基于汽車主動巡航雷達(dá)及車道保持系統(tǒng)的校正裝置設(shè)計

楊省云

(大連納思達(dá)汽車設(shè)備有限公司技術(shù)部，遼寧大連 116600)

當(dāng)前，隨著高新技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，汽車已經(jīng)變得越來越智能，汽車的這種智能系統(tǒng)主要有主動巡航、車道保持兩大功能。

主動巡航控制系統(tǒng) (Adaptive Cruise Control，ACC)是一種智能化的自動控制系統(tǒng)，它通過安裝在車輛前部的自適應(yīng)雷達(dá)持續(xù)掃描車輛前方道路，同時輪速傳感器采集車速信號。當(dāng)與前車之間的距離過小時，ACC的控制單元可以通過與制動防抱死系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作，使車輪適當(dāng)制動，并使發(fā)動機(jī)的輸出功率下降，以使車輛與前方車輛始終保持安全距離。

車道保持系統(tǒng)是通過安裝在汽車前風(fēng)擋玻璃里面的一個高清攝像頭來實時捕捉前方路面上的兩條車道線，當(dāng)車道線轉(zhuǎn)彎時，攝像頭將采集到的信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)操控方向盤自動旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而確保車輛始終行駛在車道線里面。

由上述可知，在整個ACC自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的部件即為安裝在車輛前部的自適應(yīng)雷達(dá)。雷達(dá)探測的準(zhǔn)確性直接決定著整個系統(tǒng)運行的可靠性乃至車輛的安全，而雷達(dá)探測的準(zhǔn)確性又和雷達(dá)的安裝精度密不可分。雖然車輛出廠時都會對雷達(dá)進(jìn)行精確的調(diào)校，但車輛經(jīng)過一段時間的使用后，由于路面的顛簸，往往會導(dǎo)致雷達(dá)安裝精度的下降，從而使ACC自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低。因此，定期對ACC自適應(yīng)雷達(dá)進(jìn)行校正就顯得尤為重要。同時，事故車在維修后，也必須對ACC自適應(yīng)雷達(dá)進(jìn)行重新校正調(diào)整。而對于車道保持系統(tǒng)來說，最為關(guān)鍵的部件則為安裝在車輛前部的高清攝像頭，高清攝像頭采集信息的準(zhǔn)確性直接決定著整個系統(tǒng)運行的精確性。高清攝像頭的安裝精度同樣需要定期校正。本文所論述的汽車主動巡航雷達(dá)及車道保持系統(tǒng)校正，即為ACC雷達(dá)和高清攝像頭的專用檢測調(diào)整設(shè)備。

1 校正裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 校正裝置的結(jié)構(gòu)組成

該裝置由立柱、底座、直線導(dǎo)軌、校正板、坐標(biāo)板、激光發(fā)射器、水平計、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、調(diào)整旋鈕等零部件組成，如圖1所示。

1.2 主動巡航雷達(dá)及車道保持系統(tǒng)校正裝置的工作原理

1．2．1 校正主動巡航雷達(dá)的步驟

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 校正裝置工作圖

校正主動巡航雷達(dá)時，需要先用四輪定位儀對該裝置與車身的距離、平行度、水平度進(jìn)行精確調(diào)整，具體過程為：先將被檢測車輛停置于舉升機(jī)上，然后將ACC校正裝置放置于車前，調(diào)整校正裝置的前后位置，使雷達(dá)坐標(biāo)板距離轎車?yán)走_(dá)(1 145±5)mm。之后將四輪定位儀的4個傳感器分別安裝于車輛的兩個前輪和校正裝置橫梁的兩端，并調(diào)整至水平，如圖2所示。在四輪定位儀的電腦顯示器和校正裝置的水平計上，可以直觀顯示校正裝置的橫梁是否與汽車平行以及裝置自身是否水平，通過調(diào)整校正裝置的各個粗調(diào)和微調(diào)旋鈕，實現(xiàn)校正裝置與車頭的平行和自身的水平。然后使激光發(fā)射器對準(zhǔn)雷達(dá)反光鏡。射出的激光經(jīng)反光鏡反射后，會在雷達(dá)面板上印刷的坐標(biāo)系里形成一個光斑，如圖3所示。同時，轎車的自適應(yīng)雷達(dá)也會探測到坐標(biāo)板的位置，并在車載電腦里形成一個坐標(biāo)值。如果此坐標(biāo)值與光斑所在位置的坐標(biāo)值一致，則汽車自適應(yīng)雷達(dá)無需校正;若如不一致，則需調(diào)整汽車的自適應(yīng)雷達(dá)角度，直到兩個值一致。

