楊冰非 施衛(wèi)

摘要：自適應(yīng)巡航控制是現(xiàn)代車輛電子系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成。在路況復(fù)雜多變的道路上，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)可以有效幫助駕駛員操控車輛，提高行車安全。因此，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的附加作用受到廣泛關(guān)注。目前針對(duì)基于毫米波雷達(dá)的純電動(dòng)汽車自適應(yīng)巡航控制的研究不多，因此，該文將重點(diǎn)介紹基于毫米波雷達(dá)的純電動(dòng)汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在距離控制模式和速度控制模式之間自動(dòng)切換，識(shí)別前方目標(biāo)并實(shí)時(shí)跟蹤，在保持安全距離的情況下提供車輛自動(dòng)巡航功能。

關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá);自適應(yīng)巡航;純電動(dòng)汽車

中圖分類號(hào)：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）13-0138-03

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)是一種新型的車輛駕駛輔助系統(tǒng)，它結(jié)合了安全距離跟蹤和速度控制，可以提供車輛跟車巡航功能。如果車輛前面沒有目標(biāo)車輛，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)將以駕駛員設(shè)定的恒定速度行駛，類似于傳統(tǒng)的巡航控制系統(tǒng)[1]。當(dāng)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方有車輛時(shí)，巡航系統(tǒng)進(jìn)入跟車模式，自動(dòng)跟隨前方的目標(biāo)車輛，同時(shí)保持安全距離[2]。自適應(yīng)巡航系統(tǒng)可以調(diào)整車速以提高駕乘舒適度。目前關(guān)于自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的研究主要集中在燃油車上，關(guān)于基于毫米波雷達(dá)的純電動(dòng)車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的研究不多，而隨著污染和能源短缺的日益加劇，以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車將逐漸成為出行的首選，因此，研究純電動(dòng)汽車的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)功能原理

自適應(yīng)巡航系統(tǒng)是現(xiàn)階段大部分車輛的標(biāo)配安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的恒速巡航控制與碰撞警告相結(jié)合，在車輛行駛過程中可以保持車輛與前車之間的合理距離，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航功能[3]。自適應(yīng)巡航系統(tǒng)通過電子油門驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、速度傳感器控制車輛以接近駕駛員設(shè)定的固定速度行駛。隨著電子技術(shù)、傳感器的發(fā)展和應(yīng)用，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)在現(xiàn)有巡航控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了雷達(dá)、有線驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)控制策略等組件。毫米波雷達(dá)傳感器測(cè)量車輛的相對(duì)距離、車輛的相對(duì)速度等信息，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)[4]。自適應(yīng)巡航系統(tǒng)使用雷達(dá)測(cè)量的信息來確定前方是否有車輛，進(jìn)而選擇不同的駕駛模式。無論是保持車間距離還是勻速前進(jìn)，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)都會(huì)根據(jù)控制算法向相應(yīng)的執(zhí)行器發(fā)出加速和制動(dòng)指令，控制車輛速度。但是，該系統(tǒng)不適用于車輛數(shù)量多、交通不便的道路情況。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)技術(shù)要求

1）選擇毫米波雷達(dá)傳感器的型號(hào)時(shí)需要先分析雷達(dá)數(shù)據(jù)，探討雷達(dá)捕捉目標(biāo)的有效方法。

2）系統(tǒng)在跟車時(shí)從多個(gè)目標(biāo)中識(shí)別和評(píng)估有效目標(biāo)。

3）跟車模式下系統(tǒng)通過控制速度與前車保持恒定安全距離。

4）系統(tǒng)能有效處理突發(fā)情況，如系統(tǒng)故障。

2.2系統(tǒng)控制方案

1）選用德國Continent 77GHZ MMW ARS408毫米波雷達(dá)，將毫米波雷達(dá)置于車輛中央，在誤差范圍內(nèi)確定雷達(dá)位置和角度。雷達(dá)數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸，按照現(xiàn)場(chǎng)總線編碼格式編寫現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行二級(jí)制轉(zhuǎn)換。

2）雷達(dá)目標(biāo)信息采集分析完成后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，將車輛行駛時(shí)預(yù)期路線中心的全車道區(qū)域作為雷達(dá)的有效目標(biāo)區(qū)域?？紤]車內(nèi)和雷達(dá)坐標(biāo)系設(shè)置，按照車道內(nèi)直線距離最短的原則評(píng)估前方有效目標(biāo)。可以使用坐標(biāo)信息進(jìn)行邏輯判斷，確定車輛與前方車輛是否在同一車道上。假設(shè)車輛長時(shí)間處于車道中間，車輛行車車道可分為y1、y3，車輛中心與前方車輛中心的橫向距離y0，根據(jù)這三個(gè)參數(shù)確定車輛所處車道。

