大眾CC自動巡航控制ACC工作原理淺析

陳天殷

（美國亞派克機電（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

大眾CC自動巡航控制ACC工作原理淺析

陳天殷

（美國亞派克機電（杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

從親歷的事故處理、故障維修及原因分析，介紹一汽大眾CC車型自動巡航控制ACC的工作原理和基本架構、系統參數的選定、數據采集、處理系統的硬件設計和算法運用。

巡航控制；毫米波雷達；主動安全裝置；安全性

CC車型不愧是一汽大眾的當家花旦，外觀動感時尚，線條流暢，動力足夠，雖底盤懸掛調校偏硬，但各項主被動安全配置豐富，適合中年人放心地安全駕駛操控。2012年5月我按揭購買了一輛CC 2.0 T，其發動機最大功率和轉矩分別是147 kW和280Nm。無論在市內上班代步，還是舉家外出旅游，上高速爬坡道皆得心應手，享受信馬由韁的愜意。

人有旦夕禍福。2013年7月22日，在中山市我的愛車CC被追尾了，前面還撞上笨重的工程車！劇烈撞擊擠壓使車的前部后橋都已嚴重翹曲變形。事故處理完畢后，按交警必須就近維修的要求，車輛被拖到臨近的火炬開發區專修三菱日系車的“匯倫”維修店。

經過一個多月焦心的等待，8月底維修店電話通知我：車已修好，過去驗收。一試車，問題一大堆：車門密封不好，雨天漏水；外部溫度計失效；座位自動復位失靈；最嚴重的是自動巡航控制ACC不能工作：有時系統提示“車距未經調整”，有時系統看不見前方的車輛，而臨近車道上的車輛卻有反應提示。車道維持／輔助功能也不能工作，圖標在60 km／h時速不變綠，不能自動將車保持在現車道內，該功能已完全失效。

于是又開始耐心期待。10月初試車，ACC功能依舊和8月情況一樣，無法使用。店主說ACC的控制器又換過一個新的了，已經盡到最大努力。制冷系統也完全失靈。正本清源，還得我援用自己的努力，幫著維修店認識大眾ACC的基本原理和硬件軟件，自己也詳細研習不同波段電磁波天線發射接收的理論，來協助分析安排檢查故障的因由和維修攻略。

通過共同努力，對電磁波發射接收原理了然于胸，到11月底ACC功能終于修復。我的CC車牌的后4位是5206，希望有關方面能看到本文，我對記述的事件負責。拖拉4個月的維修經歷讓我感慨頗多。建議國家應有規定，車輛的維修必須到車型相符的4S店，不能任由主辦交警拖到其熟悉的店里去。

1 ACC的簡介及其硬件

1.1 自動巡航控制

Autonomous Cruise Control中譯為自動巡航控制，簡稱ACC，本世紀初因微處理器而成熟的最具前瞻性的主動安全核心科技裝置，標志計算機輔助駕駛突破性進展。它實現了汽車行駛過程的智能巡航控制，其防撞擊雷達能自動測量自身車輛與前方車輛和障礙物之間的相對速度和相對距離，并根據計算出的安全距離，對危險和危急的程度作出減速或制動的判斷，并即時警示和實施控制操作。

ACC系統具有定速、限速、加速、減速、恢復維持設定的原速等功能，既可以減輕駕駛疲勞，提高駕駛舒適性，而且由于微控制器直接連接著節氣門的開度控制，影響發動機的工作狀態，所以還減低油耗，提高運行效率，并減少有害氣體排放。在高速公路上行駛時，ACC的定速巡航功能能使駕駛員不踏下加速踏板，車輛仍可按其所設定的車速保持定速行駛。ACC會根據駕駛員設定的目標車速和車輛行駛阻力的變化，自動調節節氣門開度，車輛能以目標車速安全地自動行駛。當駕駛員換低速檔或制動時，ACC會自動斷開。

