駕駛員輔助系統-自適應巡航控制系統(上)

本文談?wù)摰氖亲赃m應巡航控制系統(ACC)，它的第一部分討論了 “環(huán)車(chē)感應系統”和作為全天候ACC系統基礎的調頻連續波(FMCM)雷達系統。

環(huán)車(chē)感應系統

幾乎每分鐘都有人在交通事故中喪失生命，受傷的人更不計其數。此外，交通事故帶來(lái)的經(jīng)濟損失也成了天文數字。因此，汽車(chē)制造商和零件供應商一直致力于避免交通事故的發(fā)生，即便不能完全防止意外，至少也要減少因交通事故所造成的傷害。汽車(chē)安全性能得到改善很大一部分都歸功于汽車(chē)電子的發(fā)展。

對車(chē)輛碰撞和駕駛員反應之間關(guān)聯(lián)性的分析顯示，大量的交通事故都可以通過(guò)駕駛員及時(shí)發(fā)現危險并做出適當機動(dòng)操縱而得到避免。為達到這項要求，我們可以為駕駛員提供適當的警告信號或讓車(chē)輛配備自動(dòng)的縱向及橫向控制功能(駕駛員輔助系統)。我們還需要適當的傳感器來(lái)探測可能出現的危險，這類(lèi)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須覆蓋車(chē)身四周，同時(shí)提供適當的人機界面。

電子環(huán)車(chē)感應系統形成了許多駕駛員輔助系統的基礎，這些系統會(huì )發(fā)出警告或主動(dòng)進(jìn)行干預。駕駛員輔助系統的目標之一是避免車(chē)輛發(fā)生正面碰撞，危險警告系統及主動(dòng)剎車(chē)控制系統可以大幅較少這類(lèi)事故，自適應巡航控制系統(ACC)是達成此目標的第一步。

現有的ACC系統大都以毫米波雷達為基礎，主要分為脈沖系統和連續波系統；而連續波系統又可分為調頻連續波系統(FMCW)和擴頻系統。77 GHz FMCW雷達可以探測1-150m以?xún)鹊奈矬w，并算出它們與汽車(chē)之間的相對距離和速度。這類(lèi)雷達只要安裝適當數量的天線(xiàn)，便能進(jìn)一步分辨物體與車(chē)輛縱軸間的夾角。

環(huán)車(chē)感應系統——自適應巡航控制

環(huán)車(chē)感應系統(見(jiàn)下圖)構成了許多駕駛員輔助系統的基礎，它分為：

超聲波、雷達、視覺(jué)識別和導航系統；

被動(dòng)和主動(dòng)系統；

安全系統和舒適系統；

根據它們在系統內的功能而分的駕駛支援、被動(dòng)安全、碰撞緩沖或車(chē)輛控制系統；

自適應巡航控制系統是車(chē)輛控制功能的一部分，它主動(dòng)干預車(chē)輛的縱向控制。如果車(chē)輛與前車(chē)之間的距離小于預設的最小距離，那么，它們會(huì )迫使車(chē)輛減速；如果前后兩車(chē)之間的間隔距離足夠遠，它們就會(huì )把車(chē)輛加速到設定的速度。目前安裝于車(chē)輛的自適應巡航控制系統都以行車(chē)舒適為考慮，它們對于煞車(chē)的干預程度最大僅有剎車(chē)力的30%，車(chē)輛控制最終掌握權在駕駛員手中。因此，現有的自適應巡航控制系統特別適合車(chē)流密度較小的道路，例如快速道路或高速公路。

未來(lái)的自適應巡航控制系統將會(huì )采用更多傳感器，因此適合繁忙的都市道路。人們還能進(jìn)一步發(fā)展出ACC Stop-And-Roll(SR)和ACC Stop-And-Go(SG)等功能，讓車(chē)輛在行駛之間能夠自動(dòng)停止和重新前進(jìn)，這樣一來(lái)車(chē)道將變得更安全，交通流將更順暢。這些駕駛輔助系統的最終目標是將車(chē)身的四周360度全都納入監測范圍，同時(shí)擴大自適應巡航控制系統功能以提供完整的縱向控制能力。

環(huán)車(chē)感應系統的傳感器

如上圖所示，監測車(chē)身四周需要有一系列不同的傳感器。紅外線(xiàn)(IR)和長(cháng)距離雷達(LRR)這兩種傳感器都很適合于A(yíng)CC系統。紅外線(xiàn)傳感器可用于LIDAR(光探測和測距)系統中，其探測距離最遠可達120米；77 GHz長(cháng)距離雷達傳感器的監測距離可以延長(cháng)到150米。與LRR傳感器相比，IR傳感器具有一個(gè)價(jià)格上的優(yōu)勢，但也有個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即在惡劣氣候下(如大雨、下雪、起霧或沙塵暴等)，監測距離會(huì )大幅縮短。另一方面，雷達傳感器卻幾乎不受天氣的影響。雷達傳感器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們能被隱蔽地安裝于汽車(chē)前端，例如77 GHz雷達天線(xiàn)就很小，幾乎能安裝于車(chē)身的任何位置。因此，目前大多數的自適應巡航控制系統都采用77 GHz長(cháng)距離雷達。

