技術(shù)教程：駕駛員輔助系統(tǒng)-自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(下)

本文談?wù)摰氖茿CC系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，以及雷達(dá)功能和算法。它的第一部分討論了 “環(huán)車感應(yīng)系統(tǒng)”和作為全天候ACC系統(tǒng)基礎(chǔ)的調(diào)頻連續(xù)波(FMCM)雷達(dá)系統(tǒng)。

ACC系統(tǒng)如何運(yùn)作——硬件系統(tǒng)

耿氏壓控振蕩器(Gunn VCO)常被用來(lái)產(chǎn)生非常高頻率的發(fā)射信號(hào)。如果將發(fā)射天線與接收天線結(jié)合在一起，發(fā)射信號(hào)就會(huì)通過環(huán)行器(見圖1)與接收信號(hào)一起被多路復(fù)用。接收信號(hào)會(huì)與當(dāng)前發(fā)射信號(hào)結(jié)合在一起產(chǎn)生中頻信號(hào)。由于中頻信號(hào)頻率比發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)頻率低得多，因此它的取樣值非常適合傳給數(shù)字處理器作進(jìn)一步的處理。

ACC雷達(dá)傳感器雖然是在高頻范圍(射頻，RF)內(nèi)操作，其計(jì)算距離和相對(duì)速度的信號(hào)處理卻是在低頻(LF)中進(jìn)行。圖2為ACC系統(tǒng)的功能方塊圖。RF部分(左)由耿氏控制電路、耿氏振蕩器、混頻器和前置放大器組成；LF部分則包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理和系統(tǒng)控制組件，以及電源供應(yīng)和汽車網(wǎng)絡(luò)接口。

微控制器(德州儀器的TMS470R1VF76B)內(nèi)含兩個(gè)中央處理器，分別為ARM7 RISC(微型處理器，MCU)和16位C54 x定點(diǎn)數(shù)字處理器(DSP)，因此最適合需要同時(shí)執(zhí)行控制任務(wù)和高效能數(shù)字信號(hào)運(yùn)算的應(yīng)用。用直接內(nèi)存存取(DMA)可以加快兩個(gè)處理器、各種外圍接口和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸速度。TMS470R1VF76B完全符合汽車應(yīng)用需求，是適應(yīng)ACC系統(tǒng)最理想的微控制器。圖3是微控制器在ACC系統(tǒng)應(yīng)用中的典型功能方塊圖。

ACC系統(tǒng)軟件

除普通的診斷任務(wù)之外，ACC系統(tǒng)還會(huì)執(zhí)行許多系統(tǒng)工作，其順序如功能方塊圖所示。

1. 讀取通過人機(jī)接口進(jìn)入的控制參數(shù)默認(rèn)值(速度、時(shí)間間隔)以及傳感器根據(jù)目前車況所探測(cè)到的參數(shù)(轉(zhuǎn)向角、輪速和偏航率等)；

2. a)設(shè)定發(fā)射頻率的斜波參數(shù)(開始頻率，停止頻率和斜波時(shí)間)；

b)設(shè)定模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(轉(zhuǎn)換速率，樣本數(shù)目)；

3. 設(shè)定發(fā)射頻率，啟動(dòng)耿氏振蕩器；

4. 產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)；

5. a)將發(fā)射信號(hào)透過所有天線同時(shí)發(fā)射出去，并將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)混頻產(chǎn)生中頻信號(hào)；

b)用于耿氏控制的控制回路；

6.中頻信號(hào)的濾波與放大；

7.中頻信號(hào)取樣；

8.透過DMA將取樣值傳給DSP；

9.執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理(調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)任務(wù)的第一部分)

10.交換DSP計(jì)算數(shù)據(jù)；

11.執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理(FMCW雷達(dá)任務(wù)的第二部分)

12.通過汽車網(wǎng)絡(luò)(如CAN總線)與電子控制單元(ECU)的通信來(lái)調(diào)整速度或距離。

圖1

圖2

圖3

功能方塊圖

FMCW雷達(dá)能探測(cè)出可能對(duì)車速和車距造成影響的目標(biāo)。如下圖所示，這些雷達(dá)任務(wù)可分為兩大類，第一類的頻譜分析、峰值探測(cè)和角度測(cè)量的運(yùn)算量都非常大，較適合由DSP執(zhí)行；另一類的頻率調(diào)制、位置預(yù)測(cè)、頻率匹配、位置追蹤和群濾波都是較為簡(jiǎn)單的運(yùn)算或控制功能，因此通常是由微控制處理器負(fù)責(zé)。此處為優(yōu)化數(shù)據(jù)流，所以處理器工作的分配略有不同。

如圖所示，Robert Bosch的ACC系統(tǒng)目前是利用調(diào)頻方式來(lái)產(chǎn)生三種線性頻率斜波，其斜波時(shí)間各不相同。