1.2 自適應巡航控制

ACC自適應巡航功能不同于普通定速巡航，ACC自適應巡航系統利用低功率雷達波發射接收得到前車的確切位置，若發現前車減速或監測到突然前方變道切入的車輛新目標，有自我判斷和自適應能力。如圖1所示。市售配ACC自適應巡航功能一汽大眾車型最低30萬元起。

大眾的ACC自適應巡航控制是一種主動巡航系統，Adaptive Cruise Control，簡稱ACC自適應巡航控制系統。是一種智能化的自動控制系統，它是在早已存在的巡航控制技術的基礎上發展而來。大眾將這一技術運用在中高端車型。有些地方把以智能化為核心的自動巡航控制系統和以定距離控制為主的自適應巡航控制系統區分開來，但兩者英文縮寫相同，都是ACC。后者相對前者較為更初級和基礎。德系汽車20世紀90年代末已有裝載問世。

ACC系統包括雷達傳感器、數字信號處理器和控制模塊。駕駛者設定所希望的車速，系統利用低功率雷達或紅外線光束得到前車的確切位置，如果發現前車減速或監測到新目標，系統就會發送執行信號給發動機或制動系統來降低車速，使車輛和前車保持一個安全的行駛距離。當前方道路沒車時又會加速恢復到設定的車速，雷達系統會自動監測下一個目標。主動巡航控制系統代替駕駛者控制車速，避免了頻繁的取消和設定巡航控制，使巡航系統適合于更多的路況，為駕駛者提供了一種更為輕松的駕駛方式。

毫米波是指波長介于1～10 mm電磁波，其射頻電磁波的帶寬大，分辨率高，天線部件尺寸小，能適應惡劣環境，所以毫米波雷達系統具有質量輕、體積小和全天候等特點，它以雷達測距、測速為基礎。實時監測車輛的前方目標，是調頻連續波雷達。ACC巡航控制毫米波雷達的系統框圖如圖2所示，包括天線、收發模塊、信號處理模塊和報警模塊或汽車速度調整／制動裝置。

1.3 硬件

一汽大眾汽車的ACC裝置的硬件由控制器和天線2個部件組成，如圖3所示。

1）控制器，即含雷達發生器與信號處理等的雷達傳感器部件，相當圖2中的3個模塊。其銘牌數據是：模式FMCW；工作頻段24 GHz；發射功率3 W；工作距離150 m。制造商：美國TRW公司。原裝進口，標價1 550美元。說明書指出有自動追蹤、可逆約束停車、自適應制動等功能。亦可用于奧迪A6、Q7、A8。

2）大眾汽車的標志，即徽標（LOGO）由V和W兩字母上下疊合組成（圖3b）。在有ACC功能的CC車型中是特制的，兼作雷達波的發射和接收天線之用，不能用一般車型的徽標替代。

大眾汽車從車輛的外觀即能判斷出是否是一輛具有ACC的車型，該功能的雷達探測裝置安裝在前臉大眾的車標內。在沒有該功能的普通車型上，車的徽標僅“V”和“W”兩字母筆畫部分是金屬鍍鉻的銀白色框架，其字體以外的部分則鏤空，可見到內有金屬網罩通向車頭內。一般直徑為13～15cm。而有ACC功能的車型，徽標因兼作雷達的發射接收天線，表面是微凸的整體金屬鏡面——類同家里房頂或陽臺的接收C、Ku等波段的碟形衛星天線。而不同微波波段的電磁波發射和接收的盤形天線直徑各不相同，圓弧面曲率也各異。ACC的電磁波天線小到只有直徑15cm。

借來吉赫（GHz）頻段的場強儀，在空曠的場地測試。當換上正確的天線，便有如圖1這樣以Logo為頂端向正前方發射圓錐面范圍的雷達波波束。正常工作時，場強儀可測得與Logo等距離的圓截面上有相同的電場強度，也就有相同的場強值。我的大眾CC最終就是換上了專用的整體金屬鏡面大眾徽標，方能正常發送與接收雷達波，ACC功能遂得以恢復正常。

