華儒科技解析雷達(dá)傳感器

華儒科技是一家專門從事引進(jìn)歐美工業(yè)界及其它非贏利的研究機(jī)構(gòu)的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品至中國(guó)市場(chǎng)的專業(yè)科技咨詢公司，并為客戶提供相應(yīng)技術(shù)指導(dǎo)與研發(fā)項(xiàng)目的跟蹤與輔助性業(yè)務(wù)。（本文由深圳市華儒科技有限公司李明宇先生提供）

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華儒科技現(xiàn)所代理的24GHz微波傳感器為德國(guó)Innosent公司生產(chǎn)，Innosent公司處在德國(guó)烏滋堡，是一家專業(yè)從事設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的雷達(dá)傳感器的高科技公司，是世界上最大的商業(yè)用24GHz雷達(dá)制造商、世界第二大的自動(dòng)工控用雷達(dá)制造商。公司的雷達(dá)傳感器是使用世界上最先進(jìn)的平面微帶技術(shù)制造而成，體積小、集成化程度高、感應(yīng)靈敏。Innosent公司成立于1999年，公司有大批研發(fā)人員有二三十年的雷達(dá)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)的傳感器遠(yuǎn)銷世界各地，被廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)開門，交通測(cè)速測(cè)距測(cè)流量、測(cè)液位、安防闖入告警、計(jì)數(shù)器、體育測(cè)速等方面。

1：雷達(dá)傳感器的起源、定義及組成

雷達(dá)的出現(xiàn)，是由于二戰(zhàn)期間當(dāng)時(shí)英國(guó)和德國(guó)交戰(zhàn)時(shí)，英國(guó)急需一種能探測(cè)空中金屬物體的雷達(dá)技術(shù)能在反空襲戰(zhàn)中幫助搜尋德國(guó)飛機(jī)。

定義雷達(dá)概念形成于20世紀(jì)初。雷達(dá)是英文(RadioDetectionandRanging)英文的音譯，意無線電檢測(cè)和測(cè)距，是利用微波波段電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備

雷達(dá)的組成包括五個(gè)基本組成部分:發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收機(jī)、接收天線以及顯示器。還有電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。

2：雷達(dá)技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)日臻完善，現(xiàn)代雷達(dá)不僅能完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和測(cè)距，還能完成測(cè)角、測(cè)速、跟蹤和成像等功能。雖然雷達(dá)技術(shù)主要用于軍事方面，但其在民用領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越大的作用。雷達(dá)在民用服務(wù)的主要應(yīng)用包括有氣象雷達(dá)，探地雷達(dá)和應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、港口、和公路的交通管制雷達(dá)。

3：雷達(dá)傳感器在汽車領(lǐng)域的幾種應(yīng)用

1.汽車前端ACC雷達(dá)巡航系統(tǒng)

2.用FMCW測(cè)距雷達(dá)取代超聲波用于倒車?yán)走_(dá)

3.車輛防盜預(yù)警

4.變道輔助駕駛系統(tǒng)

5.汽車自身運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量等等

4：雷達(dá)技術(shù)與視頻技術(shù)、超聲波技術(shù)、紅外線技術(shù)等競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間的比較

5：汽車各種測(cè)距方式主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

6：雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)的組成框圖

1.收發(fā)天線可安裝于車輛保險(xiǎn)杠內(nèi)，向車前方發(fā)出發(fā)射信號(hào)，并接收反射信號(hào)

2.射頻收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制.，射頻信號(hào)的發(fā)射接收及接收信號(hào)解調(diào)

3.信息處理模塊自動(dòng)分析，計(jì)算出與前方車輛間的距離和相對(duì)速度，并且防止轉(zhuǎn)彎時(shí)錯(cuò)誤測(cè)量臨近車道車輛的情況發(fā)生

4.汽車控制裝置：即控制汽車的自動(dòng)操作系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)減速慢速行車，或緊急剎車。通過限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速

