駕駛員輔助系統(tǒng)-自適應巡航控制系統(tǒng)(上)

本文談論的是自適應巡航控制系統(tǒng)(ACC)，它的第一部分討論了 “環(huán)車感應系統(tǒng)”和作為全天候ACC系統(tǒng)基礎的調頻連續(xù)波(FMCM)雷達系統(tǒng)。

環(huán)車感應系統(tǒng)

幾乎每分鐘都有人在交通事故中喪失生命，受傷的人更不計其數(shù)。此外，交通事故帶來的經(jīng)濟損失也成了天文數(shù)字。因此，汽車制造商和零件供應商一直致力于避免交通事故的發(fā)生，即便不能完全防止意外，至少也要減少因交通事故所造成的傷害。汽車安全性能得到改善很大一部分都歸功于汽車電子的發(fā)展。

對車輛碰撞和駕駛員反應之間關聯(lián)性的分析顯示，大量的交通事故都可以通過駕駛員及時發(fā)現(xiàn)危險并做出適當機動操縱而得到避免。為達到這項要求，我們可以為駕駛員提供適當?shù)木嫘盘柣蜃屲囕v配備自動的縱向及橫向控制功能(駕駛員輔助系統(tǒng))。我們還需要適當?shù)膫鞲衅鱽硖綔y可能出現(xiàn)的危險，這類傳感器網(wǎng)絡必須覆蓋車身四周，同時提供適當?shù)娜藱C界面。

電子環(huán)車感應系統(tǒng)形成了許多駕駛員輔助系統(tǒng)的基礎，這些系統(tǒng)會發(fā)出警告或主動進行干預。駕駛員輔助系統(tǒng)的目標之一是避免車輛發(fā)生正面碰撞，危險警告系統(tǒng)及主動剎車控制系統(tǒng)可以大幅較少這類事故，自適應巡航控制系統(tǒng)(ACC)是達成此目標的第一步。

現(xiàn)有的ACC系統(tǒng)大都以毫米波雷達為基礎，主要分為脈沖系統(tǒng)和連續(xù)波系統(tǒng)；而連續(xù)波系統(tǒng)又可分為調頻連續(xù)波系統(tǒng)(FMCW)和擴頻系統(tǒng)。77 GHz FMCW雷達可以探測1-150m以內的物體，并算出它們與汽車之間的相對距離和速度。這類雷達只要安裝適當數(shù)量的天線，便能進一步分辨物體與車輛縱軸間的夾角。

環(huán)車感應系統(tǒng)——自適應巡航控制

環(huán)車感應系統(tǒng)(見下圖)構成了許多駕駛員輔助系統(tǒng)的基礎，它分為：

超聲波、雷達、視覺識別和導航系統(tǒng)；

被動和主動系統(tǒng)；

安全系統(tǒng)和舒適系統(tǒng)；

根據(jù)它們在系統(tǒng)內的功能而分的駕駛支援、被動安全、碰撞緩沖或車輛控制系統(tǒng)；

自適應巡航控制系統(tǒng)是車輛控制功能的一部分，它主動干預車輛的縱向控制。如果車輛與前車之間的距離小于預設的最小距離，那么，它們會迫使車輛減速；如果前后兩車之間的間隔距離足夠遠，它們就會把車輛加速到設定的速度。目前安裝于車輛的自適應巡航控制系統(tǒng)都以行車舒適為考慮，它們對于煞車的干預程度最大僅有剎車力的30%，車輛控制最終掌握權在駕駛員手中。因此，現(xiàn)有的自適應巡航控制系統(tǒng)特別適合車流密度較小的道路，例如快速道路或高速公路。

未來的自適應巡航控制系統(tǒng)將會采用更多傳感器，因此適合繁忙的都市道路。人們還能進一步發(fā)展出ACC Stop-And-Roll(SR)和ACC Stop-And-Go(SG)等功能，讓車輛在行駛之間能夠自動停止和重新前進，這樣一來車道將變得更安全，交通流將更順暢。這些駕駛輔助系統(tǒng)的最終目標是將車身的四周360度全都納入監(jiān)測范圍，同時擴大自適應巡航控制系統(tǒng)功能以提供完整的縱向控制能力。