在福特旗下的“捷豹”（Jaguar）、豐田等一些車型，其測距測速雷達則設置在前方的保險杠中，它們是通過塑料車牌照后的天線發射微波探測信號。

3）定速巡航用于控制汽車的定速行駛，汽車一旦被設定為巡航狀態時，發動機的供油量便由控制單元控制，控制單元會根據道路狀況和汽車的行駛阻力不斷地調整供油量，使汽車始終保持在所設定的車速行駛，無需操縱油門，減輕了疲勞，同時減少了不必要的車速變化，可以節省燃料。一般情況下，當駕駛者踩下制動踏板或離合器時，定速巡航會被自動解除。當自適應巡航激活后，可以通過撥動控制桿上的“DISTANCE”按鍵來調整與前車的距離。一汽大眾ACC操控鍵的位置見圖4。在轉向盤的左側設置了ACC自適應巡航系統的按鈕，這是這項配置首次出現在緊湊級家庭轎車上。

汽車電子技術智能化、網絡化已使這些控制直接和發動機輸出功率的控制緊密相連，對于汽油機：減少噴油量、推遲點火時間、節氣門位置調整及采用輔助空氣裝置；對于柴油機：控制供油量和供油時間。

4）水的密度是空氣的800倍。雷達波在雨霧中傳輸會受到影響嗎？也就是說ACC的功能會因為雨天霧霾天而無法使用嗎？電磁波傳播研究是一門實驗性科學，需要長期大量的實驗數據積累和在應用實踐中不斷完善和發展，研究領域和課題也不斷廣泛和深入。傳輸或通信的品質與接收信號的強度有關，而接收信號的強度取決于發射機的功率、天線的增益和方向性，還取決于傳播距離及電波傳播過程中的介質狀況等。雨、霧等惡劣氣象環境對電波的衰減、去極化以及對10GHz以上頻段的通信系統（發射與接收）性能具有重要影響。正是因為具有微波波段全天候的特點，且體積小、質量輕、分辨率高、頻帶寬和大容量等特點，毫米波在軍事方面具有廣闊的應用前景。毫米波具有抗干擾、反隱身、反低空突防和對抗反輻射導彈的四抗能力。ACC也可算是一項“軍轉民”技術，將雷達應用在汽車電子控制技術上，無須顧慮氣候環境的影響。

2 ACC系統組成及控制原理

ACC是建立在以雷達測距、測速的基礎之上的。系統實時檢測車輛的前方，當前方有停止或慢行的車輛，比較自身的車速，相距小于安全距離而成為危險目標時，先是提前由聲或光向駕駛者發出警示，同時雷達輸出信號至汽車控制系統，根據信號和微控制器的運算，確定減速或自動實現安全平穩高效的制動。

毫米波雷達有調頻連續波（FMCW）雷達和脈沖雷達兩種。當目標距離甚近時，脈沖雷達發射脈沖和接收脈沖間的時間差非常小，對系統信號處理的高速性要求更高，增加近距離脈沖雷達的復雜性，成本也大幅上升，因而當前ACC的毫米波雷達常采用結構簡單、成本較低、對近遠目標探測皆有良好性能的調頻連續波雷達體制。

圖5展示了FMCW雷達ACC系統的構成，包括雷達波發生器、天線、發送接收模塊、信號處理模塊、警示模塊、加減速制動控制裝置等。

射頻發射接收前端是雷達系統的核心，微波傳輸以波導效率最高。前端的架構采用波導結構，還包括環形器、定向耦合器、線性VCO、調制信號源、平衡混頻器和低通濾波器等微波器件。前端混頻輸出的中頻信號送至后級數據信號處理。數據處理的目標消除非必要信號（如雜波）和干擾信號，并對經中頻放大的混頻信號進行處理，從信號頻譜中提取目標距離與速度等信息。