圖3 光斑示意圖

1．2．2 校正高清攝像頭的步驟

校正高清攝像頭時，需要移動校正裝置，使其校正板與攝像頭的距離為(1 500±5)mm，然后再用四輪定位儀對該裝置與車身的距離、平行度、水平度進(jìn)行重新調(diào)整，之后分別測量車輛4個輪眉距舉升機(jī)平面的高度，將校正板與攝像頭之間的實際距離值以及4個輪眉的高度值這5個數(shù)據(jù)依次輸入四輪定位儀的軟件中，軟件運行后會得出一個高度值，根據(jù)高度值再調(diào)節(jié)校正板高度使指針移動到校正裝置立柱后面刻度尺的相應(yīng)刻度上，如圖4所示。此時，車載電腦會控制攝像頭通過捕捉校正板上的兩條模擬車道線和定位識別點來自動調(diào)整自己的角度，直至使攝像頭光圈中心和校正板中心重合，完成校正。

圖4 指針示意圖

2 校正裝置主要部件的設(shè)計過程

2.1 校正裝置主體的設(shè)計

圖5 主體結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 立柱調(diào)整示意圖

從校正裝置的工作原理和使用過程可以看出，為確保校正精度，必須對校正裝置和汽車的相對位置進(jìn)行精確調(diào)整，這些調(diào)整包括裝置自身的水平度和垂直度，以及裝置與汽車的平行度，同時還包括激光發(fā)射器組件在水平和垂直兩個方向上的平移。為了方便快捷地實現(xiàn)這些調(diào)整功能，本裝置設(shè)計了如圖5所示的主體結(jié)構(gòu)。底座上安裝有3個水平度微調(diào)支腳，根據(jù)三點確定一個平面的原理，這3個支腳可以將底座調(diào)整至水平狀態(tài)。立柱和底座的連接同樣是依靠3個點接觸：立柱下面的3個接觸點處分別為2個墊塊和1個彈簧，如圖6所示。彈簧向上的彈力支撐使得立柱在自然狀態(tài)下會向左傾斜，通過擰緊垂直度調(diào)整把手，使彈簧壓縮，就可以使立柱的傾斜角逐漸減小，直至完全消失。水平度和垂直度的調(diào)整依靠激光發(fā)射器組件上的水平計來直觀顯示。當(dāng)這兩個基準(zhǔn)參數(shù)確定好后，就可以調(diào)整校正裝置和汽車的平行度了。這個平行度主要是指裝置直線橫梁和汽車兩個前輪軸線的平行程度。直線橫梁安裝在橫梁套中，可以繞轉(zhuǎn)軸擺動。在轉(zhuǎn)軸左側(cè)，橫梁和橫梁套之間安裝有一個彈簧，彈簧的彈力使得橫梁左側(cè)向前凸出，轉(zhuǎn)軸右側(cè)的橫梁套后面安裝有一個調(diào)整把手，通過它向里擰緊來頂動橫梁，使彈簧壓縮，以此來調(diào)整橫梁的平行度，如圖7所示。調(diào)整好水平度、垂直度、平行度這3個基準(zhǔn)參數(shù)后，還需要調(diào)整激光發(fā)射器的位置，使其射出的激光正好對準(zhǔn)ACC雷達(dá)的反光鏡。在本裝置中，激光發(fā)射器組件是安裝在橫梁上的，而橫梁又固定在直線導(dǎo)軌的下滑塊上，因此設(shè)計了蝸輪蝸桿帶動齒輪齒條的機(jī)構(gòu)，齒輪和蝸輪同軸，齒條和直線導(dǎo)軌上下兩個滑塊連接。通過搖動蝸桿，就可以使兩個滑塊上下移動，從而帶動橫梁沿著直線導(dǎo)軌實現(xiàn)上下移動。激光發(fā)射器組件水平方向的平移則是通過安裝在橫梁前端的緊湊型直線導(dǎo)軌來實現(xiàn)的。

