汽車ACC雷達姿態控制的尺寸分析及優化

白燕超，陳新華，闞天水

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

1 前言

隨著汽車技術的快速發展，為提高行車安全性和駕駛舒適性，越來越多的車載雷達被應用在汽車上，目前的車載雷達主要有三種：超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達[1]。而ACC自適應巡航系統作為車載雷達的一種，是通過裝在汽車前方的雷達傳感器，幫助司機保持適當車速并控制與前方車輛的距離。因為毫米波雷達結構較簡單，價格較低，不易受電磁干擾，目前大多數 ACC自適應巡航系統是以毫米波雷達為基礎來實現的[2-3]。

為保證ACC雷達功能的實現，除了ACC雷達自身系統的穩健性外，ACC雷達傳感器相對于整車姿態的照射角度也會有較大影響，如果尺寸鏈太長，照射角度控制不當，容易造成雷達誤報警或不報警等功能問題，同時也給制造工廠雷達標定工作帶來很大困難。

本文基于本公司一款全新開發的中型 SUV車型，針對ACC雷達傳感器定位方式、工藝方案、整車尺寸鏈、底盤尺寸鏈等影響因素，運用3DCS軟件進行三維尺寸鏈分析建模，通過對雷達傳感器不同定位方式、工藝方案的優化，找出了滿足雷達照射角度的最優方案，提高了 ACC雷達系統設計的穩健性。

2 ACC雷達姿態控制要求及方案研究

2.1 ACC雷達傳感器姿態控制要求

現代的 ACC雷達基本都有一定的姿態自調節能力，但這個調節范圍也是有限的[4]，如圖1所示，雷達的照射角度可分解為兩個，雷達照射的Z向夾角和X向夾角。如果雷達照射角度偏差在±1°內，ACC雷達依靠自身的調節能力能夠自適應調平，不影響 ACC雷達功能實現；如果雷達照射角度偏差大于±1°，ACC雷達則會出現誤報警或不報警的功能問題。因此如何保證雷達照射角度偏差控制在±1°內則成為了本文優化的主要目標。

圖1 ACC雷達傳感器照射角度要求

2.2 ACC雷達傳感器安裝方案

2.2.1 ACC雷達傳感器裝在前保上

圖2 ACC雷達傳感器裝在前保上

如果考慮雷達波受到的物理干擾因素最少，便是將雷達傳感器安裝在整車的最前端，即直接安裝在前保上，如圖 2所示。但該方案的風險在于前保偏軟，易下沉，雷達傳感器照射角度不易控制，而增加前保的剛度又會帶來成本和重量的顯著上升。同時前保為易損件，發生碰撞事故后，雷達傳感器易連帶損壞，車輛維修使用成本較高。

2.2.2 ACC雷達傳感器裝在前防撞梁上

考慮雷達傳感器安裝穩定性最好的方案便是將雷達傳感器直接安裝在精度較高的車身上，比如前防撞梁上，如圖 3所示。避免了2.2.1方案的風險，但也犧牲了一定的性能。

圖3 ACC雷達傳感器裝在車身上

3 ACC雷達裝配工藝3DCS尺寸鏈建模

3DCS軟件是進行尺寸鏈分析的專業軟件，通過蒙特卡洛方法能夠進行從零部件到整車的尺寸鏈裝配模擬分析，在汽車行業有著廣泛的應用。裝配尺寸鏈的生成依賴于零件間裝配關系和零件的尺寸公差，為了確保尺寸鏈分析的準確性和可靠性，尺寸鏈模型搭建需完全與整車裝配工藝保持一致[5]。3DCS尺寸鏈建模如圖4所示。

圖4 3DCS尺寸鏈建模圖示

3.1 ACC雷達整車尺寸鏈建模過程

考慮 ACC雷達傳感器姿態控制要求是在整車空載狀態下雷達照射角度的偏差波動，所以整車尺寸鏈裝配建模過程中，要考慮從雷達傳感器裝配到車身，從車身裝配到底盤前后懸，從底盤前后懸裝配到輪胎再到地面的整個過程，如圖5所示。

