基于毫米波雷達(dá)的車輛測(cè)距系統(tǒng)

吳榮燎，金鉆，鐘停江，代皓宇

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 210000）

引言

近年來，隨著全球汽車保有量地迅速增加，汽車的安全性以及智能化、舒適性等因素越來越多地被消費(fèi)者所關(guān)注。根據(jù)中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP），自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEBS）已經(jīng)在2018年納入評(píng)分體系，因此毫米波雷達(dá)的需求量將會(huì)上升。另外，展望未來，體積更小、探測(cè)距離更長(zhǎng)的毫米波雷達(dá)將占據(jù)更多的傳感器市場(chǎng)空間。汽車領(lǐng)域向著無人駕駛的方向日益發(fā)展，其根本目的是減少汽車在日常交通環(huán)境中由于人為原因造成安全隱患。在汽車上搭載基于毫米波雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)前向碰撞預(yù)警（FCW）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）等功能，大大提高了汽車的安全性。

1 毫米波雷達(dá)介紹

毫米波雷達(dá)是工作在毫米波波段的雷達(dá)，具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)。目前市面上毫米波雷達(dá)的實(shí)物圖如圖1。毫米波雷達(dá)通過信號(hào)的發(fā)射和接收，處理后獲得汽車前方障礙物的各種信息（相對(duì)速度、相對(duì)距離、相對(duì)角度等）與自身車輛信息結(jié)合后，提供一定的信息給駕駛員，并在出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)發(fā)出警報(bào)給駕駛員。目前市面上主流的毫米波雷達(dá)的工作流程圖如圖2。

圖1 毫米波雷達(dá)實(shí)物圖

圖2 毫米波雷達(dá)工作流程圖

1.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距原理

毫米波雷達(dá)的測(cè)速原理是通過發(fā)射信號(hào)和回收信號(hào)，通過接受到的信號(hào)頻率與自身的頻率對(duì)比處理，從而得出該車與障礙物之間的相對(duì)距離和相對(duì)速度。當(dāng)傳感器發(fā)出信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間差為Δt，距離為R，光速為c，根據(jù)公式。即可算出該車相對(duì)于障礙物之間的距離。

1.2 毫米波雷達(dá)測(cè)速原理

根據(jù)多普勒效應(yīng)可知發(fā)射和接收的信號(hào)存在多普勒頻移，即頻率會(huì)有差別。所以把對(duì)于障礙物反射收到的多普勒頻移為fd，波形圖如圖3所示：

圖3 雷達(dá)識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及靜置目標(biāo)圖

其發(fā)射和反射的三角波中頻頻率可表示為

試中Δf代表中頻頻率；fd表示多普勒頻移，由式1-3就可以求出雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)速度，表達(dá)式為：

f0代表發(fā)射波中心頻率，λ代表波長(zhǎng)。速度v的符號(hào)與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相關(guān)：目標(biāo)接近時(shí)v為取正值，目標(biāo)遠(yuǎn)離時(shí)v取負(fù)值。[1]

2 各種車載雷達(dá)對(duì)比分析

2.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)有著較好的分辨率，較強(qiáng)的抗干擾能力，還有體積小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)。但是，激光雷達(dá)受天氣情況影響較大，價(jià)格過高，難以普及到大眾的車輛中成為駕駛輔助系統(tǒng)的傳感器，且激光雷達(dá)測(cè)距一般適用于靜態(tài)測(cè)距，不適合于本次設(shè)計(jì)的駕駛輔助系統(tǒng)的測(cè)距要求。

2.2 攝像頭

攝像頭的成本較低，在白天可以較好的識(shí)別道路交通環(huán)境，攝像頭在車上主要應(yīng)用于倒車或者盲點(diǎn)測(cè)控，輔助駕駛員得到更多的車周圍的信息。劣勢(shì)在于受光照和雨雪天氣的影響較大，并且光照的變化對(duì)其識(shí)別精度有很大影響。[2]

2.3 超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)利用傳感器發(fā)射超聲波并接收由障礙物反射回來的超聲波，通過發(fā)射與接收的時(shí)間差來判斷計(jì)算車體到障礙物的距離，缺點(diǎn)是由于聲波在空氣中傳播比較慢，對(duì)于車速快，探測(cè)距離遠(yuǎn)的情況并不適用，且超聲波雷達(dá)發(fā)散角度大，能量大大降低，會(huì)導(dǎo)致分辨能力下降。所以這適用于倒車，不滿足我們的無人駕駛系統(tǒng)的測(cè)距并制動(dòng)功能。4種傳感器對(duì)比如圖4。

圖4 四種傳感器優(yōu)缺點(diǎn)比較

3 制動(dòng)時(shí)間和距離計(jì)算分析

3.1 駕駛員制動(dòng)