環(huán)車感應系統(tǒng)的傳感器

如上圖所示，監(jiān)測車身四周需要有一系列不同的傳感器。紅外線(IR)和長距離雷達(LRR)這兩種傳感器都很適合于ACC系統(tǒng)。紅外線傳感器可用于LIDAR(光探測和測距)系統(tǒng)中，其探測距離最遠可達120米；77 GHz長距離雷達傳感器的監(jiān)測距離可以延長到150米。與LRR傳感器相比，IR傳感器具有一個價格上的優(yōu)勢，但也有個明顯的缺點，即在惡劣氣候下(如大雨、下雪、起霧或沙塵暴等)，監(jiān)測距離會大幅縮短。另一方面，雷達傳感器卻幾乎不受天氣的影響。雷達傳感器的另一個優(yōu)點是它們能被隱蔽地安裝于汽車前端，例如77 GHz雷達天線就很小，幾乎能安裝于車身的任何位置。因此，目前大多數(shù)的自適應巡航控制系統(tǒng)都采用77 GHz長距離雷達。

ACC系統(tǒng)的主要任務是在前車距離過近時將車輛減速，距離足夠遠時加速。完成此任務所需的控制參數(shù)——車速和反應時間(見下控制回路圖)是由司機通過人機界面(HMI)來設定的(見下圖2(方塊圖))。整個控制功能是由傳感器控制單元(SCU)來提供。SCU的主要功能是控制ACC系統(tǒng)的傳感器和目標識別，其控制參數(shù)計算和相關系統(tǒng)啟動則是由ACC系統(tǒng)的電子控制單元(EUU)負責執(zhí)行。

ACC系統(tǒng)傳感器的接收信號需要進一步處理。在目標識別時，系統(tǒng)會根據(jù)信號所含的信息來計算出潛在對象的距離和相對速度。車距控制需要從ACC雷達系統(tǒng)所探測的所有目標中精確地鎖定其中一個；鎖定目標時會用上車輛移動方面的信息，如加速度、車輪轉速、轉向角和偏航率。根據(jù)駕駛本身的車速和所要求的反應時間，ACC系統(tǒng)還可計算出所需的最小車距。

若在現(xiàn)行車速下計算出的車距過近，ACC系統(tǒng)就給適當?shù)南到y(tǒng)(如引擎管理，剎車系統(tǒng))送出減速命令，從而調整車距。若調整后的車距已經(jīng)足夠，車速就會被調至所需的速度。要做到這點，ACC系統(tǒng)須向相關驅動發(fā)出加速命令。若車輛無法保持最小車距，系統(tǒng)便會在人機界面上顯示所設定的反應時間和警告信號。下圖是自適應系統(tǒng)的各個元器件以及它們在車身的相對位置。

注：前輪驅動的汽車

ASR=加速滑移控制(牽引控制)

ESP=電子穩(wěn)定系統(tǒng)(電子穩(wěn)定控制)

調頻連續(xù)波雷達系統(tǒng)

現(xiàn)有的自適應巡航控制系統(tǒng)大多采用毫米波雷達系統(tǒng)，其中又以調頻連續(xù)波技術(FMCW)應用最為廣泛。FMCW雷達系統(tǒng)能同時探測出目標相對于車輛的距離和速度。若安裝適當數(shù)量的天線，它們還能計算出目標與車輛的縱軸夾角。

在調制周期內(tm)，調頻連續(xù)波雷達的發(fā)射頻率會以線性方式在頻率偏移范圍內(調制范圍，fh)不斷改變。下圖A是包含三段斜波的發(fā)射信號頻率曲線。在發(fā)射機和目標都未移動的靜態(tài)系統(tǒng)中(見圖B)，接收信號的頻率會落后于發(fā)射信號，其頻率差與發(fā)射機和物體之間的距離成正比。將發(fā)射信號和接收信號混頻會產(chǎn)生頻率較低的中頻信號，該中頻的最大值就叫做差拍頻率(fb)。

圖A、圖B

如果物體相對于發(fā)射機在移動，接收信號的頻率就會因為多卜勒效應而改變。物體接近時，接收信號的頻率會升高，物體遠離時則降低。若忽略發(fā)射機與物體的距離，以相對速度vrel接近就會產(chǎn)生如下圖C中的接收信號，此時中頻fd保持不變。將圖B與圖C中的頻率曲線相加在一起即可得到一個完整接收信號，它的中頻信號包含發(fā)射機與目標之間的距離和相對速度等信息(見圖D)。

圖C、圖D

下圖E和圖F為發(fā)射機與物體以相對速度vrel遠離時的頻路曲線。

圖E、圖F

中頻可由調頻連續(xù)波雷達方程式表示成距離r和相對速度vrel的函數(shù)，其中相加代表發(fā)射機與目標逐漸接近，相減則代表逐漸遠離。

當c=光速

本文的另一部分討論ACC系統(tǒng)的硬件和軟件實現(xiàn)，以及雷達功能和算法。