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技术教程:驾驶员辅助系统-自适应巡航控制系统(下)

作者:时间:2018-09-10来源:网络收藏

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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/388767.htm

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,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StopGo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。




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