駕駛員輔助系統(tǒng)-自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(上)

本文談?wù)摰氖亲赃m應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)，它的第一部分討論了 “環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)”和作為全天候ACC系統(tǒng)基礎(chǔ)的調(diào)頻連續(xù)波(FMCM)雷達(dá)系統(tǒng)。

環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)

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(jì)其數(shù)。此外，交通事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失也成了天文數(shù)字。因此，汽車制造商和零件供應(yīng)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。汽車安全性能得到改善很大一部分都?xì)w功于汽車電子的發(fā)展。

對(duì)車輛碰撞和駕駛員反應(yīng)之間關(guān)聯(lián)性的分析顯示，大量的交通事故都可以通過駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并做出適當(dāng)機(jī)動(dòng)操縱而得到避免。為達(dá)到這項(xiàng)要求，我們可以為駕駛員提供適當(dāng)?shù)木嫘盘?hào)或讓車輛配備自動(dòng)的縱向及橫向控制功能(駕駛員輔助系統(tǒng))。我們還需要適當(dāng)?shù)膫鞲衅鱽硖綔y(cè)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，這類傳感器網(wǎng)絡(luò)必須覆蓋車身四周，同時(shí)提供適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)界面。

電子環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)形成了許多駕駛員輔助系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這些系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告或主動(dòng)進(jìn)行干預(yù)。駕駛員輔助系統(tǒng)的目標(biāo)之一是避免車輛發(fā)生正面碰撞，危險(xiǎn)警告系統(tǒng)及主動(dòng)剎車控制系統(tǒng)可以大幅較少這類事故，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)是達(dá)成此目標(biāo)的第一步。

現(xiàn)有的ACC系統(tǒng)大都以毫米波雷達(dá)為基礎(chǔ)，主要分為脈沖系統(tǒng)和連續(xù)波系統(tǒng)；而連續(xù)波系統(tǒng)又可分為調(diào)頻連續(xù)波系統(tǒng)(FMCW)和擴(kuò)頻系統(tǒng)。77 GHz FMCW雷達(dá)可以探測(cè)1-150m以內(nèi)的物體，并算出它們與汽車之間的相對(duì)距離和速度。這類雷達(dá)只要安裝適當(dāng)數(shù)量的天線，便能進(jìn)一步分辨物體與車輛縱軸間的夾角。

環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)——自適應(yīng)巡航控制

環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)(見下圖)構(gòu)成了許多駕駛員輔助系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它分為：

超聲波、雷達(dá)、視覺識(shí)別和導(dǎo)航系統(tǒng)；

被動(dòng)和主動(dòng)系統(tǒng)；

安全系統(tǒng)和舒適系統(tǒng)；

根據(jù)它們?cè)谙到y(tǒng)內(nèi)的功能而分的駕駛支援、被動(dòng)安全、碰撞緩沖或車輛控制系統(tǒng)；

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

未來的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)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，讓車輛在行駛之間能夠自動(dòng)停止和重新前進(jìn)，這樣一來車道將變得更安全，交通流將更順暢。這些駕駛輔助系統(tǒng)的最終目標(biāo)是將車身的四周360度全都納入監(jiān)測(cè)范圍，同時(shí)擴(kuò)大自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)功能以提供完整的縱向控制能力。

環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)的傳感器

如上圖所示，監(jiān)測(cè)車身四周需要有一系列不同的傳感器。紅外線(IR)和長(zhǎng)距離雷達(dá)(LRR)這兩種傳感器都很適合于ACC系統(tǒng)。紅外線傳感器可用于LIDAR(光探測(cè)和測(cè)距)系統(tǒng)中，其探測(cè)距離最遠(yuǎn)可達(dá)120米；77 GHz長(zhǎng)距離雷達(dá)傳感器的監(jiān)測(cè)距離可以延長(zhǎng)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(shì)，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(jiān)測(cè)距離會(huì)大幅縮短。另一方面，雷達(dá)傳感器卻幾乎不受天氣的影響。雷達(dá)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前端，例如77 GHz雷達(dá)天線就很小，幾乎能安裝于車身的任何位置。因此，目前大多數(shù)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)都采用77 GHz長(zhǎng)距離雷達(dá)。

