汽車后視毫米波雷達安裝角標定系統(tǒng)設計研究

朱子甲，汪進，劉奎，王崇陽

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車后視毫米波雷達安裝角標定系統(tǒng)設計研究

朱子甲，汪進，劉奎，王崇陽

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章論述了基于汽車后視毫米波雷達系統(tǒng)的安裝角標定方案。該側后雷達系統(tǒng)實現(xiàn)了盲區(qū)監(jiān)測，換道輔助等功能。針對上述功能的實現(xiàn)，需要對雷達進行安裝角標定，目標角度的測量是對確定目標相對于本車的車道位置、計算縱向車速進而計算碰撞時間等具有決定性的影響因素，對于報警結果產(chǎn)生直接影響，其測量的準確性尤為重要。論文從雷達測角理論分析，到實際現(xiàn)場方案驗證，進行了詳細的闡述。

毫米波雷達；探測角；標定；角度測量

Abstract:This paper discusses the control logic of the rear flank radar system based on microwave radar. This rear flank radar system has realized the function of the blind spot detection, lane change merge assist, cross traffic alert, rear collision warning and passenger door open warning. For the above function, this paper describes the functional one by one and discusses the control logic design of the system. The content mainly includes open condition, alarm condition, alarm type and functional logic for each function of the system. At last, the paper reviews the progress of the functional alarm logic priority.

Keywords: Microwave radar; Control logic; Functional description; Open condition; Alarm condition

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-88-04

概述

汽車后視雷達應用微波探測汽車后方目標車輛或障礙物的距離、方位和速度信息，利用這些信息實現(xiàn)后方的主動安全駕駛。其中，目標角度的測量是對確定目標相對于本車的車道位置、計算縱向車速進而計算碰撞時間等具有決定性的影響因素，對于報警結果產(chǎn)生直接影響，其測量的準確性尤為重要。目標角度的測量主要原理是利用目標相對于雷達模塊不同接收通道的相位關系來確定的。

在批量生產(chǎn)裝車的過程中，存在以下兩點問題：首先，批量生產(chǎn)過程中，雷達模塊本身存在接收通道相位的差異；其次，批量裝車過程中，雷達安裝到汽車本身帶來的角度測量調(diào)制的差異。以上問題都會影響最終的目標角度的準確測量。因此，需要對每一對雷達模塊裝車的角度進行出廠前的快速校正。

1 毫米波雷達測角理論分析

1.1 雷達測角原理

BSD雷達應用的測角方法是比相測角法。對于裝車的雷達模塊，真實的安裝角度與設計的安裝角度以及綜合通道相位引起的角度誤差有一定的差距。如果不進行角度校正，將會出現(xiàn)一種現(xiàn)象：當目標沿著與車身縱向平行做直線運動時，雷達模塊測量得到的目標運動軌跡顯示為一條與車身縱向存在一定夾角的直線甚至不規(guī)則曲線運動。雷達測角原理可以用下式表示：

其中，λ表示電磁波的波長，d為接收通道間的間距，Δφ表示方位角為α的目標在兩個接收通道之間產(chǎn)生的相位差。對于24GHz頻段，現(xiàn)有的天線加工工藝可以確保通道間距與波長的比值對角度測量的影響可以忽略，因而，角度測量僅僅取決于Δφ。

1.2 影響雷達探測精度因素分析

通過以上分析，結合雷達實際的裝車狀態(tài)，影響目標通道間相位差的因素主要包括：雷達模塊本身接收通道間的初始相位差；雷達模塊外殼的不規(guī)則面型對波束的反射和透射的調(diào)制相位差；汽車后保險杠的不規(guī)則面型對后發(fā)波束的相位調(diào)制?？紤]到應用過程中，最終用于報警算法的目標車輛方位是相對本車的，因而，雷達標定也需要考慮雷達陣面法線與車身縱向軸線的夾角，即雷達的機械安裝角。

1.3 實驗驗證方法

針對雷達接收通道間的相位差異，設計了一組實驗。在一個小暗室中放置一個電動轉臺，一個位置固定的目標模擬器，雷達模塊固定在電動轉臺上，可以通過調(diào)整轉臺的角度來調(diào)整目標模擬器相對雷達模塊的方位。這樣，可以測量雷達模塊不同方向的模擬目標與雷達測量的目標方位的對應關系。其典型的測量結果如下所示：

圖1

圖中顯示了同一批次生產(chǎn)的4個雷達模塊的測試結果。可以看出，由于雷達兩個接收通道的相位差異，雷達測量結果與實際目標的方位存在較大的差異；另外，同一批次生產(chǎn)的雷達在測角性能上差異較小。

