基于毫米波雷達的純電動汽車自適應巡航系統設計

楊冰非 施衛

摘要：自適應巡航控制是現代車輛電子系統的關鍵構成。在路況復雜多變的道路上，自適應巡航控制系統可以有效幫助駕駛員操控車輛，提高行車安全。因此，自適應巡航控制系統的附加作用受到廣泛關注。目前針對基于毫米波雷達的純電動汽車自適應巡航控制的研究不多，因此，該文將重點介紹基于毫米波雷達的純電動汽車自適應巡航控制系統，該系統可在距離控制模式和速度控制模式之間自動切換，識別前方目標并實時跟蹤，在保持安全距離的情況下提供車輛自動巡航功能。

關鍵詞：毫米波雷達;自適應巡航;純電動汽車

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0138-03

自適應巡航系統是一種新型的車輛駕駛輔助系統，它結合了安全距離跟蹤和速度控制，可以提供車輛跟車巡航功能。如果車輛前面沒有目標車輛，自適應巡航控制系統將以駕駛員設定的恒定速度行駛，類似于傳統的巡航控制系統[1]。當自適應巡航控制系統發現前方有車輛時，巡航系統進入跟車模式，自動跟隨前方的目標車輛，同時保持安全距離[2]。自適應巡航系統可以調整車速以提高駕乘舒適度。目前關于自適應巡航系統的研究主要集中在燃油車上，關于基于毫米波雷達的純電動車自適應巡航系統的研究不多，而隨著污染和能源短缺的日益加劇，以純電動汽車為代表的新能源汽車將逐漸成為出行的首選，因此，研究純電動汽車的自適應巡航系統具有非常重要的現實意義。

1 系統功能原理

自適應巡航系統是現階段大部分車輛的標配安全系統，該系統將傳統的恒速巡航控制與碰撞警告相結合，在車輛行駛過程中可以保持車輛與前車之間的合理距離，實現自適應巡航功能[3]。自適應巡航系統通過電子油門驅動結構、速度傳感器控制車輛以接近駕駛員設定的固定速度行駛。隨著電子技術、傳感器的發展和應用，自適應巡航系統在現有巡航控制系統的基礎上增加了雷達、有線驅動器和相關控制策略等組件。毫米波雷達傳感器測量車輛的相對距離、車輛的相對速度等信息，并通過現場總線將測量數據發送到自適應巡航控制系統[4]。自適應巡航系統使用雷達測量的信息來確定前方是否有車輛，進而選擇不同的駕駛模式。無論是保持車間距離還是勻速前進，自適應巡航系統都會根據控制算法向相應的執行器發出加速和制動指令，控制車輛速度。但是，該系統不適用于車輛數量多、交通不便的道路情況。

2系統總體設計

2.1系統技術要求

1）選擇毫米波雷達傳感器的型號時需要先分析雷達數據，探討雷達捕捉目標的有效方法。

2）系統在跟車時從多個目標中識別和評估有效目標。

3）跟車模式下系統通過控制速度與前車保持恒定安全距離。

4）系統能有效處理突發情況，如系統故障。

2.2系統控制方案

1）選用德國Continent 77GHZ MMW ARS408毫米波雷達，將毫米波雷達置于車輛中央，在誤差范圍內確定雷達位置和角度。雷達數據通過現場總線網絡傳輸，按照現場總線編碼格式編寫現場總線網絡通信報文，對雷達數據幀進行二級制轉換。

2）雷達目標信息采集分析完成后，對信號進行濾波，將車輛行駛時預期路線中心的全車道區域作為雷達的有效目標區域。考慮車內和雷達坐標系設置，按照車道內直線距離最短的原則評估前方有效目標。可以使用坐標信息進行邏輯判斷，確定車輛與前方車輛是否在同一車道上。假設車輛長時間處于車道中間，車輛行車車道可分為y1、y3，車輛中心與前方車輛中心的橫向距離y0，根據這三個參數確定車輛所處車道。

3）基于車輛之間的距離和前方車輛的速度，系統分為速度控制模式和距離控制模式。將策略切換到自適應巡航系統的運行模式，以確定自適應巡航車輛所需的加速度或速度。下位控制器根據上位控制器要求的預期加速度向發動機控制單元、制動控制單元、能量回收控制單元等發送指令，提供實際加速度跟蹤和反饋，讓汽車保持預期的加速度。

4）當系統出現故障時，觸發報警，錯誤顯示閃爍，驅動器主動切換到手動控制模式。

2.3系統結構

圖1為自適應巡航控制系統結構圖。整個系統由中央控制子系統、通信子系統、傳感器子系統構成。中央控制子系統由信息采集單元、主控單元組成，主要作用是輸出整車運行狀態控制指令。通信子系統主要包括聲光報警、觸摸屏等部分，旨在實現有關車輛運行的各種信息的傳輸與呈現。傳感器子系統包括轉向角傳感器、雷達傳感器、輪速傳感器、加速傳感器、制動傳感器等各種傳感器，主要作用是采集車輛的速度、車距等相關參數[5]。

系統采用主從處理器設計方案。主數字信號處理器（Digital Signal Process，DSP）雖然具有強大的數值算法能力，但不擅長規劃任務。因此，主DSP處理器和從處理器進行目標提取、目標跟蹤等各種毫米波雷達相關的數值計算。從處理器STM32主要處理以下任務：作為與DSP的數據交換、閾值設置、人機交互、評估和報警。