駕駛員從發(fā)現(xiàn)情況到大腦進(jìn)行判斷之后支配手腳進(jìn)行操作，這段時(shí)間被稱為反射時(shí)間，約需0.35秒，腳離開加速踏板并且轉(zhuǎn)移到制動(dòng)踏板上的時(shí)間約為0.25秒，所以當(dāng)駕駛員從發(fā)現(xiàn)前方有情況到踩下制動(dòng)大約需要0.6秒，但是考慮到駕駛員有個(gè)自身的判斷，所以大約會(huì)有1.0秒的自我判斷時(shí)間，所以由人工完成整個(gè)制動(dòng)的時(shí)間大約會(huì)達(dá)到1.6秒。

3.2 汽車自動(dòng)制動(dòng)

因?yàn)槔走_(dá)發(fā)射的電磁波在空氣中的傳播速度基本等于光速，所以從發(fā)射信號(hào)到接收信號(hào)的時(shí)間差極小，所以該車的“反應(yīng)時(shí)間”幾乎為零。

3.3 距離計(jì)算

圖5 制動(dòng)過程

一般踩下制動(dòng)踏板后，車輛不會(huì)立即開始產(chǎn)生加速度，即不會(huì)立即產(chǎn)生制動(dòng)力，這是因?yàn)橹苿?dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間會(huì)有空隙，需要一定的磨合，而克服這種制動(dòng)間隙所需要的時(shí)間大約是0.6秒，之后車輛才能真正開始產(chǎn)生制動(dòng)力，迫使車輛剎停。圖5為車輛制動(dòng)全過程：

將制動(dòng)過程中最大的加速度設(shè)為a，斜率設(shè)為k，那么k與a之間的關(guān)系為：

可以得出：

通過對(duì)路程S積分，再把a(bǔ)帶入得：

所以總的距離S的表達(dá)式為：

通常情況下t3取0.1秒，車輛最大制動(dòng)a平均取7.0m/s2，當(dāng)我們的車速以25km/h的速度行駛時(shí)帶入式中可以推測(cè)出駕駛員完全自主制動(dòng)距離為18.9m,而有著毫米波雷達(dá)輔助制動(dòng)系統(tǒng)的車輛只有7.9m的制動(dòng)距離。對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)距離只有人工剎車的0.4倍，這大大減小了危險(xiǎn)程度，保障車中人員的安全。

4 毫米波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 毫米波雷達(dá)的硬件系統(tǒng)

對(duì)各類應(yīng)用于汽車的傳感器進(jìn)行比較和分析之后，由于毫米波雷達(dá)具有測(cè)量距離遠(yuǎn)，全天候都能達(dá)到一個(gè)理想的工作狀態(tài)，測(cè)距的精度遠(yuǎn)高于視覺傳感器，并且能夠適應(yīng)城市中復(fù)雜的路況和交通環(huán)境，因此近幾年來，越來越多的車型裝備毫米波雷達(dá)。目前，毫米波雷達(dá)是專用于機(jī)動(dòng)車駕駛輔助系統(tǒng)ADAS（Advanced Driving Assistant System）的微波雷達(dá)傳感器，主要用于主動(dòng)碰撞預(yù)警，輔助機(jī)動(dòng)車完成障礙物規(guī)避的功能。現(xiàn)在隨著新能源汽車及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，毫米波雷達(dá)的應(yīng)用更加地廣泛，特別是在汽車主動(dòng)防撞安全領(lǐng)域。本次車載毫米波測(cè)距雷達(dá)采用77GHz的毫米波雷達(dá)，用于本次車輛測(cè)距系統(tǒng)，以77GHz的毫米波雷達(dá)位架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，具有集成度高，可以做更多的通道，識(shí)別進(jìn)度也更高，穿透性也更強(qiáng)，本文設(shè)計(jì)的車輛測(cè)距領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)硬件框圖6如圖所示。[3]

圖6 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)硬件框圖

4.2 毫米波雷達(dá)的軟件

毫米波雷達(dá)通過整車的CAN網(wǎng)絡(luò)，ECU對(duì)反射回來的雷達(dá)波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行識(shí)別與處理，針對(duì)當(dāng)前汽車的行駛情況，如果出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況，毫米波雷達(dá)控制車載儀表盤做出相關(guān)的報(bào)警，給駕駛員一定的提醒，當(dāng)駕駛員沒有對(duì)該危險(xiǎn)情況做出反應(yīng)時(shí)，進(jìn)而控制車輛進(jìn)行減速或加速等操作。[4]

5 結(jié)束語

本文針對(duì)毫米波雷達(dá)在車輛上的應(yīng)用，通過分析、計(jì)算得到其在行駛中的安全距離。通過與其他傳感器的對(duì)比綜合得出毫米波雷達(dá)有著更好的測(cè)距能力。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的背景下，毫米波雷達(dá)有著極大的發(fā)展可能，又有著很大的提升空間，將傳感器融入車載計(jì)算機(jī)，極大地提高了駕駛安全性，也進(jìn)一步地為駕駛輔助系統(tǒng)奠定了硬件基礎(chǔ)。[5]