汽車后視毫米波雷達(dá)安裝角標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

朱子甲，汪進(jìn)，劉奎，王崇陽(yáng)

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車后視毫米波雷達(dá)安裝角標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

朱子甲，汪進(jìn)，劉奎，王崇陽(yáng)

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章論述了基于汽車后視毫米波雷達(dá)系統(tǒng)的安裝角標(biāo)定方案。該側(cè)后雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了盲區(qū)監(jiān)測(cè)，換道輔助等功能。針對(duì)上述功能的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)雷達(dá)進(jìn)行安裝角標(biāo)定，目標(biāo)角度的測(cè)量是對(duì)確定目標(biāo)相對(duì)于本車的車道位置、計(jì)算縱向車速進(jìn)而計(jì)算碰撞時(shí)間等具有決定性的影響因素，對(duì)于報(bào)警結(jié)果產(chǎn)生直接影響，其測(cè)量的準(zhǔn)確性尤為重要。論文從雷達(dá)測(cè)角理論分析，到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)方案驗(yàn)證，進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

毫米波雷達(dá)；探測(cè)角；標(biāo)定；角度測(cè)量

Abstract:This paper discusses the control logic of the rear flank radar system based on microwave radar. This rear flank radar system has realized the function of the blind spot detection, lane change merge assist, cross traffic alert, rear collision warning and passenger door open warning. For the above function, this paper describes the functional one by one and discusses the control logic design of the system. The content mainly includes open condition, alarm condition, alarm type and functional logic for each function of the system. At last, the paper reviews the progress of the functional alarm logic priority.

Keywords: Microwave radar; Control logic; Functional description; Open condition; Alarm condition

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-88-04

概述

汽車后視雷達(dá)應(yīng)用微波探測(cè)汽車后方目標(biāo)車輛或障礙物的距離、方位和速度信息，利用這些信息實(shí)現(xiàn)后方的主動(dòng)安全駕駛。其中，目標(biāo)角度的測(cè)量是對(duì)確定目標(biāo)相對(duì)于本車的車道位置、計(jì)算縱向車速進(jìn)而計(jì)算碰撞時(shí)間等具有決定性的影響因素，對(duì)于報(bào)警結(jié)果產(chǎn)生直接影響，其測(cè)量的準(zhǔn)確性尤為重要。目標(biāo)角度的測(cè)量主要原理是利用目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)模塊不同接收通道的相位關(guān)系來(lái)確定的。

在批量生產(chǎn)裝車的過(guò)程中，存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題：首先，批量生產(chǎn)過(guò)程中，雷達(dá)模塊本身存在接收通道相位的差異；其次，批量裝車過(guò)程中，雷達(dá)安裝到汽車本身帶來(lái)的角度測(cè)量調(diào)制的差異。以上問(wèn)題都會(huì)影響最終的目標(biāo)角度的準(zhǔn)確測(cè)量。因此，需要對(duì)每一對(duì)雷達(dá)模塊裝車的角度進(jìn)行出廠前的快速校正。

1 毫米波雷達(dá)測(cè)角理論分析

1.1 雷達(dá)測(cè)角原理

BSD雷達(dá)應(yīng)用的測(cè)角方法是比相測(cè)角法。對(duì)于裝車的雷達(dá)模塊，真實(shí)的安裝角度與設(shè)計(jì)的安裝角度以及綜合通道相位引起的角度誤差有一定的差距。如果不進(jìn)行角度校正，將會(huì)出現(xiàn)一種現(xiàn)象：當(dāng)目標(biāo)沿著與車身縱向平行做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，雷達(dá)模塊測(cè)量得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡顯示為一條與車身縱向存在一定夾角的直線甚至不規(guī)則曲線運(yùn)動(dòng)。雷達(dá)測(cè)角原理可以用下式表示：

其中，λ表示電磁波的波長(zhǎng)，d為接收通道間的間距，Δφ表示方位角為α的目標(biāo)在兩個(gè)接收通道之間產(chǎn)生的相位差。對(duì)于24GHz頻段，現(xiàn)有的天線加工工藝可以確保通道間距與波長(zhǎng)的比值對(duì)角度測(cè)量的影響可以忽略，因而，角度測(cè)量?jī)H僅取決于Δφ。