5.報(bào)警系統(tǒng)：安裝在駕駛室前部，精確顯示前方障礙物的距離值，面板上的數(shù)字鍵，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定保京距離值，還有特殊輸出接口，當(dāng)系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，該接口會(huì)輸出TTL電平，可用于自動(dòng)剎車開發(fā)

7：奧迪Q7換道輔助系統(tǒng)：

1：換道輔助系統(tǒng)是利用雷達(dá)傳感器監(jiān)控車輛后方和兩側(cè)的空間障礙分布(水平方向?yàn)橹鳌⒋怪狈较驗(yàn)檩o)，并在駕駛員變換行車道時(shí)提供幫助。被監(jiān)控的區(qū)域也包括所謂的“視野盲區(qū)”，系統(tǒng)同時(shí)還對(duì)駕駛員側(cè)和副駕駛員側(cè)的車輛兩側(cè)進(jìn)行監(jiān)控，每側(cè)都配有一個(gè)雷達(dá)傳感器。當(dāng)換道輔助系統(tǒng)(SWA)識(shí)別到變換行車道可能會(huì)發(fā)生交通危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出視覺提示或聲音警示駕駛員。此時(shí)相應(yīng)車外后視鏡內(nèi)的報(bào)警燈可能亮起或快速閃爍，以提示或警示駕駛員潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

2：換道輔助系統(tǒng)具有2個(gè)控制單元：換道輔助系統(tǒng)控制單元J769(主控制單元)和換道輔助系統(tǒng)控制單元J770(從控制單元)。主控制單元與右側(cè)雷達(dá)傳感器組成一個(gè)單元，從控制單元與左側(cè)雷達(dá)傳感器組成一個(gè)單元。主控制單元和從控制單元在結(jié)構(gòu)完全相同。其基本結(jié)構(gòu)是由一塊電子線路板和一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器組成的中央計(jì)算單元。此外，它還被用來探測(cè)和跟蹤雷達(dá)傳感器識(shí)別到的物體。

8：雷達(dá)傳感器的監(jiān)控區(qū)域：

車輛每一側(cè)的監(jiān)控區(qū)域都由一個(gè)后部區(qū)域和一個(gè)側(cè)面區(qū)域組成，如圖所示。后部監(jiān)控區(qū)域從車輛后邊緣開始向后延伸約50In，相當(dāng)于線段A和B之間的灰色區(qū)域；側(cè)面區(qū)域從車輛后邊緣開始延伸到B柱為止，這正好是線段B和C之間的灰色區(qū)域，灰色區(qū)域的寬度測(cè)得約3.6m

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9：超車與被超車：

1：如圖所示，配備了換道輔助系統(tǒng)(SWA)的汽車(V1)行駛在3車道高速公路的中間一條行車道上，并且正在超越右側(cè)的一輛汽車(v2)。配備了換道輔助系統(tǒng)的汽車與被超車的汽車之間的速度差小于15km/h。由于速度差較小，超車過程需要一定的時(shí)間，被超越的汽車在一定的時(shí)間內(nèi)消失在“視野盲區(qū)”內(nèi)。在這種情況下，右側(cè)車外后視鏡內(nèi)的報(bào)警燈必須通知駕駛員右側(cè)行車道被占用。如果帶有換道輔助系統(tǒng)車輛的駕駛員現(xiàn)在接通右側(cè)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈，那么右側(cè)車外后視鏡內(nèi)的報(bào)警燈將4次閃爍，以警示駕駛員

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2：如圖所示，裝備了換道輔助系統(tǒng)(SWA)的汽車(V3)中速行駛在3車道高速公路的右側(cè)車道上，中間車道上有一輛汽車(V4)以明顯較高速度從后方接近本方車輛。換道輔助系統(tǒng)探測(cè)到這輛不斷靠近的汽車并點(diǎn)亮左側(cè)車外后視鏡內(nèi)的報(bào)警燈。如果此時(shí)操縱左側(cè)的轉(zhuǎn)向信號(hào)燈，那么報(bào)警燈將會(huì)閃爍，以警示駕駛員如果變換行車道將有發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。導(dǎo)致報(bào)警燈被激活的兩車間最大距離取決于兩車間的速度差。速度差越大，此距離范圍越大。但是發(fā)出警示的最大距離極限為50m，因?yàn)?0m是雷達(dá)傳感器的最大探測(cè)范圍。

