朱 龍
(徐州徐工汽車制造有限公司,江蘇 徐州 221100)
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和道路狀況的改善,中國汽車保有量持續(xù)攀升,交通事故總量呈上升趨勢,據(jù)統(tǒng)計,中國萬車死亡率已居世界首位。面對交通安全問題的嚴峻形勢,汽車主動安全越來越受到國家和眾多主機廠的廣泛關(guān)注。前向毫米波雷達傳感器作為主動安全技術(shù)(ACC、FCW、AEB)的核心組成部分,在越來越多的各類車型上得到應用。
依靠發(fā)射特定頻率 (76~77GHz)的電磁波,接收和處理回波信號來偵測前方目標的特性參數(shù),如距離、相對速度、角度和反射功率等。由于天線對發(fā)射的電磁波做了聚波處理,因此雷達的探測有一定的方向性,探測范圍在垂直于天線面的一定開角內(nèi) (Field of View Fov)。因此雷達的安裝有一定的誤差要求,當安裝偏角度過大,致使天線波束無法照射到上層功能重點關(guān)注區(qū)域,重要目標檢測性能受損。
行業(yè)內(nèi)針對雷達安裝偏差的校準方式大致分為兩類:第一,整車產(chǎn)線下線校準,該方法借助整車生產(chǎn)線上的工裝設備及定位系統(tǒng),確認雷達初始安裝誤差量并做機械校準或軟件補償;第二,自動校準方案,該方法在整車離開生產(chǎn)線后進行,不依賴于特定的裝置或設備,只需在正常道路環(huán)境中運行一定時間,雷達自動校準算法以環(huán)境中特定目標作為參考,以自學習的方式,便可完成雷達安裝初始誤差的校準補償。
本文聚焦于雷達橫擺向自動校準功能,從功能模塊設計、校準流程、校準原理、功能測試4個方面進行解析,為后續(xù)類似系統(tǒng)開發(fā)和應用提供參考。
車輛在安裝預警系統(tǒng)下線后,通常會做一次下線校準。檢測此時雷達橫擺向的安裝狀態(tài),如果有偏差,通過手工調(diào)節(jié)雷達法線朝向或系統(tǒng)自動做出補償。在日常使用過程中,雷達會在設定的時間節(jié)點上,重復檢測自身狀態(tài),保證雷達在全生命周期中的探測姿態(tài)誤差始終在要求的范圍之內(nèi)。
雷達中自動校準功能模塊與ADAS系統(tǒng)、整車系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和接口如圖1所示。數(shù)據(jù)流主要描述:用戶特定情況下給出輸入、給出什么輸出、可以實現(xiàn)的精度。自動校準模塊需要通過ADAS系統(tǒng)接收開始校準指令、車輛信息,同時輸出校準結(jié)果。
圖1 數(shù)據(jù)流框圖
整體流程如圖2所示。
步驟1,觸發(fā)自校準。雷達安裝完成后,車輛駛離工廠線。駕駛員向雷達發(fā)出第一個自動校準命令,當車輛達到規(guī)定速度,目標量滿足校準要求后,校準模塊開始工作。
圖2 自動校準系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程
步驟2,自校準完成。自動校準算法檢測到偏差后,進行補償。
步驟3,觸發(fā)監(jiān)控模式。補償成功后,將功能轉(zhuǎn)換為監(jiān)視模式,在不干擾雷達正常功能的情況下檢測到角度偏差。當偏差超過定義的閾值時,將提示警告。
根據(jù)靜止目標的絕對速度應等于零的事實建立方程,優(yōu)化求解雷達橫向偏角(圖3)。
圖3 雷達橫向偏角示意圖
其中,vego表示本車車速,vR表示目標的徑向速度,α表示目標的方位角,β表示雷達相對于車頭正前方的橫向偏角,將vego向徑向速度方向投影,對于每幀中的每個目標,均可建立各參數(shù)間的關(guān)系方程如下:
式中:i,j——分別代表幀號和目標在當前幀的編號。
由于車速存在不可忽略的誤差,將車速vego也作為一個待優(yōu)化參數(shù)參與計算,給定其模型為正比例模型,式(1)變?yōu)椋?/p>
公式(2)是一個關(guān)于變量para={β,α}的超靜定非線性方程組,可用高斯-牛頓法進行迭代求解。
圖4為自校準的工作算法流程圖。
圖4 自校準工作算法流程圖
測試原理:初裝雷達安裝在車輛中線上,使雷達波束法線與車輛中線存在夾角X,通過測量,保證此角度0.3°<X<3°。將車輛行駛至特定的校準環(huán)境中,自校準功能開啟,接收到系統(tǒng)發(fā)出校準完成指令時,測量校準后雷達法線與車身中線的夾角。
在特定路段重復以上操作,求校準后夾角平均值。
1)車輛姿態(tài):①車輛應該行駛在長直的道路上;②車速應該大于15km/h;③車輛可以提供車速和橫擺角信息。
2)雷達姿態(tài):①安裝誤差應該滿足表1中的要求;②雷達可以探測到足夠多的目標和足夠強的目標。
表1 雷達姿態(tài)
3)工作環(huán)境:①有護欄的直線道路,橫向距離雷達2~3m;②連續(xù)護欄長度至少200m;地面平坦,無明顯起伏;③自校準模式應激活傳感器的特殊工作模式以實現(xiàn)自動對準功能。
自校準:0.3° @10min;偏差角度警告閥值>0.5°;監(jiān)測周期:5min。
使用同一個雷達,在同一日期、同樣的場景和車速的情況下,多次安裝不同初裝誤差角度進行自校準測試,每次安裝都反復測試得到多組數(shù)據(jù),不同角度安裝的雷達精度統(tǒng)計表詳見表2,校準偏角值如圖5所示。大角度(3°)校準補償后護欄的變化如圖6所示。
表2 不同角度安裝的雷達精度統(tǒng)計表
圖5 校準偏角值
圖6 大角度 (3°)校準補償后護欄的變化
通過測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,自校準模塊對于小角度和大角度的校準精度基本一致,對0°~3°范圍內(nèi)、正負方向的雷達偏角均能有效實現(xiàn)校準,絕大部分場景下,校準誤差在±0.3°范圍內(nèi),兩側(cè)目標距離較近時存在干擾現(xiàn)象,效果可能較差。
1)當前自校準算法不受本車速度的影響,可以適應多種較復雜的場景,并能兼容在干凈良好場景和復雜場景下的校準精度,95%的結(jié)果精度可達到±0.3°;當前自校準模塊的時間消耗不超過3min,滿足嵌入式的運行要求。
2)前裝毫米波雷達系統(tǒng)可以采用產(chǎn)線校準配合下線后自校準方式,減小雷達朝向角度偏差對上層預警系統(tǒng)性能的影響。