圖7 橫梁調(diào)整示意圖

本校正裝置的主要部件為激光發(fā)射器組件，它的安裝精度直接決定著雷達(dá)的校正精度。為了確保校正的準(zhǔn)確性，本裝置設(shè)計了如圖8所示的結(jié)構(gòu)。激光發(fā)射器固定在調(diào)整套里，調(diào)整套和連接套之間通過3個彈簧和3個螺栓進(jìn)行連接。

圖8 激光發(fā)射器組件示意圖

連接套與連接板固定在一起，而連接板、水平計、導(dǎo)軌滑塊又通過固定套連接在一起。上述零件均為精密磨床加工，從而確保坐標(biāo)板和導(dǎo)軌滑塊的平行度不大于0．01。為了使射出的激光束能夠垂直于坐標(biāo)板，組裝后還需要對激光發(fā)射器的安裝角度進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法為：將激光發(fā)射器組件裝夾在檢具上，通過調(diào)整孔調(diào)整發(fā)射器組件的3個調(diào)整螺栓，直至其射出的光束恰好能射進(jìn)檢測孔里，此時說明激光束已經(jīng)與坐標(biāo)板垂直，如圖9所示。

圖9 激光發(fā)射器角度調(diào)整示意圖

2.2 光斑坐標(biāo)值和雷達(dá)探測值最大允許偏差的確定

從車輛維修手冊中可知，ACC系統(tǒng)雷達(dá)的水平視角為12°，最遠(yuǎn)跟車距離為150m，由此可以計算出在理論上當(dāng)雷達(dá)偏角在3．8°以內(nèi)時，前車即使變換車道也不會進(jìn)入雷達(dá)信號探測的盲區(qū)。但實際使用過程中，由于雷達(dá)波自身存在衰減效應(yīng)，出于安全考慮，因此不允許偏角達(dá)到這么大。經(jīng)多次實際路試，為了使雷達(dá)發(fā)射波和反射波能夠有效疊加從而強(qiáng)化雷達(dá)識別的準(zhǔn)確率，該偏角以不超過0．5°為宜。由此可以推算出在1 145mm距離處，ACC校正裝置光斑允許的最大偏差值為20mm，在這個范圍內(nèi)的偏差，均不會對車載雷達(dá)的實際使用造成影響。

光斑偏差示意圖如圖10所示。設(shè)校正裝置和車輛的距離為N，垂直偏差為0．5°，則入射光和反射光夾角為1°，那么光斑偏差值X為：

當(dāng) N=1 145mm 時，得 X=20．037 5mm。

圖10 光斑偏差示意圖

2.3 橫梁直線度最大允許誤差的確定

在本校正裝置中，直線橫梁是一個決定測量精度高低的主要部件，它自身的直線度直接影響著校正裝置和被檢測車輛的平行度，從而間接決定著激光束的發(fā)射角度。因此，必須對橫梁直線度的最大允許誤差做出精確計算。

如圖11所示：橫梁長度為2 220mm，四輪定位儀每個探頭的質(zhì)量為1kg，6063-T5材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度為150MPa，則可計算出橫梁的變形量為0．14mm，即在校正裝置正常工作時的受力情況下，端點徑向位移為0．14mm。

圖11 橫梁受力示意圖

經(jīng)試車驗證，此變形量對使用效果無不良影響。

3 結(jié)束語

隨著汽修汽保行業(yè)向著高速安全的方向快速發(fā)展，汽車保養(yǎng)及維修類產(chǎn)品的需求將逐年增加。目前適用于該領(lǐng)域的設(shè)備大部分來源于國外進(jìn)口，且價格偏高，其關(guān)鍵技術(shù)也屬于國外先進(jìn)的制造廠商所有，而國內(nèi)在該方面的研究很少。因此，該產(chǎn)品的開發(fā)成功，對于提高自主創(chuàng)新能力，快速發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)地方的科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提升中國制造業(yè)水平都具有非常重要的里程碑式意義。目前，該產(chǎn)品已榮獲國家發(fā)明專利(ZL201210065887．3)，并在一汽大眾等品牌汽車4S店中廣泛使用，得到了用戶的認(rèn)可與好評。本文通過對該裝置結(jié)構(gòu)及原理的論述，為今后再設(shè)計開發(fā)相關(guān)設(shè)備時提供一些借鑒。