利用上述測量的雷達模塊角度對應關系對雷達測量的輸出角度進行修正，并得到了模塊的測量結果，其典型值如下圖所示：

圖2

圖中的兩條曲線分別表示雷達輸出探測結果與理想結果時真實角度與測量角度的對應關系?？梢?，經(jīng)過角度修正后，雷達的角度測量結果與真實方位在誤差允許的范圍之內(nèi)保持一致，保證了角度測量的準確性。因而，相位差異引起的角度偏差可以通過以上方法修正來消除。

對于雷達模塊的機械安裝角度的偏差，由于車輛的鈑金支架上雷達安裝剖面存在差異，導致不同車輛雷達安裝角度與系統(tǒng)設計提出的設計值存在差異，這種差異會導致用于報警算法的目標方位與雷達輸出值和安裝角度設計值之間存在整體的偏差，結果可以表示為下圖：

圖3

由上圖可知，未經(jīng)機械安裝角度修正，雷達模塊輸出值與真實值存在固定偏差。要修正這個固定的偏差，理論上只需要對比一個已知方位的目標的雷達探測輸出結果和真實方位，即可以消除該固定偏差。

2 標定方案

依據(jù)上述影響角度測量的分析，提出后視雷達角度標定的思路如下：

（1）修正對雷達接收通道有相位調(diào)制因素而引起的角度測量偏差：

接收通道間相位調(diào)制引起的差異包括模塊本身的初始相位差以及天線罩和保險杠等因素的調(diào)制相位差，這些調(diào)制可能是線性或非線性調(diào)制。而對于批量生產(chǎn)的雷達模塊，模塊間的差異較小，表現(xiàn)出的性能上的差異也相對較小，因而，可以通過連續(xù)測量不同已知方位的標準目標與雷達測量方位結果的對應關系來修正上述線性或非線性相位調(diào)制。該步驟在雷達模塊出廠前完成。

（2）修正由于雷達的機械安裝角度而引起的角度偏差：

圖4

方法1完成的基礎上，除去機械安裝角度的因素，雷達模塊能夠較為準確地對目標的角度測量。雷達裝車下線時在指定工位上，需要對安裝角度進行修正，其方法是在相對車輛的固定位置放置至少一個目標，其相對車輛的方位角是已知的，而目標相對于雷達模塊的方位角由雷達的探測結果給出。通過對比雷達輸出的測量角度、目標相對車輛的方位角度以及設計的安裝角度值，可以得出用于雷達報警的修正角度。該過程在車輛下線后，出廠前完成。

對于步驟 1，雷達模塊在供給整車廠前已經(jīng)對其進行校正。目前生產(chǎn)線測試設備已經(jīng)具備實施這一角度校正過程的能力。校正設備如圖4所示。

對于步驟 2，需要在整車廠完成車輛裝配后，對雷達的安裝角度進行修正，需要建設固定的工位來實施。綜合考慮標定工位的大小、雷達標定的環(huán)境等因素，采用固定的點目標的方法對雷達安裝角度進行修正，如下圖所示：

圖5

圖中，在汽車左右兩側給放置兩個目標，并分開一定的距離，這兩個目標的連線與汽車的縱向軸線平行。利用兩側的雷達對各自一側的兩個目標測量的距離、角度輸出，可以確定汽車縱向軸線與雷達法線方向的夾角，進而得到雷達的真實安裝角。理論上，僅需要一個目標就可以得到該安裝角，增加一個目標可以增加標定的準確性。

3 方案驗證過程設計

方案驗證方法：上述校正方案的步驟1已經(jīng)得到了驗證，因此，這一部分主要是驗證步驟 2，修正的效果以雷達應用的效果為判定標準。首先利用已完成安裝角修正的雷達（通過運動目標校正的方法，其BSD應用已通過跑車試驗驗證），讀取其安裝修正角。其次，按照上述固定目標的方法，計算出此方法得到的安裝修正角。最后，對比兩者之間的差異，并開展實車路試，驗證該修正角下車輛的 BSD功能是否正確，進而驗證方案的可行性。

