技术教程：驾驶员辅助系统-自适应巡航控制系统(下)

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本文谈论的是ACC系统的硬件和软件实现，以及雷达功能和算法。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。

ACC系统如何运作——硬件系统

        耿氏压控振荡器(Gunn VCO)常被用来产生非常高频率的发射信号。如果将发射天线与接收天线结合在一起，发射信号就会通过环行器(见图1)与接收信号一起被多路复用。接收信号会与当前发射信号结合在一起产生中频信号。由于中频信号频率比发射信号和接收信号频率低得多，因此它的取样值非常适合传给数字处理器作进一步的处理。

        ACC雷达传感器虽然是在高频范围(射频，RF)内操作，其计算距离和相对速度的信号处理却是在低频(LF)中进行。图2为ACC系统的功能方块图。RF部分(左)由耿氏控制电路、耿氏振荡器、混频器和前置放大器组成；LF部分则包含模拟数字转换器、信号处理和系统控制组件，以及电源供应和汽车网络接口。

        微控制器(德州仪器的TMS470R1VF76B)内含两个中央处理器，分别为ARM7 RISC(微型处理器，MCU)和16位C54 x定点数字处理器(DSP)，因此最适合需要同时执行控制任务和高效能数字信号运算的应用。用直接内存存取(DMA)可以加快两个处理器、各种外围接口和内存之间的数据传输速度。TMS470R1VF76B完全符合汽车应用需求，是适应ACC系统最理想的微控制器。图3是微控制器在ACC系统应用中的典型功能方块图。

ACC系统软件

        除普通的诊断任务之外，ACC系统还会执行许多系统工作，其顺序如功能方块图所示。

        1. 读取通过人机接口进入的控制参数默认值(速度、时间间隔)以及传感器根据目前车况所探测到的参数(转向角、轮速和偏航率等)；

        2. a)设定发射频率的斜波参数(开始频率，停止频率和斜波时间)；

             b)设定模拟数字转换器(转换速率，样本数目)；

        3. 设定发射频率，启动耿氏振荡器；

        4. 产生发射信号；

        5. a)将发射信号透过所有天线同时发射出去，并将发射信号与接收信号混频产生中频信号；

             b)用于耿氏控制的控制回路；

        6.中频信号的滤波与放大；

        7.中频信号取样；

        8.透过DMA将取样值传给DSP；

        9.执行数字信号处理(调频连续波(FMCW)雷达任务的第一部分)

        10.交换DSP计算数据；

        11.执行数字信号处理(FMCW雷达任务的第二部分)

        12.通过汽车网络(如CAN总线)与电子控制单元(ECU)的通信来调整速度或距离。

图1

图2

图3

功能方块图

         FMCW雷达能探测出可能对车速和车距造成影响的目标。如下图所示，这些雷达任务可分为两大类，第一类的频谱分析、峰值探测和角度测量的运算量都非常大，较适合由DSP执行；另一类的频率调制、位置预测、频率匹配、位置追踪和群滤波都是较为简单的运算或控制功能，因此通常是由微控制处理器负责。此处为优化数据流，所以处理器工作的分配略有不同。
         如图所示，Robert Bosch的ACC系统目前是利用调频方式来产生三种线性频率斜波，其斜波时间各不相同。
         发射信号会透过四组天线(A, B, C, 和D)同时发射出去。下图是对应的天线图。
         每个天线的接收信号都会与目前的发射信号混频，以产生中频信号。在这个例子里，系统总共会产生12个中频信号(A1、A2、A3、B1…D3)，并对这些信号进行分析以决定目标的位置。下图是中频信号频谱的范例。为了消除频谱中的噪声，系统在执行信号处理之前会先替中频信号设定一个自适应临界值(Adaptive Threshold)，凡是信号强度低于临界值的频率都会被视为噪声，要加以滤除。在上图的范例中，所有可能目标的旁边都有红色的x做标识。由于与零频接近的峰值是由天线镜面的反射所产生，因此会被排除。其它频率值被用做进一步的处理。
         系统将12个中频信号的噪声消除后，就会用快速傅立叶转换(FFT)从这些中频信号的取样值计算出12组频谱；频谱的每个频率都代表系统所探测的一个目标，它也对应于中频信号频谱经过噪声滤波后剩下的峰值信号。我们可以根据调频连续波雷达方程式，
         在速度/距离图中为频谱的每个频率指定一条直线。下图又一次表示出了它们的关联性。
         要确认系统是否探测到任何目标，我们必须以天线频谱做为参考比较。如果3个频率斜波所得到的直线都相交于速度/距离图(见下图)上的同一点，我们就可以认定目标已被系统所探测，然而这种方法有时会得到俗称“鬼影信号”的虚假目标。
         我们可以根据先前计算结果和移动连续性来预测目标的可能位置，然后利用这项信息检查频率匹配的真实性，再将虚假目标排除。最后，我们要将已探测目标的参数储存起来，提供给下次计算使用。

        发射信号通常会被目标上的多个点反射回来(例如后车窗、行李箱和车轮等)。这一现象尤其会体现在卡车之类结构非常明显的目标上，它们会在速度/距离图上产生多个很靠近的交叉点(如图所示)。
         若使用多组接收天线，除了距离和相对速度之外，我们还能计算出目标与车辆纵轴之间的夹角，从而确认目标与汽车间的相对位置。下图为采用4组重叠电波接收天线的自适应巡航控制系统的探测区。
         采用多组接收天线会使每个目标在速度/距离图上出现多个交叉点，这与目标有多个反射点是类似的。下面是使用两组接收天线所得到的详细速度/距离图。为了在预测位置时，将所需的运算和记忆空间减至最少，我们必须把这些探测点对应到同一个目标。
ACC系统——Bosch LRR2

        许多高级汽车早已提供自适应巡航控制系统，或至少将其作为选购配备。随着技术的进步，性价比越来越具有吸引力，运算性能大幅提升，实际器件的体积越来越少。

        德州仪器的TMS470R1VF76B微控制器内含两个中央处理器，使单芯片组件具有高效的运算功能。因此，信号处理的零件数目得到大幅减少，整个系统的体积也更为精巧。这样一来，我们只需两张小型电路板就能组成完整系统：其中之一是射频单元(雷达传感器、耿氏压控振荡器和前置放大器)；另一是低频单元(电源、DSP和汽车网络接口)。Robert Bosch公司的LRR2自适应巡航控制系统将体积缩小为73×70×60mm(内部2.9×2.8×2.4英寸)，使其能安装于车辆前端任何位置。
         未来的自适应巡航控制系统将提供更理想的性价比，同时增加更多新功能(如Stop&Go和盲点探测等)，并采用其它类型的传感器，使中价位的汽车或小型车都能享受这项先进科技带来的诸多好处。