基于毫米波雷達的車輛測距系統

吳榮燎，金鉆，鐘停江，代皓宇

（南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 210000）

引言

近年來，隨著全球汽車保有量地迅速增加，汽車的安全性以及智能化、舒適性等因素越來越多地被消費者所關注。根據中國新車評價規程（C-NCAP），自動緊急制動系統（AEBS）已經在2018年納入評分體系，因此毫米波雷達的需求量將會上升。另外，展望未來，體積更小、探測距離更長的毫米波雷達將占據更多的傳感器市場空間。汽車領域向著無人駕駛的方向日益發展，其根本目的是減少汽車在日常交通環境中由于人為原因造成安全隱患。在汽車上搭載基于毫米波雷達，可以實現前向碰撞預警（FCW）、自動緊急制動（AEB）等功能，大大提高了汽車的安全性。

1 毫米波雷達介紹

毫米波雷達是工作在毫米波波段的雷達，具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候、全天時的特點。目前市面上毫米波雷達的實物圖如圖1。毫米波雷達通過信號的發射和接收，處理后獲得汽車前方障礙物的各種信息（相對速度、相對距離、相對角度等）與自身車輛信息結合后，提供一定的信息給駕駛員，并在出現危險情況時發出警報給駕駛員。目前市面上主流的毫米波雷達的工作流程圖如圖2。

圖1 毫米波雷達實物圖

圖2 毫米波雷達工作流程圖

1.1 毫米波雷達測距原理

毫米波雷達的測速原理是通過發射信號和回收信號，通過接受到的信號頻率與自身的頻率對比處理，從而得出該車與障礙物之間的相對距離和相對速度。當傳感器發出信號和接收信號的時間差為Δt，距離為R，光速為c，根據公式。即可算出該車相對于障礙物之間的距離。

1.2 毫米波雷達測速原理

根據多普勒效應可知發射和接收的信號存在多普勒頻移，即頻率會有差別。所以把對于障礙物反射收到的多普勒頻移為fd，波形圖如圖3所示：

圖3 雷達識別運動目標及靜置目標圖

其發射和反射的三角波中頻頻率可表示為

試中Δf代表中頻頻率；fd表示多普勒頻移，由式1-3就可以求出雷達與目標之間的相對速度，表達式為：

f0代表發射波中心頻率，λ代表波長。速度v的符號與目標相對運動趨勢相關：目標接近時v為取正值，目標遠離時v取負值。[1]

2 各種車載雷達對比分析

2.1 激光雷達

激光雷達有著較好的分辨率，較強的抗干擾能力，還有體積小，質量輕的特點。但是，激光雷達受天氣情況影響較大，價格過高，難以普及到大眾的車輛中成為駕駛輔助系統的傳感器，且激光雷達測距一般適用于靜態測距，不適合于本次設計的駕駛輔助系統的測距要求。

2.2 攝像頭

攝像頭的成本較低，在白天可以較好的識別道路交通環境，攝像頭在車上主要應用于倒車或者盲點測控，輔助駕駛員得到更多的車周圍的信息。劣勢在于受光照和雨雪天氣的影響較大，并且光照的變化對其識別精度有很大影響。[2]

2.3 超聲波雷達

超聲波雷達利用傳感器發射超聲波并接收由障礙物反射回來的超聲波，通過發射與接收的時間差來判斷計算車體到障礙物的距離，缺點是由于聲波在空氣中傳播比較慢，對于車速快，探測距離遠的情況并不適用，且超聲波雷達發散角度大，能量大大降低，會導致分辨能力下降。所以這適用于倒車，不滿足我們的無人駕駛系統的測距并制動功能。4種傳感器對比如圖4。

圖4 四種傳感器優缺點比較

3 制動時間和距離計算分析

3.1 駕駛員制動

駕駛員從發現情況到大腦進行判斷之后支配手腳進行操作，這段時間被稱為反射時間，約需0.35秒，腳離開加速踏板并且轉移到制動踏板上的時間約為0.25秒，所以當駕駛員從發現前方有情況到踩下制動大約需要0.6秒，但是考慮到駕駛員有個自身的判斷，所以大約會有1.0秒的自我判斷時間，所以由人工完成整個制動的時間大約會達到1.6秒。

3.2 汽車自動制動

因為雷達發射的電磁波在空氣中的傳播速度基本等于光速，所以從發射信號到接收信號的時間差極小，所以該車的“反應時間”幾乎為零。

3.3 距離計算

圖5 制動過程

一般踩下制動踏板后，車輛不會立即開始產生加速度，即不會立即產生制動力，這是因為制動器的機械結構之間會有空隙，需要一定的磨合，而克服這種制動間隙所需要的時間大約是0.6秒，之后車輛才能真正開始產生制動力，迫使車輛剎停。圖5為車輛制動全過程：

將制動過程中最大的加速度設為a，斜率設為k，那么k與a之間的關系為：

可以得出：

通過對路程S積分，再把a帶入得：

所以總的距離S的表達式為：

通常情況下t3取0.1秒，車輛最大制動a平均取7.0m/s2，當我們的車速以25km/h的速度行駛時帶入式中可以推測出駕駛員完全自主制動距離為18.9m,而有著毫米波雷達輔助制動系統的車輛只有7.9m的制動距離。對比分析，發現自動制動距離只有人工剎車的0.4倍，這大大減小了危險程度，保障車中人員的安全。

4 毫米波雷達測距系統的設計

4.1 毫米波雷達的硬件系統

對各類應用于汽車的傳感器進行比較和分析之后，由于毫米波雷達具有測量距離遠，全天候都能達到一個理想的工作狀態，測距的精度遠高于視覺傳感器，并且能夠適應城市中復雜的路況和交通環境，因此近幾年來，越來越多的車型裝備毫米波雷達。目前，毫米波雷達是專用于機動車駕駛輔助系統ADAS（Advanced Driving Assistant System）的微波雷達傳感器，主要用于主動碰撞預警，輔助機動車完成障礙物規避的功能。現在隨著新能源汽車及車聯網技術的發展，毫米波雷達的應用更加地廣泛，特別是在汽車主動防撞安全領域。本次車載毫米波測距雷達采用77GHz的毫米波雷達，用于本次車輛測距系統，以77GHz的毫米波雷達位架構進行開發，具有集成度高，可以做更多的通道，識別進度也更高，穿透性也更強，本文設計的車輛測距領域的毫米波雷達硬件框圖6如圖所示。[3]

圖6 毫米波雷達系統硬件框圖

4.2 毫米波雷達的軟件

毫米波雷達通過整車的CAN網絡，ECU對反射回來的雷達波進行數據采集并進行識別與處理，針對當前汽車的行駛情況，如果出現危險的情況，毫米波雷達控制車載儀表盤做出相關的報警，給駕駛員一定的提醒，當駕駛員沒有對該危險情況做出反應時，進而控制車輛進行減速或加速等操作。[4]

5 結束語

本文針對毫米波雷達在車輛上的應用，通過分析、計算得到其在行駛中的安全距離。通過與其他傳感器的對比綜合得出毫米波雷達有著更好的測距能力。在智能網聯汽車的背景下，毫米波雷達有著極大的發展可能，又有著很大的提升空間，將傳感器融入車載計算機，極大地提高了駕駛安全性，也進一步地為駕駛輔助系統奠定了硬件基礎。[5]