2.1 ACC系統雷達測距與測速

圖6為ACC系統雷達測距測速的工作示意圖。

毫米波FMCW雷達系統的測距測速是通過天線向外發射連續調頻毫米波，并接收目標的反射信號。發射波的頻率隨時間按調制電壓的規律變化。一般調制信號為三角波信號，發射信號與接收信號的頻率變化見圖7a。反射波與發射波的波形相同，這個相位差即是時間上有一延遲（Δt）。Δt與目標距離R的關系式為

式中：C——光速。

發射信號與反射信號在某一時間的頻率差即為混頻輸出的中頻信號頻率f，見圖7b。根據三角學的關系，由圖7a可得出目標距離：R=（CT／4ΔF）Δf，可見，目標距離與前端輸出的中頻頻率成正比。

如果發射信號來自一個相對運動的目標，則反射信號中包括一個由目標的相對運動所引起的多普勒頻移fd，圖8在三角波的上升沿和下降沿輸出的中頻頻率可分別表示為

式中：f——目標相對靜止時的中頻頻率；fd——多普勒頻移，其符號與目標相對運動的方向有關。

根據多普勒原理，目標物的相對運動速度v為

式中：f0——發射波波中心頻率；λ——發射波波長。

ACC在實踐時，駕駛者需先啟動駕駛盤上的“定速巡航”鍵，設定ACC系統與前車的安全距離。系統的設置一般分遠、中、近3檔車距。圖9顯示了駕駛者在儀表板上對安全車距的設定。

ACC系統除維持車輛按駕駛者希冀的車速行駛外，還具備加速、減速和恢復的功能。在自動巡航控制狀態下，如果踏下制動踏板或操作巡航控制取消開關，則解除巡航功能；如果按下恢復開關，則恢復到解除前的固定車速。在巡航控制期間，隨著道路坡度的變化以及汽車行駛可能遇到的阻力，車輛自動變換節氣門的開度或自動進行檔位轉換，以按存儲在微處理器內的最佳燃油經濟性規律或動力性規律穩定行駛。

2.2 控制系統

控制系統的硬件核心部件，不同的汽車企業采用不同型號的單片機（微控制器）。控制策略以采用PID（Proportion Integration Differentiation比例-積分-微分）的調節方式為多，圖10繪出以物理參數為控制對象的PID原理框圖，直觀地表示出過程控制算法的環節。

PID的調節器需給出微分方程和傳遞函數，它將設定車速r（t）與實際輸出值c（t）的偏差Δv，其比例（P）作為控制量，以控制節氣門開度，使車速迅速接近設定車速。考慮過程中偏差一直存在，積分（I）部分把偏差積累起來加大控制量，以消滅偏差，使車速保持穩定。微分（D）部分則起預估作用，當Δv＞0時，表示偏差在加大，應及時增加控制量，使Δv減小；當Δv＜0時表示偏差量在減小，則減小控制量，以避免Δv趨于0時，又向反方向發展而引起振蕩。該自動控制原理基于通過線性組合構成控制量，對控制對象（物理參量）進行閉環控制的系統。雖然有結構簡單、參數整定方便等優點，但有時被控對象的特性會出現非線性或瞬變過程，常規的PID控制若參數調整不當會造成系統振蕩，須由算法的技巧來解決。其控制規律的實現是通過軟件來實現的。改變控制規律，需要改變相應的程序。

汽車廠家將模糊控制（Fuzzy Control）應用于巡航控制系統。FC是一種模仿人類控制活動中人腦控制思維的控制策略，運用模糊數學把人工控制策略由計算機實現。駕駛者對汽車的控制本質上是一個模糊控制的過程。駕駛者駕駛汽車，他會自覺地根據目標車速和實際車速之間的偏差和路面情況，利用自身經驗，決定加速踏板的變化量，從而使汽車車速趨近于目標車速。模擬這一過程的汽車巡航控制的模糊控制器，輸入量可選擇設定車速（存儲在RAM中）和實際車速的偏差以及偏差的變化率來實施，它處于動態刷新中。如圖11所示。