發(fā)射信號(hào)會(huì)透過四組天線(A, B, C, 和D)同時(shí)發(fā)射出去。下圖是對(duì)應(yīng)的天線圖。

每個(gè)天線的接收信號(hào)都會(huì)與目前的發(fā)射信號(hào)混頻，以產(chǎn)生中頻信號(hào)。在這個(gè)例子里，系統(tǒng)總共會(huì)產(chǎn)生12個(gè)中頻信號(hào)(A1、A2、A3、B1…D3)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析以決定目標(biāo)的位置。下圖是中頻信號(hào)頻譜的范例。為了消除頻譜中的噪聲，系統(tǒng)在執(zhí)行信號(hào)處理之前會(huì)先替中頻信號(hào)設(shè)定一個(gè)自適應(yīng)臨界值(Adaptive Threshold)，凡是信號(hào)強(qiáng)度低于臨界值的頻率都會(huì)被視為噪聲，要加以濾除。在上圖的范例中，所有可能目標(biāo)的旁邊都有紅色的x做標(biāo)識(shí)。由于與零頻接近的峰值是由天線鏡面的反射所產(chǎn)生，因此會(huì)被排除。其它頻率值被用做進(jìn)一步的處理。

系統(tǒng)將12個(gè)中頻信號(hào)的噪聲消除后，就會(huì)用快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)從這些中頻信號(hào)的取樣值計(jì)算出12組頻譜；頻譜的每個(gè)頻率都代表系統(tǒng)所探測(cè)的一個(gè)目標(biāo)，它也對(duì)應(yīng)于中頻信號(hào)頻譜經(jīng)過噪聲濾波后剩下的峰值信號(hào)。我們可以根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方程式，

在速度/距離圖中為頻譜的每個(gè)頻率指定一條直線。下圖又一次表示出了它們的關(guān)聯(lián)性。

要確認(rèn)系統(tǒng)是否探測(cè)到任何目標(biāo)，我們必須以天線頻譜做為參考比較。如果3個(gè)頻率斜波所得到的直線都相交于速度/距離圖(見下圖)上的同一點(diǎn)，我們就可以認(rèn)定目標(biāo)已被系統(tǒng)所探測(cè)，然而這種方法有時(shí)會(huì)得到俗稱“鬼影信號(hào)”的虛假目標(biāo)。

我們可以根據(jù)先前計(jì)算結(jié)果和移動(dòng)連續(xù)性來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)的可能位置，然后利用這項(xiàng)信息檢查頻率匹配的真實(shí)性，再將虛假目標(biāo)排除。最后，我們要將已探測(cè)目標(biāo)的參數(shù)儲(chǔ)存起來(lái)，提供給下次計(jì)算使用。

發(fā)射信號(hào)通常會(huì)被目標(biāo)上的多個(gè)點(diǎn)反射回來(lái)(例如后車窗、行李箱和車輪等)。這一現(xiàn)象尤其會(huì)體現(xiàn)在卡車之類結(jié)構(gòu)非常明顯的目標(biāo)上，它們會(huì)在速度/距離圖上產(chǎn)生多個(gè)很靠近的交叉點(diǎn)(如圖所示)。

若使用多組接收天線，除了距離和相對(duì)速度之外，我們還能計(jì)算出目標(biāo)與車輛縱軸之間的夾角，從而確認(rèn)目標(biāo)與汽車間的相對(duì)位置。下圖為采用4組重疊電波接收天線的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)。

采用多組接收天線會(huì)使每個(gè)目標(biāo)在速度/距離圖上出現(xiàn)多個(gè)交叉點(diǎn)，這與目標(biāo)有多個(gè)反射點(diǎn)是類似的。下面是使用兩組接收天線所得到的詳細(xì)速度/距離圖。為了在預(yù)測(cè)位置時(shí)，將所需的運(yùn)算和記憶空間減至最少，我們必須把這些探測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)到同一個(gè)目標(biāo)。

ACC系統(tǒng)——Bosch LRR2

許多高級(jí)汽車早已提供自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，或至少將其作為選購(gòu)配備。隨著技術(shù)的進(jìn)步，性價(jià)比越來(lái)越具有吸引力，運(yùn)算性能大幅提升，實(shí)際器件的體積越來(lái)越少。

德州儀器的TMS470R1VF76B微控制器內(nèi)含兩個(gè)中央處理器，使單芯片組件具有高效的運(yùn)算功能。因此，信號(hào)處理的零件數(shù)目得到大幅減少，整個(gè)系統(tǒng)的體積也更為精巧。這樣一來(lái)，我們只需兩張小型電路板就能組成完整系統(tǒng)：其中之一是射頻單元(雷達(dá)傳感器、耿氏壓控振蕩器和前置放大器)；另一是低頻單元(電源、DSP和汽車網(wǎng)絡(luò)接口)。Robert Bosch公司的LRR2自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將體積縮小為73×70×60mm(內(nèi)部2.9×2.8×2.4英寸)，使其能安裝于車輛前端任何位置。

未來(lái)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將提供更理想的性價(jià)比，同時(shí)增加更多新功能(如StopGo和盲點(diǎn)探測(cè)等)，并采用其它類型的傳感器，使中價(jià)位的汽車或小型車都能享受這項(xiàng)先進(jìn)科技帶來(lái)的諸多好處。