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10：雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)：

交通雷達(dá)測(cè)速設(shè)備是一種微波電子測(cè)量?jī)x器，這種測(cè)量設(shè)備是依據(jù)多普勒原理及現(xiàn)代電子技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一種多普勒測(cè)速雷達(dá)，它主要用于公路、鐵路及其他需要測(cè)速限速的場(chǎng)所。

多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的信號(hào)頻率將發(fā)生變化。這種現(xiàn)象最先是被奧地利物理學(xué)家多普勒在1842年發(fā)現(xiàn)的。多普勒提出了“波的頻率和波源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)”的理論，稱之為多普勒原理。應(yīng)用到雷達(dá)電磁波上，當(dāng)雷達(dá)的電磁波在行進(jìn)的過程中碰到物體時(shí)，該雷達(dá)波會(huì)被反彈，而且其反彈回來的波，其頻率及振幅都會(huì)隨著所碰到的物體的移動(dòng)狀態(tài)而改變。若雷達(dá)波所碰到的物體是固定不動(dòng)的，那么所反彈回來的雷達(dá)波其頻率是不會(huì)改變的。

11：雷達(dá)測(cè)速傳感器優(yōu)點(diǎn)：

傳統(tǒng)的測(cè)速大多以旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量和直線運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量，但現(xiàn)實(shí)工業(yè)自動(dòng)化中有不少非規(guī)律性的測(cè)速，比如運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)測(cè)速，交通車輛測(cè)速，高爾夫球速測(cè)量等情況下，雷達(dá)測(cè)速傳感器可以滿足這些要求。

12：倒車?yán)走_(dá)：

倒車?yán)走_(dá)是一種安裝在汽車前、后保險(xiǎn)杠上的電子偵測(cè)系統(tǒng)。采用超聲波檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)駕駛汽車前進(jìn)或倒退以及在狹窄的車位泊車時(shí)，通過聲音和提示可知車后是否有不明障礙物距離遠(yuǎn)近，從而輔導(dǎo)駕駛員安全，輕松地倒車，避免碰撞。

結(jié)構(gòu)：1、倒車?yán)走_(dá)模塊

2、倒車?yán)走_(dá)報(bào)警顯示

3、倒車?yán)走_(dá)傳感器

4、TCM模塊（傳送檔位信息）

5、ECM模塊（傳送車速信號(hào)）

6、BCM模塊（觸發(fā)蜂鳴器）

13：原理：

工作原理：超聲波作為一種特殊聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，即反射、干涉、衍射、散射。超聲波就是利用其反射特性。超聲波發(fā)射器不斷的發(fā)射出40KHz超聲波，遇到障礙物后反射回反射波，超聲波接收器接收到反射信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，測(cè)出發(fā)射與接收到反射波的時(shí)間差t，即可求出距離。

s=1/2ct其中c為超聲波音速。由于超聲波也是聲波，所以與溫度有關(guān)。

14：自動(dòng)泊車系統(tǒng)：

通常的泊車輔助系統(tǒng)是通過安裝倒車?yán)走_(dá)或后視影像系統(tǒng)，在泊車時(shí)給司機(jī)起到提示作用，以避免碰撞。而自動(dòng)泊車系統(tǒng)的基本功能是能夠控制車輛自動(dòng)完成泊車，在此過程中可以不需要司機(jī)的干預(yù)。這樣一種系統(tǒng)可以有效解決了新手司機(jī)泊車的煩惱，提高了車輛的智能化水平。