ACC系統(tǒng)的主要任務(wù)是在前車距離過近時(shí)將車輛減速，距離足夠遠(yuǎn)時(shí)加速。完成此任務(wù)所需的控制參數(shù)——車速和反應(yīng)時(shí)間(見下控制回路圖)是由司機(jī)通過人機(jī)界面(HMI)來設(shè)定的(見下圖2(方塊圖))。整個(gè)控制功能是由傳感器控制單元(SCU)來提供。SCU的主要功能是控制ACC系統(tǒng)的傳感器和目標(biāo)識(shí)別，其控制參數(shù)計(jì)算和相關(guān)系統(tǒng)啟動(dòng)則是由ACC系統(tǒng)的電子控制單元(EUU)負(fù)責(zé)執(zhí)行。

ACC系統(tǒng)傳感器的接收信號(hào)需要進(jìn)一步處理。在目標(biāo)識(shí)別時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)信號(hào)所含的信息來計(jì)算出潛在對(duì)象的距離和相對(duì)速度。車距控制需要從ACC雷達(dá)系統(tǒng)所探測(cè)的所有目標(biāo)中精確地鎖定其中一個(gè)；鎖定目標(biāo)時(shí)會(huì)用上車輛移動(dòng)方面的信息，如加速度、車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角和偏航率。根據(jù)駕駛本身的車速和所要求的反應(yīng)時(shí)間，ACC系統(tǒng)還可計(jì)算出所需的最小車距。

若在現(xiàn)行車速下計(jì)算出的車距過近，ACC系統(tǒng)就給適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)(如引擎管理，剎車系統(tǒng))送出減速命令，從而調(diào)整車距。若調(diào)整后的車距已經(jīng)足夠，車速就會(huì)被調(diào)至所需的速度。要做到這點(diǎn)，ACC系統(tǒng)須向相關(guān)驅(qū)動(dòng)發(fā)出加速命令。若車輛無法保持最小車距，系統(tǒng)便會(huì)在人機(jī)界面上顯示所設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間和警告信號(hào)。下圖是自適應(yīng)系統(tǒng)的各個(gè)元器件以及它們?cè)谲嚿淼南鄬?duì)位置。

注：前輪驅(qū)動(dòng)的汽車

ASR=加速滑移控制(牽引控制)

ESP=電子穩(wěn)定系統(tǒng)(電子穩(wěn)定控制)

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)

現(xiàn)有的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)大多采用毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，其中又以調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)(FMCW)應(yīng)用最為廣泛。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)能同時(shí)探測(cè)出目標(biāo)相對(duì)于車輛的距離和速度。若安裝適當(dāng)數(shù)量的天線，它們還能計(jì)算出目標(biāo)與車輛的縱軸夾角。

在調(diào)制周期內(nèi)(tm)，調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的發(fā)射頻率會(huì)以線性方式在頻率偏移范圍內(nèi)(調(diào)制范圍，fh)不斷改變。下圖A是包含三段斜波的發(fā)射信號(hào)頻率曲線。在發(fā)射機(jī)和目標(biāo)都未移動(dòng)的靜態(tài)系統(tǒng)中(見圖B)，接收信號(hào)的頻率會(huì)落后于發(fā)射信號(hào)，其頻率差與發(fā)射機(jī)和物體之間的距離成正比。將發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)混頻會(huì)產(chǎn)生頻率較低的中頻信號(hào)，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(duì)于發(fā)射機(jī)在移動(dòng)，接收信號(hào)的頻率就會(huì)因?yàn)槎嗖防招?yīng)而改變。物體接近時(shí)，接收信號(hào)的頻率會(huì)升高，物體遠(yuǎn)離時(shí)則降低。若忽略發(fā)射機(jī)與物體的距離，以相對(duì)速度vrel接近就會(huì)產(chǎn)生如下圖C中的接收信號(hào)，此時(shí)中頻fd保持不變。將圖B與圖C中的頻率曲線相加在一起即可得到一個(gè)完整接收信號(hào)，它的中頻信號(hào)包含發(fā)射機(jī)與目標(biāo)之間的距離和相對(duì)速度等信息(見圖D)。

圖C、圖D

下圖E和圖F為發(fā)射機(jī)與物體以相對(duì)速度vrel遠(yuǎn)離時(shí)的頻路曲線。

圖E、圖F

中頻可由調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方程式表示成距離r和相對(duì)速度vrel的函數(shù)，其中相加代表發(fā)射機(jī)與目標(biāo)逐漸接近，相減則代表逐漸遠(yuǎn)離。

當(dāng)c=光速

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