首先，已通過運動目標修正并得到驗證的雷達平臺，其機械校正角度如下圖所示：

圖6

上圖中，顯示的修正角度為-30°。按照標定方案中的視圖，實際測試現(xiàn)場如下圖所示：

圖中，利用了兩個角反射器作為標定目標，這兩個目標被放置在事先標定好的、與車輛中軸線平行的直線上。另外，為了抑制其他的干擾目標，整個實驗被放置在暗示中進行。

圖7

將雷達模塊通電，在調(diào)試界面上讀取兩個目標角度、距離信息。輸出結果如下圖所示：

圖8

有圖可知，兩個目標相對于雷達坐標系的角度分別為-33.95°和5.6°?？紤]到雷達的距離分辨率，對于兩個距離較近的目標，距離測量結果不夠準確。對于實際的校正過程，兩個目標相對于車輛的位置是固定的，可以直接得到目標相對于雷達的位置。實驗過程中，利用激光測距儀測量了目標相對于雷達的距離分別為1.39m和3.167m，如下圖所示：

圖9

根據(jù)上述測量結果，計算得到機械修正角度為：

帶入測量結果，得到標定的修正角為-28.5°。

本方案的修正角結果與運動目標校正的結果基本保持一致，相差1.5°，實車跑車試驗表明，該機械修正角達到車輛BSD應用的功能要求。可能原因：兩個目標的連線與車身縱向中軸線不是嚴格平行，-30°的修正角也是一個不影響B(tài)SD應用的近似值。所以，通過上述對比試驗驗證，可以得出，該方案是可行的，可以用于車輛下線后對機械安裝角的標定。

4 標定工位建設方案及場地要求

按照上述校正方案，考慮到實際下線標定可提供的工位空間，提出了工位中所需設備以及相關設備相對位置的設計、總體分布情況如上圖所示。

圖10

本方案包含的設備包括小型微波暗室、兩個小號的角反射器，兩個大號的角反射器以及對應的固定支架。

圖11

為了消除雷達多次散射雜波和外界目標的對標定的影響，整個標定過程在暗室中進行。暗室之所以“暗”是因為暗室內(nèi)壁涂有吸波材料，可以將電磁波吸收來消除雜散波。小型微波暗室的尺寸如圖中所示，圖中的吸波材料要求覆蓋24GHz頻段，并且對該波段的入射電磁波的反射小于35dB。(可參考我所微波暗室的吸波材料，型號為 SA-700PI，制造商為大連東信微波吸收材料有限公司)。

圖12

校正過程是針對左右兩側雷達，每一側各需要一大一小角反射器。角反射器的尺寸如圖所示，通過支架固定在地面上。支架表面也需要用吸波材料包裹，角反射器在支架上的高度可調(diào)且能鎖緊，調(diào)節(jié)范圍為0.5m-1m；角反射器在支架上可旋轉方位且能鎖緊；支架與地面的相對位置縱向可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍±0.1m。待校正的車輛停入小型暗室后，車輛的縱向中軸線與兩個角反射器中心連線的夾角小于0.1°。目標與車輛的相對位置關系參見圖中標示。

5 毫米波雷達標定流程設計

車輛從上一個工位轉到雷達標定工位，當車輛在指定的位置停下后，就將開始雷達安裝角度校正過程。校正流程可以用下圖表示：

圖13

首先，將診斷儀接入車身的 OBD接口上，在診斷儀上設定預先設置的選項，這些選項包括選定預處理流程，切換會話模式，提升安全等級。

然后，啟動標定例程，按照預先設置好的標定例程進行標定并不斷地查詢標定結果，當標定成功后，讀取標定優(yōu)化因子并評判標定的效果；當標定不成功時，將會分析標定失敗的原因。整個過程中由模塊自動完成，標定結果在診斷以上輸出顯示。

最后，根據(jù)診斷儀上輸出的結果確定是否重新標定，結束并完成標定。

6 結論

本文從側后毫米波雷達系統(tǒng)探測角度原理進行分析，找出影響雷達探測角度精度的因素，并就影響因素，進行理論和實踐分析驗證，排除次要因素，鎖定主要因素，進行詳細的分析驗證，并結合雷達功能實現(xiàn)及場地施工因素，綜合考慮后，得到側后毫米波雷達安裝角標定方案，并進行了實地測試驗證，該套方案滿足側后雷達安裝角標定要求。

[1] ISO 17387-2008 Intelligent transport systems-Lane change decision aid systems (LCDAS).

[2] 張洪波,劉艷.豐田倒車側方盲點監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展[J].汽車與配件,2014.36.

[3] 雷達信號處理基礎.[美]Mark A.Richards著.邢孟道,王彤,李真芳等譯.電子工業(yè)出版社 2008.6.

A control logic design research of one rear flank radar system

Zhu Zijia, Wang Jin, Liu Kui, Wang Chongyang
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-88-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.031

朱子甲，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。