前向毫米波雷達系統自動校準功能

朱 龍

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221100）

隨著經濟的快速發展和道路狀況的改善，中國汽車保有量持續攀升，交通事故總量呈上升趨勢，據統計，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注。前向毫米波雷達傳感器作為主動安全技術（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，如距離、相對速度、角度和反射功率等。由于天線對發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 （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注區域，重要目標檢測性能受損。

行業內針對雷達安裝偏差的校準方式大致分為兩類：第一，整車產線下線校準，該方法借助整車生產線上的工裝設備及定位系統，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線后進行，不依賴于特定的裝置或設備，只需在正常道路環境中運行一定時間，雷達自動校準算法以環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，為后續類似系統開發和應用提供參考。

1 自動校準模塊

車輛在安裝預警系統下線后，通常會做一次下線校準。檢測此時雷達橫擺向的安裝狀態，如果有偏差，通過手工調節雷達法線朝向或系統自動做出補償。在日常使用過程中，雷達會在設定的時間節點上，重復檢測自身狀態，保證雷達在全生命周期中的探測姿態誤差始終在要求的范圍之內。

雷達中自動校準功能模塊與ADAS系統、整車系統數據流和接口如圖1所示。數據流主要描述：用戶特定情況下給出輸入、給出什么輸出、可以實現的精度。自動校準模塊需要通過ADAS系統接收開始校準指令、車輛信息，同時輸出校準結果。

圖1 數據流框圖

2 自動校準流程

整體流程如圖2所示。

步驟1，觸發自校準。雷達安裝完成后，車輛駛離工廠線。駕駛員向雷達發出第一個自動校準命令，當車輛達到規定速度，目標量滿足校準要求后，校準模塊開始工作。

圖2 自動校準系統狀態轉換流程

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，觸發監控模式。補償成功后，將功能轉換為監視模式，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。

3 自動校準算法原理

根據靜止目標的絕對速度應等于零的事實建立方程，優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，均可建立各參數間的關系方程如下：

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也作為一個待優化參數參與計算，給定其模型為正比例模型，式（1）變為：

公式（2）是一個關于變量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

4 功能測試

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境中，自校準功能開啟，接收到系統發出校準完成指令時，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。

4.1 自校準開啟前提條件

1）車輛姿態：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：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

3）工作環境：①有護欄的直線道路，橫向距離雷達2～3m；②連續護欄長度至少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自動對準功能。

4.2 自校準要求結果

自校準：0.3° @10min；偏差角度警告閥值＞0.5°；監測周期：5min。

4.3 效果和精度驗證

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據，不同角度安裝的雷達精度統計表詳見表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

通過測試數據的統計分析，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、正負方向的雷達偏角均能有效實現校準，絕大部分場景下，校準誤差在±0.3°范圍內，兩側目標距離較近時存在干擾現象，效果可能較差。

4.4 測試結論

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可以采用產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性能的影響。