1.2 影響雷達(dá)探測(cè)精度因素分析

通過(guò)以上分析，結(jié)合雷達(dá)實(shí)際的裝車狀態(tài)，影響目標(biāo)通道間相位差的因素主要包括：雷達(dá)模塊本身接收通道間的初始相位差；雷達(dá)模塊外殼的不規(guī)則面型對(duì)波束的反射和透射的調(diào)制相位差；汽車后保險(xiǎn)杠的不規(guī)則面型對(duì)后發(fā)波束的相位調(diào)制。考慮到應(yīng)用過(guò)程中，最終用于報(bào)警算法的目標(biāo)車輛方位是相對(duì)本車的，因而，雷達(dá)標(biāo)定也需要考慮雷達(dá)陣面法線與車身縱向軸線的夾角，即雷達(dá)的機(jī)械安裝角。

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

針對(duì)雷達(dá)接收通道間的相位差異，設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)。在一個(gè)小暗室中放置一個(gè)電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，一個(gè)位置固定的目標(biāo)模擬器，雷達(dá)模塊固定在電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，可以通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)的角度來(lái)調(diào)整目標(biāo)模擬器相對(duì)雷達(dá)模塊的方位。這樣，可以測(cè)量雷達(dá)模塊不同方向的模擬目標(biāo)與雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)方位的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其典型的測(cè)量結(jié)果如下所示：

圖1

圖中顯示了同一批次生產(chǎn)的4個(gè)雷達(dá)模塊的測(cè)試結(jié)果。可以看出，由于雷達(dá)兩個(gè)接收通道的相位差異，雷達(dá)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際目標(biāo)的方位存在較大的差異；另外，同一批次生產(chǎn)的雷達(dá)在測(cè)角性能上差異較小。

利用上述測(cè)量的雷達(dá)模塊角度對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)雷達(dá)測(cè)量的輸出角度進(jìn)行修正，并得到了模塊的測(cè)量結(jié)果，其典型值如下圖所示：

圖2

圖中的兩條曲線分別表示雷達(dá)輸出探測(cè)結(jié)果與理想結(jié)果時(shí)真實(shí)角度與測(cè)量角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)角度修正后，雷達(dá)的角度測(cè)量結(jié)果與真實(shí)方位在誤差允許的范圍之內(nèi)保持一致，保證了角度測(cè)量的準(zhǔn)確性。因而，相位差異引起的角度偏差可以通過(guò)以上方法修正來(lái)消除。

對(duì)于雷達(dá)模塊的機(jī)械安裝角度的偏差，由于車輛的鈑金支架上雷達(dá)安裝剖面存在差異，導(dǎo)致不同車輛雷達(dá)安裝角度與系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出的設(shè)計(jì)值存在差異，這種差異會(huì)導(dǎo)致用于報(bào)警算法的目標(biāo)方位與雷達(dá)輸出值和安裝角度設(shè)計(jì)值之間存在整體的偏差，結(jié)果可以表示為下圖：

圖3

由上圖可知，未經(jīng)機(jī)械安裝角度修正，雷達(dá)模塊輸出值與真實(shí)值存在固定偏差。要修正這個(gè)固定的偏差，理論上只需要對(duì)比一個(gè)已知方位的目標(biāo)的雷達(dá)探測(cè)輸出結(jié)果和真實(shí)方位，即可以消除該固定偏差。

2 標(biāo)定方案

依據(jù)上述影響角度測(cè)量的分析，提出后視雷達(dá)角度標(biāo)定的思路如下：

（1）修正對(duì)雷達(dá)接收通道有相位調(diào)制因素而引起的角度測(cè)量偏差：

接收通道間相位調(diào)制引起的差異包括模塊本身的初始相位差以及天線罩和保險(xiǎn)杠等因素的調(diào)制相位差，這些調(diào)制可能是線性或非線性調(diào)制。而對(duì)于批量生產(chǎn)的雷達(dá)模塊，模塊間的差異較小，表現(xiàn)出的性能上的差異也相對(duì)較小，因而，可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量不同已知方位的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)與雷達(dá)測(cè)量方位結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)修正上述線性或非線性相位調(diào)制。該步驟在雷達(dá)模塊出廠前完成。

（2）修正由于雷達(dá)的機(jī)械安裝角度而引起的角度偏差：

圖4

方法1完成的基礎(chǔ)上，除去機(jī)械安裝角度的因素，雷達(dá)模塊能夠較為準(zhǔn)確地對(duì)目標(biāo)的角度測(cè)量。雷達(dá)裝車下線時(shí)在指定工位上，需要對(duì)安裝角度進(jìn)行修正，其方法是在相對(duì)車輛的固定位置放置至少一個(gè)目標(biāo)，其相對(duì)車輛的方位角是已知的，而目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)模塊的方位角由雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果給出。通過(guò)對(duì)比雷達(dá)輸出的測(cè)量角度、目標(biāo)相對(duì)車輛的方位角度以及設(shè)計(jì)的安裝角度值，可以得出用于雷達(dá)報(bào)警的修正角度。該過(guò)程在車輛下線后，出廠前完成。