3）基于車輛之間的距離和前方車輛的速度，系統(tǒng)分為速度控制模式和距離控制模式。將策略切換到自適應(yīng)巡航系統(tǒng)的運(yùn)行模式，以確定自適應(yīng)巡航車輛所需的加速度或速度。下位控制器根據(jù)上位控制器要求的預(yù)期加速度向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、制動(dòng)控制單元、能量回收控制單元等發(fā)送指令，提供實(shí)際加速度跟蹤和反饋，讓汽車保持預(yù)期的加速度。

4）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，觸發(fā)報(bào)警，錯(cuò)誤顯示閃爍，驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)切換到手動(dòng)控制模式。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)系統(tǒng)由中央控制子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)構(gòu)成。中央控制子系統(tǒng)由信息采集單元、主控單元組成，主要作用是輸出整車運(yùn)行狀態(tài)控制指令。通信子系統(tǒng)主要包括聲光報(bào)警、觸摸屏等部分，旨在實(shí)現(xiàn)有關(guān)車輛運(yùn)行的各種信息的傳輸與呈現(xiàn)。傳感器子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向角傳感器、雷達(dá)傳感器、輪速傳感器、加速傳感器、制動(dòng)傳感器等各種傳感器，主要作用是采集車輛的速度、車距等相關(guān)參數(shù)[5]。

系統(tǒng)采用主從處理器設(shè)計(jì)方案。主數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Process，DSP）雖然具有強(qiáng)大的數(shù)值算法能力，但不擅長規(guī)劃任務(wù)。因此，主DSP處理器和從處理器進(jìn)行目標(biāo)提取、目標(biāo)跟蹤等各種毫米波雷達(dá)相關(guān)的數(shù)值計(jì)算。從處理器STM32主要處理以下任務(wù)：作為與DSP的數(shù)據(jù)交換、閾值設(shè)置、人機(jī)交互、評(píng)估和報(bào)警。

車前保險(xiǎn)杠部位設(shè)置的毫米波雷達(dá)可以實(shí)時(shí)采集車距、兩車相對(duì)速度等參數(shù)信息并通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)送到主處理器。使用連接到電機(jī)輸出的霍爾速度傳感器。輸出與接收軸和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速相同的脈沖信號(hào)給主處理器計(jì)算車速。剎車和油門位置以開關(guān)的形式輸入主處理器，以處理各種傳感器。它提供信息并將處理結(jié)果發(fā)送到從處理器。協(xié)處理設(shè)備評(píng)估當(dāng)前行車安全狀態(tài)并接管相應(yīng)的控制策略，并對(duì)電動(dòng)機(jī)控制單元、制動(dòng)器控制單元、能量回收控制單元等發(fā)出指令。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1主處理單元設(shè)計(jì)

主處理器控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)需要滿足雷達(dá)信號(hào)處理與控制系統(tǒng)的硬件要求。硬件系統(tǒng)主要包括DSP處理器、現(xiàn)場(chǎng)總線通信、程序調(diào)試接口、各種傳感器信號(hào)接口、串行通信、電源管理、復(fù)位電路、看門狗電路和開關(guān)信號(hào)接口等模塊。

電源管理模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)工作單元和毫米波雷達(dá)傳感器供電?？撮T狗電路主要用于抑制干擾，有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。初始化模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)與相關(guān)車輛參數(shù)，通過存儲(chǔ)多種車型車輛參數(shù)來提高系統(tǒng)的適用性。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，主處理器DSP從初始化模塊中讀取參數(shù)值;輪速信號(hào)接口與霍爾速度傳感器連接，處理傳感器的脈沖信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為車速值，串行雷達(dá)通信接口模塊獨(dú)立SJA1040現(xiàn)場(chǎng)總線控制器、6N137高速光電傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線收發(fā)器PCA82C250通。另外，測(cè)距雷達(dá)負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)處理。設(shè)備的控制單元。串行通信接口主要作用是將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為USB標(biāo)準(zhǔn)電平，與傳感器或PC機(jī)交換信息;主DSP控制器[6]通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信接口接收毫米波雷達(dá)傳來的車輛真實(shí)距離和相對(duì)速度信息，處理速度傳感器的脈沖信號(hào)，計(jì)算真實(shí)速度、剎車踏板、油門踏板、轉(zhuǎn)向角，實(shí)時(shí)了解道路表面附著系數(shù)和其他信息;各種處理后的數(shù)字參數(shù)信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信接口發(fā)送到從處理器控制單元。圖2為主處理器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

