基于毫米波雷達的純電動汽車自適應巡航系統(tǒng)設計

楊冰非 施衛(wèi)

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

關(guān)鍵詞：毫米波雷達;自適應巡航;純電動汽車

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0138-03

自適應巡航系統(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車輛，自適應巡航控制系統(tǒng)將以駕駛員設定的恒定速度行駛，類似于傳統(tǒng)的巡航控制系統(tǒng)[1]。當自適應巡航控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)前方有車輛時，巡航系統(tǒng)進入跟車模式，自動跟隨前方的目標車輛，同時保持安全距離[2]。自適應巡航系統(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)于基于毫米波雷達的純電動車自適應巡航系統(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，研究純電動汽車的自適應巡航系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)功能原理

自適應巡航系統(tǒng)是現(xiàn)階段大部分車輛的標配安全系統(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，實現(xiàn)自適應巡航功能[3]。自適應巡航系統(tǒng)通過電子油門驅(qū)動結(jié)構(gòu)、速度傳感器控制車輛以接近駕駛員設定的固定速度行駛。隨著電子技術(shù)、傳感器的發(fā)展和應用，自適應巡航系統(tǒng)在現(xiàn)有巡航控制系統(tǒng)的基礎上增加了雷達、有線驅(qū)動器和相關(guān)控制策略等組件。毫米波雷達傳感器測量車輛的相對距離、車輛的相對速度等信息，并通過現(xiàn)場總線將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到自適應巡航控制系統(tǒng)[4]。自適應巡航系統(tǒng)使用雷達測量的信息來確定前方是否有車輛，進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，自適應巡航系統(tǒng)都會根據(jù)控制算法向相應的執(zhí)行器發(fā)出加速和制動指令，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)總體設計

2.1系統(tǒng)技術(shù)要求

1）選擇毫米波雷達傳感器的型號時需要先分析雷達數(shù)據(jù)，探討雷達捕捉目標的有效方法。

2）系統(tǒng)在跟車時從多個目標中識別和評估有效目標。

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，將毫米波雷達置于車輛中央，在誤差范圍內(nèi)確定雷達位置和角度。雷達數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡傳輸，按照現(xiàn)場總線編碼格式編寫現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通信報文，對雷達數(shù)據(jù)幀進行二級制轉(zhuǎn)換。

2）雷達目標信息采集分析完成后，對信號進行濾波，將車輛行駛時預期路線中心的全車道區(qū)域作為雷達的有效目標區(qū)域?？紤]車內(nèi)和雷達坐標系設置，按照車道內(nèi)直線距離最短的原則評估前方有效目標?？梢允褂米鴺诵畔⑦M行邏輯判斷，確定車輛與前方車輛是否在同一車道上。假設車輛長時間處于車道中間，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巡航系統(tǒng)的運行模式，以確定自適應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期加速度向發(fā)動機控制單元、制動控制單元、能量回收控制單元等發(fā)送指令，提供實際加速度跟蹤和反饋，讓汽車保持預期的加速度。

4）當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，觸發(fā)報警，錯誤顯示閃爍，驅(qū)動器主動切換到手動控制模式。

2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為自適應巡航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。整個系統(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行狀態(tài)控制指令。通信子系統(tǒng)主要包括聲光報警、觸摸屏等部分，旨在實現(xiàn)有關(guān)車輛運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、雷達傳感器、輪速傳感器、加速傳感器、制動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)采用主從處理器設計方案。主數(shù)字信號處理器（Digital Signal Process，DSP）雖然具有強大的數(shù)值算法能力，但不擅長規(guī)劃任務。因此，主DSP處理器和從處理器進行目標提取、目標跟蹤等各種毫米波雷達相關(guān)的數(shù)值計算。從處理器STM32主要處理以下任務：作為與DSP的數(shù)據(jù)交換、閾值設置、人機交互、評估和報警。

車前保險杠部位設置的毫米波雷達可以實時采集車距、兩車相對速度等參數(shù)信息并通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡同步發(fā)送到主處理器。使用連接到電機輸出的霍爾速度傳感器。輸出與接收軸和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速相同的脈沖信號給主處理器計算車速。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)處理設備評估當前行車安全狀態(tài)并接管相應的控制策略，并對電動機控制單元、制動器控制單元、能量回收控制單元等發(fā)出指令。

3系統(tǒng)硬件設計

3.1主處理單元設計

主處理器控制系統(tǒng)電路的設計需要滿足雷達信號處理與控制系統(tǒng)的硬件要求。硬件系統(tǒng)主要包括DSP處理器、現(xiàn)場總線通信、程序調(diào)試接口、各種傳感器信號接口、串行通信、電源管理、復位電路、看門狗電路和開關(guān)信號接口等模塊。

電源管理模塊負責為整個工作單元和毫米波雷達傳感器供電?？撮T狗電路主要用于抑制干擾，有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。初始化模塊負責存儲與相關(guān)車輛參數(shù)，通過存儲多種車型車輛參數(shù)來提高系統(tǒng)的適用性。當系統(tǒng)開始運行時，主處理器DSP從初始化模塊中讀取參數(shù)值;輪速信號接口與霍爾速度傳感器連接，處理傳感器的脈沖信號并將其轉(zhuǎn)換為車速值，串行雷達通信接口模塊獨立SJA1040現(xiàn)場總線控制器、6N137高速光電傳感器、現(xiàn)場總線收發(fā)器PCA82C250通。另外，測距雷達負責將處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)處理。設備的控制單元。串行通信接口主要作用是將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為USB標準電平，與傳感器或PC機交換信息;主DSP控制器[6]通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通信接口接收毫米波雷達傳來的車輛真實距離和相對速度信息，處理速度傳感器的脈沖信號，計算真實速度、剎車踏板、油門踏板、轉(zhuǎn)向角，實時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)場總線網(wǎng)絡通信接口發(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 從處理單元設計

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

從處理器收到主處理器DSP傳來的指令后將對車輛的運行狀態(tài)進行分析，接管相應的控制策略，狀態(tài)分析結(jié)果通過觸摸屏、聲光報警等方式輸出，同時基于需要顯示各種車輛的狀態(tài)信息，幫助司機安全駕駛。如果系統(tǒng)程序有錯誤，則會顯示系統(tǒng)錯誤信息。此外，從處理器控制單元通過現(xiàn)場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

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

4系統(tǒng)軟件設計

本次設計將系統(tǒng)拆分成多個模塊，按功能分為四層（底層模塊、信令層模塊、應用層模塊、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、毫米波雷達接口模塊、現(xiàn)場總線通信模塊、DMA直接數(shù)據(jù)模塊、時鐘模塊、中斷模塊、定時器輸入數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)時間定時器模塊等。

2）信號層模塊用于在應用層和底層軟件之間傳輸數(shù)據(jù)。

3）應用層模塊包括主系統(tǒng)程序和錯誤檢測程序。

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

5結(jié)束語

綜上所述，自適應巡航控制系統(tǒng)可以在跟蹤車輛的同時控制車輛的速度，直接影響乘坐質(zhì)量、車輛性能和車輛經(jīng)濟性。本文詳細介紹了基于毫米波雷達的純電動車自適應巡航系統(tǒng)中的軟硬件設計和控制算法，提出以DSP為主處理器，STM32為從處理器，基于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡進行通信傳輸，通過毫米波雷達檢測前方車輛目標和車間距離的設計方案，可以有效提高純電動車的自適應巡航系統(tǒng)應用效果。

參考文獻：

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