對(duì)于步驟 1，雷達(dá)模塊在供給整車廠前已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行校正。目前生產(chǎn)線測(cè)試設(shè)備已經(jīng)具備實(shí)施這一角度校正過(guò)程的能力。校正設(shè)備如圖4所示。

對(duì)于步驟 2，需要在整車廠完成車輛裝配后，對(duì)雷達(dá)的安裝角度進(jìn)行修正，需要建設(shè)固定的工位來(lái)實(shí)施。綜合考慮標(biāo)定工位的大小、雷達(dá)標(biāo)定的環(huán)境等因素，采用固定的點(diǎn)目標(biāo)的方法對(duì)雷達(dá)安裝角度進(jìn)行修正，如下圖所示：

圖5

圖中，在汽車左右兩側(cè)給放置兩個(gè)目標(biāo)，并分開(kāi)一定的距離，這兩個(gè)目標(biāo)的連線與汽車的縱向軸線平行。利用兩側(cè)的雷達(dá)對(duì)各自一側(cè)的兩個(gè)目標(biāo)測(cè)量的距離、角度輸出，可以確定汽車縱向軸線與雷達(dá)法線方向的夾角，進(jìn)而得到雷達(dá)的真實(shí)安裝角。理論上，僅需要一個(gè)目標(biāo)就可以得到該安裝角，增加一個(gè)目標(biāo)可以增加標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

3 方案驗(yàn)證過(guò)程設(shè)計(jì)

方案驗(yàn)證方法：上述校正方案的步驟1已經(jīng)得到了驗(yàn)證，因此，這一部分主要是驗(yàn)證步驟 2，修正的效果以雷達(dá)應(yīng)用的效果為判定標(biāo)準(zhǔn)。首先利用已完成安裝角修正的雷達(dá)（通過(guò)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)校正的方法，其BSD應(yīng)用已通過(guò)跑車試驗(yàn)驗(yàn)證），讀取其安裝修正角。其次，按照上述固定目標(biāo)的方法，計(jì)算出此方法得到的安裝修正角。最后，對(duì)比兩者之間的差異，并開(kāi)展實(shí)車路試，驗(yàn)證該修正角下車輛的 BSD功能是否正確，進(jìn)而驗(yàn)證方案的可行性。

首先，已通過(guò)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)修正并得到驗(yàn)證的雷達(dá)平臺(tái)，其機(jī)械校正角度如下圖所示：

圖6

上圖中，顯示的修正角度為-30°。按照標(biāo)定方案中的視圖，實(shí)際測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如下圖所示：

圖中，利用了兩個(gè)角反射器作為標(biāo)定目標(biāo)，這兩個(gè)目標(biāo)被放置在事先標(biāo)定好的、與車輛中軸線平行的直線上。另外，為了抑制其他的干擾目標(biāo)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)被放置在暗示中進(jìn)行。

圖7

將雷達(dá)模塊通電，在調(diào)試界面上讀取兩個(gè)目標(biāo)角度、距離信息。輸出結(jié)果如下圖所示：

圖8

有圖可知，兩個(gè)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)坐標(biāo)系的角度分別為-33.95°和5.6°。考慮到雷達(dá)的距離分辨率，對(duì)于兩個(gè)距離較近的目標(biāo)，距離測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。對(duì)于實(shí)際的校正過(guò)程，兩個(gè)目標(biāo)相對(duì)于車輛的位置是固定的，可以直接得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的位置。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用激光測(cè)距儀測(cè)量了目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離分別為1.39m和3.167m，如下圖所示：

圖9

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到機(jī)械修正角度為：

帶入測(cè)量結(jié)果，得到標(biāo)定的修正角為-28.5°。

本方案的修正角結(jié)果與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)校正的結(jié)果基本保持一致，相差1.5°，實(shí)車跑車試驗(yàn)表明，該機(jī)械修正角達(dá)到車輛BSD應(yīng)用的功能要求。可能原因：兩個(gè)目標(biāo)的連線與車身縱向中軸線不是嚴(yán)格平行，-30°的修正角也是一個(gè)不影響B(tài)SD應(yīng)用的近似值。所以，通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出，該方案是可行的，可以用于車輛下線后對(duì)機(jī)械安裝角的標(biāo)定。