模糊控制不依賴系統的精確數學模型，故對系統的參數不甚敏感。其不足之處是模糊控制規則的獲取和模糊隸屬函數形狀的確定須認真應對，一旦系統確定，其規則和隸屬函數難以隨外界和車輛參數的變化進行調整。即不經調試，某一車輛的ACC裝置不能簡單與他車互換。對物理參量進行模糊控制的理論介紹可查閱參考文獻［6］，此處不贅述。

系統所有信號采集、輸入指令都以數字形式直接存儲和處理。微處理器根據指令車速及其他輸入信號，按給定程序完成所有數據處理，并產生步進電機驅動信號輸出，改變節氣門開度。數字系統受溫濕度影響小，穩定性好，便于在微處理器上編程或修改程序，實現新功能，因而節省昂貴的硬件開支。

3 ACC系統軟件流程

從模塊化角度，ACC系統微控制器軟件編程由如下模塊組成：初始化、鍵盤掃描、啟動判斷、通信、中斷、定時和看門狗等。ACC系統軟件流程如圖12所示。

軟件流程為：系統檢測按鍵是否按下，當巡航開關接通時，啟動判斷程序判斷車速采集程序獲得的車速信號是否在可巡航的范圍內，此時設定鍵有效時實際車速應維持在此時速度。定時程序模塊實現定時，達到定時點的時間時實施中斷，采集實際車速與設定值進行比較，若差值在誤差允許范圍內不動作；若不在，則進入電動機轉速控制的程序實現車速整定。當檢測到加速或減速按鍵按下時，首先修改車速設定值，然后進入電機轉速控制的程序實現加速或減速；當檢測到制動開關接通時，退出巡航控制系統。

4 結語

現代化汽車已成為一個移動的科技展示平臺。汽車制造商正在迅速開發越來越多的創新技術，它們使汽車變得個性化和自動化。微控制器、信息技術的應用，使汽車具備越來越多的自主功能；德國的工程技術、高強度的車輛結構使我在這次嚴重車禍中幸免于難；在駕駛輔助、自動駕駛和信息娛樂方面德系車處于創新的最前沿。研究自動駕駛系統，讓車輛自己完成工作的技術，大眾公司處于領先地位。而奧迪的舉措之一是對谷歌Andrrid操作系統的整合應用，也能讓駕駛者進入ACC時雙手離開轉向盤。

介紹一個親歷的事故及其處理經過，并奉上我的芻蕘之見與同道們共同切磋，希望成為一則給力的維修文本。

［1］Tom Denton.Automobile Electronic&Electronic Systems［M］.London：Elsevies Butterworth Heinemann Co.Ltd.，2009.

［2］Ronald K.Jargem.Automotive Electronic Handbook［M］. 3rd ed.NewYork：McGrow-Hill Corpanics Inc.2008

［3］美國安森美半導體（ONSemiconductor）［DB／OL］.http：／／www.onsemi.com.

［4］意法半導體（STMicroelectronics）［DB／OL］.http：／／www. stmicroelectronics.com.

［5］美國“國家半導體”（Nation Semiconductor）［DB／OL］. http：／／www.ns.com.

［6］陳天殷.汽車電子技術的現狀與展望［J］.汽車電器，2012（12）：1-3，7.

［7］陳康，陳天殷.變頻模糊技術應用于分體式空調機［J］.機電工程，1994（4）：15-18.

（編輯 楊景）

Analysis on the Working Principle of Automatic Cruising Control（ACC）for VW CC

CHEN Tian-yin
（Apeks Motors（Hangzhou）Co.Ltd.，Hangzhou 310013，China）

The working principle，basic framework，selection of system parameters，data acquisition，hardware design and algorithm application of ACC for VW CC are introduced based on the author’s experience of trouble removal，maintenance and cause analysis.

cruising control；millimeter-wave radar；active safety device；safety

U463.675

B

1003－8639（2014）07－0014－05

2014-02-07；

2014-02-17

陳天殷，男，教授級高級工程師，美國亞派克機電（杭州）有限公司總工程師，曾在刊物上發表多篇專業文章。