3.2 從處理單元設(shè)計(jì)

從處理器硬件電路包括現(xiàn)場(chǎng)總線通信、程序調(diào)試接口、各種傳感器信號(hào)接口、串行通信、電源管理、復(fù)位電路、看門狗電路、開關(guān)信號(hào)接口等模塊、STM32微處理器[7]。

從處理器收到主處理器DSP傳來的指令后將對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，接管相應(yīng)的控制策略，狀態(tài)分析結(jié)果通過觸摸屏、聲光報(bào)警等方式輸出，同時(shí)基于需要顯示各種車輛的狀態(tài)信息，幫助司機(jī)安全駕駛。如果系統(tǒng)程序有錯(cuò)誤，則會(huì)顯示系統(tǒng)錯(cuò)誤信息。此外，從處理器控制單元通過現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口將各種系統(tǒng)參數(shù)信息發(fā)送給其他車載電子控制單元。圖3為從處理單元結(jié)構(gòu)。

3.3電源模塊

圖4為系統(tǒng)電源模塊結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)選用LMZ23605、TPS795901、TPS78601電源芯片。LMZ23605芯片的輸入電壓為12V或24V。一旦芯片運(yùn)行可以產(chǎn)生5V的電壓，再通過TPS795901電源芯片、TPS78601電源芯片轉(zhuǎn)換為3.3V、2.5V、1.2V，以匹配系統(tǒng)的多種工作電壓需求。

3.4通信模塊

車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)必須通過現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與其他車載電子設(shè)備進(jìn)行通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種低波特率串行通信協(xié)議，主要用于描述設(shè)備間信息傳遞的方式?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信的每一層與不同設(shè)備上的同一層進(jìn)行通信。實(shí)際的通信只發(fā)生在相鄰的兩個(gè)設(shè)備層，設(shè)備通過模型物理層的物理環(huán)境相互連接?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)定義了OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，用戶可以自由定義應(yīng)用層的協(xié)議。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器采用飛利浦TJA1040，DSP提供現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口，用于與車內(nèi)其他電子設(shè)備進(jìn)行通信，只需外接電平轉(zhuǎn)換器IC即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線通信。圖5為現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器TJA1040電路圖。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)將系統(tǒng)拆分成多個(gè)模塊，按功能分為四層（底層模塊、信令層模塊、應(yīng)用層模塊、算法層模塊），系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

1）底層模塊主要初始化主處理器DSP和STM32從處理器功能模塊，控制系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊、毫米波雷達(dá)接口模塊、現(xiàn)場(chǎng)總線通信模塊、DMA直接數(shù)據(jù)模塊、時(shí)鐘模塊、中斷模塊、定時(shí)器輸入數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器模塊等。

2）信號(hào)層模塊用于在應(yīng)用層和底層軟件之間傳輸數(shù)據(jù)。

3）應(yīng)用層模塊包括主系統(tǒng)程序和錯(cuò)誤檢測(cè)程序。

4）算法層模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心，提供車輛信號(hào)處理和縱向控制。

5結(jié)束語

綜上所述，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)可以在跟蹤車輛的同時(shí)控制車輛的速度，直接影響乘坐質(zhì)量、車輛性能和車輛經(jīng)濟(jì)性。本文詳細(xì)介紹了基于毫米波雷達(dá)的純電動(dòng)車自適應(yīng)巡航系統(tǒng)中的軟硬件設(shè)計(jì)和控制算法，提出以DSP為主處理器，STM32為從處理器，基于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信傳輸，通過毫米波雷達(dá)檢測(cè)前方車輛目標(biāo)和車間距離的設(shè)計(jì)方案，可以有效提高純電動(dòng)車的自適應(yīng)巡航系統(tǒng)應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王麗瑤.電動(dòng)汽車充電技術(shù)綜述[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2019，46（7）：96-97.

[2] 杜悅英.智能汽車?yán)顺眮硪u[J].中國發(fā)展觀察，2018（13）：44-46.

[3] 周超，陳榮利，袁潔.汽車智能化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（11）：118-119.

[4] 曹俊杰，陳實(shí)，茅君澤，等.雷達(dá)在汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].汽車與配件，2012（45）：27-29.

[5] 何班本，文翊，劉帥.高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Level 2）開發(fā)研究[J].汽車文摘，2020（12）：48-53.

[6] Xiao L Y，Gao F.A comprehensive review of the development of adaptive cruise control systems[J].Vehicle System Dynamics，2010，48（10）：1167-1192.

[7] Peppard L.String stability of relative-motion PID vehicle control systems[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1974，19（5）：579-581.

【通聯(lián)編輯：代影】