4 標(biāo)定工位建設(shè)方案及場(chǎng)地要求

按照上述校正方案，考慮到實(shí)際下線標(biāo)定可提供的工位空間，提出了工位中所需設(shè)備以及相關(guān)設(shè)備相對(duì)位置的設(shè)計(jì)、總體分布情況如上圖所示。

圖10

本方案包含的設(shè)備包括小型微波暗室、兩個(gè)小號(hào)的角反射器，兩個(gè)大號(hào)的角反射器以及對(duì)應(yīng)的固定支架。

圖11

為了消除雷達(dá)多次散射雜波和外界目標(biāo)的對(duì)標(biāo)定的影響，整個(gè)標(biāo)定過(guò)程在暗室中進(jìn)行。暗室之所以“暗”是因?yàn)榘凳覂?nèi)壁涂有吸波材料，可以將電磁波吸收來(lái)消除雜散波。小型微波暗室的尺寸如圖中所示，圖中的吸波材料要求覆蓋24GHz頻段，并且對(duì)該波段的入射電磁波的反射小于35dB。(可參考我所微波暗室的吸波材料，型號(hào)為 SA-700PI，制造商為大連東信微波吸收材料有限公司)。

圖12

校正過(guò)程是針對(duì)左右兩側(cè)雷達(dá)，每一側(cè)各需要一大一小角反射器。角反射器的尺寸如圖所示，通過(guò)支架固定在地面上。支架表面也需要用吸波材料包裹，角反射器在支架上的高度可調(diào)且能鎖緊，調(diào)節(jié)范圍為0.5m-1m；角反射器在支架上可旋轉(zhuǎn)方位且能鎖緊；支架與地面的相對(duì)位置縱向可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍±0.1m。待校正的車輛停入小型暗室后，車輛的縱向中軸線與兩個(gè)角反射器中心連線的夾角小于0.1°。目標(biāo)與車輛的相對(duì)位置關(guān)系參見(jiàn)圖中標(biāo)示。

5 毫米波雷達(dá)標(biāo)定流程設(shè)計(jì)

車輛從上一個(gè)工位轉(zhuǎn)到雷達(dá)標(biāo)定工位，當(dāng)車輛在指定的位置停下后，就將開(kāi)始雷達(dá)安裝角度校正過(guò)程。校正流程可以用下圖表示：

圖13

首先，將診斷儀接入車身的 OBD接口上，在診斷儀上設(shè)定預(yù)先設(shè)置的選項(xiàng)，這些選項(xiàng)包括選定預(yù)處理流程，切換會(huì)話模式，提升安全等級(jí)。

然后，啟動(dòng)標(biāo)定例程，按照預(yù)先設(shè)置好的標(biāo)定例程進(jìn)行標(biāo)定并不斷地查詢標(biāo)定結(jié)果，當(dāng)標(biāo)定成功后，讀取標(biāo)定優(yōu)化因子并評(píng)判標(biāo)定的效果；當(dāng)標(biāo)定不成功時(shí)，將會(huì)分析標(biāo)定失敗的原因。整個(gè)過(guò)程中由模塊自動(dòng)完成，標(biāo)定結(jié)果在診斷以上輸出顯示。

最后，根據(jù)診斷儀上輸出的結(jié)果確定是否重新標(biāo)定，結(jié)束并完成標(biāo)定。

6 結(jié)論

本文從側(cè)后毫米波雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)角度原理進(jìn)行分析，找出影響雷達(dá)探測(cè)角度精度的因素，并就影響因素，進(jìn)行理論和實(shí)踐分析驗(yàn)證，排除次要因素，鎖定主要因素，進(jìn)行詳細(xì)的分析驗(yàn)證，并結(jié)合雷達(dá)功能實(shí)現(xiàn)及場(chǎng)地施工因素，綜合考慮后，得到側(cè)后毫米波雷達(dá)安裝角標(biāo)定方案，并進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證，該套方案滿足側(cè)后雷達(dá)安裝角標(biāo)定要求。

[1] ISO 17387-2008 Intelligent transport systems-Lane change decision aid systems (LCDAS).

[2] 張洪波,劉艷.豐田倒車側(cè)方盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展[J].汽車與配件,2014.36.

[3] 雷達(dá)信號(hào)處理基礎(chǔ).[美]Mark A.Richards著.邢孟道,王彤,李真芳等譯.電子工業(yè)出版社 2008.6.

A control logic design research of one rear flank radar system

Zhu Zijia, Wang Jin, Liu Kui, Wang Chongyang
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-88-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.031

朱子甲，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。