前轴与后轴的载荷比约保持在0.82,本次事故的计算中,取前轴质量820kg,后轴质量1000kg。Model3的车轮半径335mm,轴距2875mm。最后,Tesla Models采用的是博世公司提供的ibooster Gen2电子助力器,这是一个非解耦式的电子助力器,通过解析驾驶员踩下踏板的制动行程,来驱动ibooster内部电机给主缸加压。
当Model3主缸压力为P时,可以建立起来的整车减速度为
将主缸压力P的单位改写成bar,则a=0.144P,当在正常高附着系数路面前后轴均抱死时,a=10m/s2,此时主缸压力约为69.4bar
在实际的驾驶过程中,Tesla Model3在60bar附近触发了前后轴ABS,这个主缸压力值与Model3基础制动的设计值也是基本相吻合的,但在前后轴同时触发ABS的时候,我们注意到最关乎核心安全的车辆减速度却严重不足,大约只有0.55g,此后ABS持续工作直到碰撞发生,但是车辆的减速度也持续严重低于良好路面条件下ABS功能触发时整车应当具备的减速度(正常车辆通常可以达到0.9~1.1g),最终导致了碰撞的发生。分析到这里基本可以排除本次事故是车辆制动助力失效所导致的,在驾驶员和电子助力器ibooster提供了充分大的主缸压力之后,整车也触发了ABS,但是减速度仍然不足,问题可能主要来源于电子助力器的后端。


03


ABS功能与踏板变硬


在本次事故和其他多次Tesla用户抱怨的事故中,都出现了踏板变硬踩不下去这种现象,这种现象的来源是ibooster与ESC在ABS工况下共同导致的。其中ABS功能是通过ESC进行电磁阀的调制来实现的,首先来看ibooster+ESC的原理图
ibooster建立起来的压力,通过TMC的两个通道入口对ESC加压,正常制动情况下ESC不会工作,高压制动液直接通过电磁阀进入轮缸进行制动,而当ABS触发后,ESC会关闭ibooster的进液阀,在极端情况下,ESC的电机还会把液体抽回ibooster主缸。在此过程中,会出现ibooster主缸异常高压的情况(类似本次制动后期主缸压力达到了140bar)。同时,由于主缸的压力非常大,ibooster电机无法继续推动主缸,并且ibooster是一个非解耦的助力器,所以与ibooster电机刚性连接的驾驶员制动踏板和推杆也会出现无法推动,即踏板变硬的现象。在博世对ibooster的软件架构VDA360中,对此提出了一系列软件模块功能划分,Tesla Model3有没有对ibooster和ESC的软件进行大规模重改,目前不得而知。



04


AEB介入与结果


本次制动过程中,触发了AEB信号,那么AEB在本次事故中起到了什么作用呢?可以看到,在第4秒时触发AEB信号,车辆速度为75kph=20.83m/s,在碰撞发生的第5.3秒时,车辆速度为48kph=13.33m/s,可以估算出,AEB触发时,距离事故点的距离约为0.5*(20.83+13.33)*1.3=22.2m,按照通常的AEB触发要求,这个警报发出的时候,距离前车距离已经过近了,假设在触发AEB后始终以0.9g减速度直至静止,制动距离也需要24.1m,换句话说,按照Tesla AEB触发的时间点和前车距离,即使制动性能完好,碰撞也是不可避免的,这一部分主要是ADAS摄像头算法的问题,和本次制动力不足分析关联不大。
目前L4和L5远未普及,普遍的共识是驾驶员请求的优先级要优于ADAS行车电脑的优先级,因此大部分OEM的AEB逻辑触发是有门槛的,在驾驶员一定强度的制动压力请求下,AEB功能是不会被激活的。在本次制动过程中,ABS已被激活的前提下,整车减速度已达到最大值,无论Tesla的逻辑是人优先还是行车电脑优先,AEB的激活都不会进一步提高整车的减速度,进而对整车缩短制动距离有改善行为。
另外AEB激活后,对AEB的功能检测在ENCAP,CNCAP中都有对应的要求,不同的时速下触发AEB后,对车速的降低值有具体的测试标准,通常的要求是1秒钟之内车速的相对下降值达到40kph或者45kph,本次AEB触发后直到碰撞的1.3秒内,车速的下降值仅有37kph,这是一个很糟糕的AEB效果。


05


事故责任分析与小结


本次事故的原因是多方面的,在触发ABS的瞬间,车辆距离前车的距离约33m,此时车速85kph,即使ABS正常工作,这也是一个相对来说比较短的制动距离了,车主对车速和前车的预判存在一定的高估。
Tesla Model3的问题则更加明显,最核心的安全失效问题来自于主缸压力,ABS,减速度三者数据之间存在相互矛盾,其中主缸压力和ABS信号比较一致,但是与车辆车速或者减速度的偏差非常明显,我们把主缸压力按照基础制动数据对应换算成整车减速度后,额外再加上0.1g能量回收的减速度,与车辆的实测减速度进行对比,可以得到本次分析最关键的一张图:
可以看出,在制动前2.5s内,两者的一致性是很好的,整车的减速度能够体现驾驶员的制动请求(主缸压力),在2.5秒之后,主缸压力迅速上升,而整车的减速度则被限制在了一个很低的上升幅度内,最终在ABS触发后最关键的1.8秒时间内,驾驶员和ibooster已经提供了远远超过车辆最大减速度所需要的制动压力,但Tesla的ABS对外输出了一个峰值甚至还达不到常规ABS触发门槛的减速度,最终导致了碰撞的发生。目前而言,并未发现任何当时路面客观条件的异常现象。考虑到Tesla大规模重新改写了博世关于ibooster和ESC的底层和上层控制软件算法,这一部分的软件,尤其是ABS控制,电磁阀控制,ESC与ibooster和驱动电机能量回收交互之间的控制算法,恐怕要牢牢背上本次事故最大的锅。

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