圖5 ACC雷達整車建模示意圖

針對雷達傳感器裝在前保上和裝在前防撞梁上的兩種裝配方案分別進行尺寸鏈建模，尺寸鏈環如圖6和圖7所示。

根據上述尺寸鏈，通過3DCS軟件對ACC雷達照射角度進行整車建模分析，建模過程中，將車身作為一個整體進行考慮，將所有總裝裝配件打散到單件進行裝配，分別對不同的雷達布置方案進行分析。

圖6 雷達傳感器裝在前保上的尺寸鏈

圖7 雷達傳感器裝在前防撞梁上的尺寸鏈

4 結果分析及工藝方案優化

4.1 結果分析

使用3DCS軟件分別對ACC雷達兩種布置方案進行尺寸鏈建模分析，分析結果如圖8所示。

圖8 ACC雷達不同布置方案分析結果對比

從分析結果看，雷達傳感器裝在前保上的方案，Z向面的角度偏差波動6σ達到±1.46°，超差率達到5.56%，不滿足±1.0°的角度控制要求；X向面6σ為±0.9°，超差率為0.06%，滿足±1.0°的角度控制要求。而雷達傳感器裝在前防撞梁上的方案，Z向面的角度偏差波動的6σ為±1.08°超差率為0.51%，X向面6σ為±0.66°，超差率為0.0 %，該方案相對雷達傳感器裝在前保上的方案，角度偏差波動要小的多。

從兩種方案的尺寸鏈對比分析結果看，雷達傳感器裝在前防撞梁上的方案在Z向面波動和X向面波動均優于雷達傳感器直接裝在前保上的方案，同時考慮前保成本和重量因素，以及前保和雷達拆裝及維修便利性，綜合考慮最終選擇了雷達傳感器裝在前防撞梁上的方案。

4.2 裝配工藝優化

對于雷達傳感器裝在前防撞梁上的方案，雖然Z向面和X向面波動相對雷達傳感器裝在前保上的方案有了很大改善，但是 Z向面的波動超差率仍有 0.51%，且 6σ為±1.08°，大于±1.0°的控制要求。考慮到制造工廠對雷達傳感器標定合格率的嚴格要求和雷達傳感器的不便返修的特性，制造工廠要求雷達傳感器一次裝配合格率滿足 6σ要求，即99.73%的合格率。所以針對雷達傳感器的裝配工藝方案進一步優化。

如圖9所示，對分析結果的主要貢獻因子進行分析，發現貢獻最大的前三個因子均為前防撞梁相關公差，貢獻度合計達到 53.1%，所以考慮進一步從防撞梁和雷達支架的打緊方向進行方案優化。

圖9 雷達傳感器角度波動的貢獻因子分析

一般來講，打緊面積越大，零件定位穩定性越好，所以對雷達支架到前防撞梁上的打緊方式進行優化，如圖 10所示。雷達支架的打緊方向從原來的Z向打緊到前防撞梁優化為X向打緊。

圖10 雷達支架在前防撞梁上打緊方式的優化方案

對雷達支架打緊方式的優化方案進一步進行整車尺寸鏈分析建模，分析結果如圖11所示，優化后雷達傳感器Z向面的角度波動6σ為±0.9°，小于±1.0°的控制要求，超差率僅為0.07%，滿足99.73%的合格率要求，X向面的波動6 σ為±0.64°，超差率為0，同樣也滿足雷達傳感器角度控制要求。通過方案優化最終雷達支架打緊到前防撞梁的方向優化為X向。

圖11 ACC雷達裝配工藝方案優化結果

5 小結

本文面向 ACC自適應巡航雷達的裝配功能實現，通過整車 3DCS建模，分析和優化了從車身到底盤的影響 ACC自適應巡航雷達照射角度的尺寸和工藝因素。為 ACC自適應巡航雷達的方案選擇和裝配工藝優化提供了有力的理論支持。通過不同的方案對比和優化，最終確定了 ACC自適應巡航雷達安裝在前防撞梁上的最優方案。本文對 ACC自適應巡航雷達安裝工藝方案的尺寸分析研究，對以后車型各種有角度要求的雷達系統、前視系統等的設計布置均有較強的指導意義。