ACC系統的主要任務(wù)是在前車(chē)距離過(guò)近時(shí)將車(chē)輛減速，距離足夠遠時(shí)加速。完成此任務(wù)所需的控制參數——車(chē)速和反應時(shí)間(見(jiàn)下控制回路圖)是由司機通過(guò)人機界面(HMI)來(lái)設定的(見(jiàn)下圖2(方塊圖))。整個(gè)控制功能是由傳感器控制單元(SCU)來(lái)提供。SCU的主要功能是控制ACC系統的傳感器和目標識別，其控制參數計算和相關(guān)系統啟動(dòng)則是由ACC系統的電子控制單元(EUU)負責執行。

ACC系統傳感器的接收信號需要進(jìn)一步處理。在目標識別時(shí)，系統會(huì )根據信號所含的信息來(lái)計算出潛在對象的距離和相對速度。車(chē)距控制需要從ACC雷達系統所探測的所有目標中精確地鎖定其中一個(gè)；鎖定目標時(shí)會(huì )用上車(chē)輛移動(dòng)方面的信息，如加速度、車(chē)輪轉速、轉向角和偏航率。根據駕駛本身的車(chē)速和所要求的反應時(shí)間，ACC系統還可計算出所需的最小車(chē)距。

若在現行車(chē)速下計算出的車(chē)距過(guò)近，ACC系統就給適當的系統(如引擎管理，剎車(chē)系統)送出減速命令，從而調整車(chē)距。若調整后的車(chē)距已經(jīng)足夠，車(chē)速就會(huì )被調至所需的速度。要做到這點(diǎn)，ACC系統須向相關(guān)驅動(dòng)發(fā)出加速命令。若車(chē)輛無(wú)法保持最小車(chē)距，系統便會(huì )在人機界面上顯示所設定的反應時(shí)間和警告信號。下圖是自適應系統的各個(gè)元器件以及它們在車(chē)身的相對位置。

注：前輪驅動(dòng)的汽車(chē)

ASR=加速滑移控制(牽引控制)

ESP=電子穩定系統(電子穩定控制)

調頻連續波雷達系統

現有的自適應巡航控制系統大多采用毫米波雷達系統，其中又以調頻連續波技術(shù)(FMCW)應用最為廣泛。FMCW雷達系統能同時(shí)探測出目標相對于車(chē)輛的距離和速度。若安裝適當數量的天線(xiàn)，它們還能計算出目標與車(chē)輛的縱軸夾角。

在調制周期內(tm)，調頻連續波雷達的發(fā)射頻率會(huì )以線(xiàn)性方式在頻率偏移范圍內(調制范圍，fh)不斷改變。下圖A是包含三段斜波的發(fā)射信號頻率曲線(xiàn)。在發(fā)射機和目標都未移動(dòng)的靜態(tài)系統中(見(jiàn)圖B)，接收信號的頻率會(huì )落后于發(fā)射信號，其頻率差與發(fā)射機和物體之間的距離成正比。將發(fā)射信號和接收信號混頻會(huì )產(chǎn)生頻率較低的中頻信號，該中頻的最大值就叫做差拍頻率(fb)。

圖A、圖B

如果物體相對于發(fā)射機在移動(dòng)，接收信號的頻率就會(huì )因為多卜勒效應而改變。物體接近時(shí)，接收信號的頻率會(huì )升高，物體遠離時(shí)則降低。若忽略發(fā)射機與物體的距離，以相對速度vrel接近就會(huì )產(chǎn)生如下圖C中的接收信號，此時(shí)中頻fd保持不變。將圖B與圖C中的頻率曲線(xiàn)相加在一起即可得到一個(gè)完整接收信號，它的中頻信號包含發(fā)射機與目標之間的距離和相對速度等信息(見(jiàn)圖D)。

圖C、圖D

下圖E和圖F為發(fā)射機與物體以相對速度vrel遠離時(shí)的頻路曲線(xiàn)。

圖E、圖F

中頻可由調頻連續波雷達方程式表示成距離r和相對速度vrel的函數，其中相加代表發(fā)射機與目標逐漸接近，相減則代表逐漸遠離。

當c=光速

本文的另一部分討論ACC系統的硬件和軟件實(shí)現，以及雷達功能和算法。