車前保險杠部位設置的毫米波雷達可以實時采集車距、兩車相對速度等參數信息并通過現場總線網絡同步發送到主處理器。使用連接到電機輸出的霍爾速度傳感器。輸出與接收軸和轉軸轉速相同的脈沖信號給主處理器計算車速。剎車和油門位置以開關的形式輸入主處理器，以處理各種傳感器。它提供信息并將處理結果發送到從處理器。協處理設備評估當前行車安全狀態并接管相應的控制策略，并對電動機控制單元、制動器控制單元、能量回收控制單元等發出指令。

3系統硬件設計

3.1主處理單元設計

主處理器控制系統電路的設計需要滿足雷達信號處理與控制系統的硬件要求。硬件系統主要包括DSP處理器、現場總線通信、程序調試接口、各種傳感器信號接口、串行通信、電源管理、復位電路、看門狗電路和開關信號接口等模塊。

電源管理模塊負責為整個工作單元和毫米波雷達傳感器供電。看門狗電路主要用于抑制干擾，有效保證系統的穩定運行。初始化模塊負責存儲與相關車輛參數，通過存儲多種車型車輛參數來提高系統的適用性。當系統開始運行時，主處理器DSP從初始化模塊中讀取參數值;輪速信號接口與霍爾速度傳感器連接，處理傳感器的脈沖信號并將其轉換為車速值，串行雷達通信接口模塊獨立SJA1040現場總線控制器、6N137高速光電傳感器、現場總線收發器PCA82C250通。另外，測距雷達負責將處理后的數據信息發送給協處理。設備的控制單元。串行通信接口主要作用是將單片機的TTL電平轉換為USB標準電平，與傳感器或PC機交換信息;主DSP控制器[6]通過現場總線網絡通信接口接收毫米波雷達傳來的車輛真實距離和相對速度信息，處理速度傳感器的脈沖信號，計算真實速度、剎車踏板、油門踏板、轉向角，實時了解道路表面附著系數和其他信息;各種處理后的數字參數信息通過現場總線網絡通信接口發送到從處理器控制單元。圖2為主處理器的硬件結構框圖。

3.2 從處理單元設計

從處理器硬件電路包括現場總線通信、程序調試接口、各種傳感器信號接口、串行通信、電源管理、復位電路、看門狗電路、開關信號接口等模塊、STM32微處理器[7]。

從處理器收到主處理器DSP傳來的指令后將對車輛的運行狀態進行分析，接管相應的控制策略，狀態分析結果通過觸摸屏、聲光報警等方式輸出，同時基于需要顯示各種車輛的狀態信息，幫助司機安全駕駛。如果系統程序有錯誤，則會顯示系統錯誤信息。此外，從處理器控制單元通過現場總線通信接口將各種系統參數信息發送給其他車載電子控制單元。圖3為從處理單元結構。

3.3電源模塊

圖4為系統電源模塊結構框圖，系統選用LMZ23605、TPS795901、TPS78601電源芯片。LMZ23605芯片的輸入電壓為12V或24V。一旦芯片運行可以產生5V的電壓，再通過TPS795901電源芯片、TPS78601電源芯片轉換為3.3V、2.5V、1.2V，以匹配系統的多種工作電壓需求。

3.4通信模塊

車輛自適應巡航控制系統必須通過現場總線網絡與其他車載電子設備進行通信?，F場總線是一種低波特率串行通信協議，主要用于描述設備間信息傳遞的方式?，F場總線網絡通信的每一層與不同設備上的同一層進行通信。實際的通信只發生在相鄰的兩個設備層，設備通過模型物理層的物理環境相互連接?，F場總線網絡定義了OSI模型的數據鏈路層和物理層，用戶可以自由定義應用層的協議。系統現場總線通信控制器采用飛利浦TJA1040，DSP提供現場總線通信接口，用于與車內其他電子設備進行通信，只需外接電平轉換器IC即可實現現場總線通信。圖5為現場總線通信控制器TJA1040電路圖。

4系統軟件設計

本次設計將系統拆分成多個模塊，按功能分為四層（底層模塊、信令層模塊、應用層模塊、算法層模塊），系統軟件結構框圖如圖6所示。

1）底層模塊主要初始化主處理器DSP和STM32從處理器功能模塊，控制系統參數初始化模塊、毫米波雷達接口模塊、現場總線通信模塊、DMA直接數據模塊、時鐘模塊、中斷模塊、定時器輸入數據采集模塊、系統時間定時器模塊等。

2）信號層模塊用于在應用層和底層軟件之間傳輸數據。

3）應用層模塊包括主系統程序和錯誤檢測程序。

4）算法層模塊是整個軟件系統的核心，提供車輛信號處理和縱向控制。

5結束語

綜上所述，自適應巡航控制系統可以在跟蹤車輛的同時控制車輛的速度，直接影響乘坐質量、車輛性能和車輛經濟性。本文詳細介紹了基于毫米波雷達的純電動車自適應巡航系統中的軟硬件設計和控制算法，提出以DSP為主處理器，STM32為從處理器，基于現場總線網絡進行通信傳輸，通過毫米波雷達檢測前方車輛目標和車間距離的設計方案，可以有效提高純電動車的自適應巡航系統應用效果。

參考文獻：

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[7] Peppard L.String stability of relative-motion PID vehicle control systems[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1974，19（5）：579-581.

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