技術(shù)教程：駕駛員輔助系統-自適應巡航控制系統(下)

本文談?wù)摰氖茿CC系統的硬件和軟件實(shí)現，以及雷達功能和算法。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。

ACC系統如何運作——硬件系統

耿氏壓控振蕩器(Gunn VCO)常被用來(lái)產(chǎn)生非常高頻率的發(fā)射信號。如果將發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)結合在一起，發(fā)射信號就會(huì )通過(guò)環(huán)行器(見(jiàn)圖1)與接收信號一起被多路復用。接收信號會(huì )與當前發(fā)射信號結合在一起產(chǎn)生中頻信號。由于中頻信號頻率比發(fā)射信號和接收信號頻率低得多，因此它的取樣值非常適合傳給數字處理器作進(jìn)一步的處理。

ACC雷達傳感器雖然是在高頻范圍(射頻，RF)內操作，其計算距離和相對速度的信號處理卻是在低頻(LF)中進(jìn)行。圖2為ACC系統的功能方塊圖。RF部分(左)由耿氏控制電路、耿氏振蕩器、混頻器和前置放大器組成；LF部分則包含模擬數字轉換器、信號處理和系統控制組件，以及電源供應和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )接口。

微控制器(德州儀器的TMS470R1VF76B)內含兩個(gè)中央處理器，分別為ARM7 RISC(微型處理器，MCU)和16位C54 x定點(diǎn)數字處理器(DSP)，因此最適合需要同時(shí)執行控制任務(wù)和高效能數字信號運算的應用。用直接內存存取(DMA)可以加快兩個(gè)處理器、各種外圍接口和內存之間的數據傳輸速度。TMS470R1VF76B完全符合汽車(chē)應用需求，是適應ACC系統最理想的微控制器。圖3是微控制器在A(yíng)CC系統應用中的典型功能方塊圖。

ACC系統軟件

除普通的診斷任務(wù)之外，ACC系統還會(huì )執行許多系統工作，其順序如功能方塊圖所示。

1. 讀取通過(guò)人機接口進(jìn)入的控制參數默認值(速度、時(shí)間間隔)以及傳感器根據目前車(chē)況所探測到的參數(轉向角、輪速和偏航率等)；

2. a)設定發(fā)射頻率的斜波參數(開(kāi)始頻率，停止頻率和斜波時(shí)間)；

b)設定模擬數字轉換器(轉換速率，樣本數目)；

3. 設定發(fā)射頻率，啟動(dòng)耿氏振蕩器；

4. 產(chǎn)生發(fā)射信號；

5. a)將發(fā)射信號透過(guò)所有天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射出去，并將發(fā)射信號與接收信號混頻產(chǎn)生中頻信號；

b)用于耿氏控制的控制回路；

6.中頻信號的濾波與放大；

7.中頻信號取樣；

8.透過(guò)DMA將取樣值傳給DSP；

9.執行數字信號處理(調頻連續波(FMCW)雷達任務(wù)的第一部分)

10.交換DSP計算數據；

11.執行數字信號處理(FMCW雷達任務(wù)的第二部分)

12.通過(guò)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )(如CAN總線(xiàn))與電子控制單元(ECU)的通信來(lái)調整速度或距離。

圖1

圖2

圖3

功能方塊圖

FMCW雷達能探測出可能對車(chē)速和車(chē)距造成影響的目標。如下圖所示，這些雷達任務(wù)可分為兩大類(lèi)，第一類(lèi)的頻譜分析、峰值探測和角度測量的運算量都非常大，較適合由DSP執行；另一類(lèi)的頻率調制、位置預測、頻率匹配、位置追蹤和群濾波都是較為簡(jiǎn)單的運算或控制功能，因此通常是由微控制處理器負責。此處為優(yōu)化數據流，所以處理器工作的分配略有不同。

