驾驶员辅助系统-自适应巡航控制系统(上)

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本文谈论的是自适应巡航控制系统(ACC)，它的第一部分讨论了 “环车感应系统”和作为全天候ACC系统基础的调频连续波(FMCM)雷达系统。

环车感应系统

        几乎每分钟都有人在交通事故中丧失生命，受伤的人更不计其数。此外，交通事故带来的经济损失也成了天文数字。因此，汽车制造商和零件供应商一直致力于避免交通事故的发生，即便不能完全防止意外，至少也要减少因交通事故所造成的伤害。汽车安全性能得到改善很大一部分都归功于汽车电子的发展。

        对车辆碰撞和驾驶员反应之间关联性的分析显示，大量的交通事故都可以通过驾驶员及时发现危险并做出适当机动操纵而得到避免。为达到这项要求，我们可以为驾驶员提供适当的警告信号或让车辆配备自动的纵向及横向控制功能(驾驶员辅助系统)。我们还需要适当的传感器来探测可能出现的危险，这类传感器网络必须覆盖车身四周，同时提供适当的人机界面。

        电子环车感应系统形成了许多驾驶员辅助系统的基础，这些系统会发出警告或主动进行干预。驾驶员辅助系统的目标之一是避免车辆发生正面碰撞，危险警告系统及主动刹车控制系统可以大幅较少这类事故，自适应巡航控制系统(ACC)是达成此目标的第一步。

        现有的ACC系统大都以毫米波雷达为基础，主要分为脉冲系统和连续波系统；而连续波系统又可分为调频连续波系统(FMCW)和扩频系统。77 GHz FMCW雷达可以探测1-150m以内的物体，并算出它们与汽车之间的相对距离和速度。这类雷达只要安装适当数量的天线，便能进一步分辨物体与车辆纵轴间的夹角。

环车感应系统——自适应巡航控制

        环车感应系统(见下图)构成了许多驾驶员辅助系统的基础，它分为：

     

• 超声波、雷达、视觉识别和导航系统；     
  
• 被动和主动系统；     
  
• 安全系统和舒适系统；     
  
• 根据它们在系统内的功能而分的驾驶支援、被动安全、碰撞缓冲或车辆控制系统；
  

           自适应巡航控制系统是车辆控制功能的一部分，它主动干预车辆的纵向控制。如果车辆与前车之间的距离小于预设的最小距离，那么，它们会迫使车辆减速；如果前后两车之间的间隔距离足够远，它们就会把车辆加速到设定的速度。目前安装于车辆的自适应巡航控制系统都以行车舒适为考虑，它们对于煞车的干预程度最大仅有刹车力的30%，车辆控制最终掌握权在驾驶员手中。因此，现有的自适应巡航控制系统特别适合车流密度较小的道路，例如快速道路或高速公路。

        未来的自适应巡航控制系统将会采用更多传感器，因此适合繁忙的都市道路。人们还能进一步发展出ACC Stop-And-Roll(S&R)和ACC Stop-And-Go(S&G)等功能，让车辆在行驶之间能够自动停止和重新前进，这样一来车道将变得更安全，交通流将更顺畅。这些驾驶辅助系统的最终目标是将车身的四周360度全都纳入监测范围，同时扩大自适应巡航控制系统功能以提供完整的纵向控制能力。
环车感应系统的传感器

        如上图所示，监测车身四周需要有一系列不同的传感器。红外线(IR)和长距离雷达(LRR)这两种传感器都很适合于ACC系统。红外线传感器可用于LIDAR(光探测和测距)系统中，其探测距离最远可达120米；77 GHz长距离雷达传感器的监测距离可以延长到150米。与LRR传感器相比，IR传感器具有一个价格上的优势，但也有个明显的缺点，即在恶劣气候下(如大雨、下雪、起雾或沙尘暴等)，监测距离会大幅缩短。另一方面，雷达传感器却几乎不受天气的影响。雷达传感器的另一个优点是它们能被隐蔽地安装于汽车前端，例如77 GHz雷达天线就很小，几乎能安装于车身的任何位置。因此，目前大多数的自适应巡航控制系统都采用77 GHz长距离雷达。

        ACC系统的主要任务是在前车距离过近时将车辆减速，距离足够远时加速。完成此任务所需的控制参数——车速和反应时间(见下控制回路图)是由司机通过人机界面(HMI)来设定的(见下图2(方块图))。整个控制功能是由传感器控制单元(SCU)来提供。SCU的主要功能是控制ACC系统的传感器和目标识别，其控制参数计算和相关系统启动则是由ACC系统的电子控制单元(EUU)负责执行。
         ACC系统传感器的接收信号需要进一步处理。在目标识别时，系统会根据信号所含的信息来计算出潜在对象的距离和相对速度。车距控制需要从ACC雷达系统所探测的所有目标中精确地锁定其中一个；锁定目标时会用上车辆移动方面的信息，如加速度、车轮转速、转向角和偏航率。根据驾驶本身的车速和所要求的反应时间，ACC系统还可计算出所需的最小车距。

        若在现行车速下计算出的车距过近，ACC系统就给适当的系统(如引擎管理，刹车系统)送出减速命令，从而调整车距。若调整后的车距已经足够，车速就会被调至所需的速度。要做到这点，ACC系统须向相关驱动发出加速命令。若车辆无法保持最小车距，系统便会在人机界面上显示所设定的反应时间和警告信号。下图是自适应系统的各个元器件以及它们在车身的相对位置。
         注：前轮驱动的汽车

        ASR=加速滑移控制(牵引控制)

        ESP=电子稳定系统(电子稳定控制)

调频连续波雷达系统

        现有的自适应巡航控制系统大多采用毫米波雷达系统，其中又以调频连续波技术(FMCW)应用最为广泛。FMCW雷达系统能同时探测出目标相对于车辆的距离和速度。若安装适当数量的天线，它们还能计算出目标与车辆的纵轴夹角。

        在调制周期内(tm)，调频连续波雷达的发射频率会以线性方式在频率偏移范围内(调制范围，fh)不断改变。下图A是包含三段斜波的发射信号频率曲线。在发射机和目标都未移动的静态系统中(见图B)，接收信号的频率会落后于发射信号，其频率差与发射机和物体之间的距离成正比。将发射信号和接收信号混频会产生频率较低的中频信号，该中频的最大值就叫做差拍频率(fb)。

图A、图B

         如果物体相对于发射机在移动，接收信号的频率就会因为多卜勒效应而改变。物体接近时，接收信号的频率会升高，物体远离时则降低。若忽略发射机与物体的距离，以相对速度vrel接近就会产生如下图C中的接收信号，此时中频fd保持不变。将图B与图C中的频率曲线相加在一起即可得到一个完整接收信号，它的中频信号包含发射机与目标之间的距离和相对速度等信息(见图D)。

图C、图D

         下图E和图F为发射机与物体以相对速度vrel远离时的频路曲线。

图E、图F

         中频可由调频连续波雷达方程式表示成距离r和相对速度vrel的函数，其中相加代表发射机与目标逐渐接近，相减则代表逐渐远离。

当c=光速

         本文的另一部分讨论ACC系统的硬件和软件实现，以及雷达功能和算法。