15：自動(dòng)泊車系統(tǒng)的基因組成：

1、傳感器系統(tǒng)。主要用來探測(cè)環(huán)境信息，尋找車位并實(shí)時(shí)反饋車輛位置信息。

2、中央控制系統(tǒng)。主要用來處理環(huán)境感知信息，并在線實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)車位參數(shù)和車輛相對(duì)位置，判斷可行性并確定自動(dòng)泊車策略。

3、執(zhí)行系統(tǒng)。主要根據(jù)中央控制系統(tǒng)的決策信息，控制方向盤和動(dòng)力系統(tǒng)，忠實(shí)地按照決策路徑控制車輛運(yùn)動(dòng)到泊車位。

16：自動(dòng)泊車系統(tǒng)運(yùn)行的基本過程：

1、通過傳感器系統(tǒng)感知環(huán)境信息

2、根據(jù)傳感器系統(tǒng)的信息得出有效車位信息、車輛相對(duì)位置，從而決策泊車初始位置

3、電子控制單元(ElectronicControlUnit，簡(jiǎn)稱ECU)根據(jù)傳感器信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行環(huán)境建模，生成車輛運(yùn)動(dòng)路徑，控制車輛無碰撞地自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到泊車位。

17：研究方法：

1：基于路徑規(guī)劃方法的研究

路徑規(guī)劃方法通過生成既定路徑控制車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種方法依賴于控制器的精確性，控制效果并非完全可靠。在泊車過程中，即使位置誤差能夠被后來的運(yùn)動(dòng)所補(bǔ)償，也會(huì)增加相應(yīng)的時(shí)間成本，從而影響自動(dòng)泊車的效果。

2：基于經(jīng)驗(yàn)方法的研究

采用智能控制算法對(duì)自動(dòng)泊車問題進(jìn)行研究。以模糊控制方法為例，在獲得小車的方向角后，基于小車相對(duì)泊車位置的縱向和橫向距離，對(duì)不同的泊車位置，不同的泊車階段會(huì)產(chǎn)生不同的模糊規(guī)則。模糊控制會(huì)在每一個(gè)采樣周期，根據(jù)小車相對(duì)于泊車位置的相對(duì)位姿，產(chǎn)生一個(gè)控制命令，可以有效補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。

18：傳感器選擇：

自動(dòng)泊車系統(tǒng)需要利用各種傳感器，獲得車輛的車身偏向角、轉(zhuǎn)向角度、速度、位移、障礙物形狀及位置等信息。顯然，所知信息越多，控制難度越小。事實(shí)上，目前的傳感器技術(shù)并不能完全提供以上信息，而且有的物理量，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取其數(shù)值所需付出的代價(jià)較大，而它們對(duì)于控制過程的價(jià)值卻不大。選擇方案如下：

1．選擇超聲波傳感器以測(cè)量車輛與障礙物的距離，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)停車位檢測(cè)；

2．選擇增量式編碼器作為車輛位移和速度的測(cè)量工具；

3．車輛轉(zhuǎn)向角度可使用絕對(duì)式編碼器測(cè)量方向盤轉(zhuǎn)向角而獲得，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上則使用滑動(dòng)變阻器作為轉(zhuǎn)向角度的測(cè)量工具。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：成本較低，技術(shù)成熟。超聲波傳感器已廣泛應(yīng)用于倒車輔助系統(tǒng)；編碼器在工程領(lǐng)域上，被廣泛用于位移、速度、角度的測(cè)量。它的缺點(diǎn)是：超聲波傳感器的測(cè)量精度不高，受環(huán)境影響大，對(duì)小物體的檢測(cè)靈敏度低，對(duì)障礙物反射面角度有一定要求，傳感器之間容易互相干擾，測(cè)量周期長(zhǎng),對(duì)車輛轉(zhuǎn)向角度的測(cè)量也存在較大的誤差。在設(shè)計(jì)泊車控制方法時(shí)，可針對(duì)所選擇的傳感器特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償.[!--empirenews.page--]

對(duì)于自動(dòng)泊車系統(tǒng)的測(cè)距要求而言，可以看到超聲波傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)