如圖所示，Robert Bosch的ACC系統目前是利用調頻方式來(lái)產(chǎn)生三種線(xiàn)性頻率斜波，其斜波時(shí)間各不相同。

發(fā)射信號會(huì )透過(guò)四組天線(xiàn)(A, B, C, 和D)同時(shí)發(fā)射出去。下圖是對應的天線(xiàn)圖。

每個(gè)天線(xiàn)的接收信號都會(huì )與目前的發(fā)射信號混頻，以產(chǎn)生中頻信號。在這個(gè)例子里，系統總共會(huì )產(chǎn)生12個(gè)中頻信號(A1、A2、A3、B1…D3)，并對這些信號進(jìn)行分析以決定目標的位置。下圖是中頻信號頻譜的范例。為了消除頻譜中的噪聲，系統在執行信號處理之前會(huì )先替中頻信號設定一個(gè)自適應臨界值(Adaptive Threshold)，凡是信號強度低于臨界值的頻率都會(huì )被視為噪聲，要加以濾除。在上圖的范例中，所有可能目標的旁邊都有紅色的x做標識。由于與零頻接近的峰值是由天線(xiàn)鏡面的反射所產(chǎn)生，因此會(huì )被排除。其它頻率值被用做進(jìn)一步的處理。

系統將12個(gè)中頻信號的噪聲消除后，就會(huì )用快速傅立葉轉換(FFT)從這些中頻信號的取樣值計算出12組頻譜；頻譜的每個(gè)頻率都代表系統所探測的一個(gè)目標，它也對應于中頻信號頻譜經(jīng)過(guò)噪聲濾波后剩下的峰值信號。我們可以根據調頻連續波雷達方程式，

在速度/距離圖中為頻譜的每個(gè)頻率指定一條直線(xiàn)。下圖又一次表示出了它們的關(guān)聯(lián)性。

要確認系統是否探測到任何目標，我們必須以天線(xiàn)頻譜做為參考比較。如果3個(gè)頻率斜波所得到的直線(xiàn)都相交于速度/距離圖(見(jiàn)下圖)上的同一點(diǎn)，我們就可以認定目標已被系統所探測，然而這種方法有時(shí)會(huì )得到俗稱(chēng)“鬼影信號”的虛假目標。

我們可以根據先前計算結果和移動(dòng)連續性來(lái)預測目標的可能位置，然后利用這項信息檢查頻率匹配的真實(shí)性，再將虛假目標排除。最后，我們要將已探測目標的參數儲存起來(lái)，提供給下次計算使用。

發(fā)射信號通常會(huì )被目標上的多個(gè)點(diǎn)反射回來(lái)(例如后車(chē)窗、行李箱和車(chē)輪等)。這一現象尤其會(huì )體現在卡車(chē)之類(lèi)結構非常明顯的目標上，它們會(huì )在速度/距離圖上產(chǎn)生多個(gè)很靠近的交叉點(diǎn)(如圖所示)。

若使用多組接收天線(xiàn)，除了距離和相對速度之外，我們還能計算出目標與車(chē)輛縱軸之間的夾角，從而確認目標與汽車(chē)間的相對位置。下圖為采用4組重疊電波接收天線(xiàn)的自適應巡航控制系統的探測區。

采用多組接收天線(xiàn)會(huì )使每個(gè)目標在速度/距離圖上出現多個(gè)交叉點(diǎn)，這與目標有多個(gè)反射點(diǎn)是類(lèi)似的。下面是使用兩組接收天線(xiàn)所得到的詳細速度/距離圖。為了在預測位置時(shí)，將所需的運算和記憶空間減至最少，我們必須把這些探測點(diǎn)對應到同一個(gè)目標。

ACC系統——Bosch LRR2

許多高級汽車(chē)早已提供自適應巡航控制系統，或至少將其作為選購配備。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，性?xún)r(jià)比越來(lái)越具有吸引力，運算性能大幅提升，實(shí)際器件的體積越來(lái)越少。

德州儀器的TMS470R1VF76B微控制器內含兩個(gè)中央處理器，使單芯片組件具有高效的運算功能。因此，信號處理的零件數目得到大幅減少，整個(gè)系統的體積也更為精巧。這樣一來(lái)，我們只需兩張小型電路板就能組成完整系統：其中之一是射頻單元(雷達傳感器、耿氏壓控振蕩器和前置放大器)；另一是低頻單元(電源、DSP和汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )接口)。Robert Bosch公司的LRR2自適應巡航控制系統將體積縮小為73×70×60mm(內部2.9×2.8×2.4英寸)，使其能安裝于車(chē)輛前端任何位置。

未來(lái)的自適應巡航控制系統將提供更理想的性?xún)r(jià)比，同時(shí)增加更多新功能(如StopGo和盲點(diǎn)探測等)，并采用其它類(lèi)型的傳感器，使中價(jià)位的汽車(chē)或小型車(chē)都能享受這項先進(jìn)科技帶來(lái)的諸多好處。