1)對(duì)于色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；

2)對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣環(huán)境；

3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信號(hào)處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化。特別是在空氣測(cè)距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其他方法高。

19：超聲波傳感器測(cè)距原理：

超聲波傳感器由發(fā)射端和接收端組成，利用壓電陶瓷等材料的物理特性實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。發(fā)射端將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并以超聲波形式向外傳播；接收端則將超聲波的能量轉(zhuǎn)換為電能。。超聲波傳感器有固定的工作頻率，在工作頻率上，能量轉(zhuǎn)換效率最高。一個(gè)固定頻率在40KHz的超聲波傳感器，需要使用40KHz的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射端，使其向外發(fā)射40KHz的超聲波；接收端在40KHz超聲波的驅(qū)動(dòng)下，將產(chǎn)生40KHz的電信號(hào)。一般地，發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)電信號(hào)幅度在5V以上，而接收端所產(chǎn)生的電信號(hào)是10mV級(jí)的。

超聲波傳感器發(fā)射端和接收端與障礙物的位置關(guān)系如圖所示。發(fā)射端向外發(fā)送超聲波，超聲波經(jīng)障礙物反射，被接收端檢測(cè)到，設(shè)整個(gè)過程經(jīng)歷時(shí)間為t，超聲波傳播速度為v則障礙物與傳感器之間的距離l為：l=vt/2.假設(shè)超聲波傳播速度為340m/s，障礙物與傳感器之間的距離在20cm至3m范圍內(nèi)，可得，超聲波傳播時(shí)間t在lms至l8ms范圍內(nèi)。使用單片機(jī)內(nèi)部集成的定時(shí)器(timer)，可測(cè)量出超聲波的傳播時(shí)間。

雷達(dá)傳感器7' />

20：應(yīng)用現(xiàn)狀：

進(jìn)入二十一世紀(jì)，多個(gè)汽車生產(chǎn)廠家陸續(xù)推出了自動(dòng)泊車系統(tǒng)：2003年，豐田(Toyota)公司首先在其Prius混合動(dòng)力車型上配置了智能泊車系統(tǒng)；2007年，又在新款LS460轎車上使用了自動(dòng)泊車系統(tǒng)；2006年，本田(Honda)公司宣布在改進(jìn)款life車型上提供智能泊車輔助系統(tǒng)；2006年，法國(guó)的汽車零部件供應(yīng)商法雷奧(Valeo)公司發(fā)布了其第一代自動(dòng)泊車系統(tǒng)(Park4U‘oM)，并已在大眾(Volkswagen)公司的途安系列車型中應(yīng)用；BMW也在測(cè)試類似的系統(tǒng)；SiemensVDO公司正在開發(fā)名為ParkMate的自動(dòng)泊車系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2008至2009年推向市場(chǎng)。

LS460的自動(dòng)泊車系統(tǒng)由Toyota以及AisinSeiki合作研發(fā)，采用了Denso公司的超聲波傳感器和Aisin基于攝像頭的圖像識(shí)別技術(shù)。此系統(tǒng)配置了超聲感應(yīng)裝置——車頭六個(gè)感應(yīng)頭，車尾四個(gè)，目的是能準(zhǔn)確檢測(cè)車輛位置。圖像識(shí)別上，其圖像采集來自后置攝像頭，Aisin通過色彩對(duì)比技術(shù)增強(qiáng)了該系統(tǒng)的空間識(shí)別性能。在開始泊車前，駕駛者需通過觸摸屏確定泊車方式以及調(diào)整停車位的位置。設(shè)置好后，駕駛者按下“OK”按鈕，把手從方向盤上拿開，由駕駛者控制車輛的倒車速度，自動(dòng)泊車系統(tǒng)控制車輛的轉(zhuǎn)向，借助后視攝像頭、超聲傳感器以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電子馬達(dá)，將車駛?cè)胪＼囄弧＿@個(gè)過程中，駕駛者可以通過踩剎車或轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤中止自動(dòng)泊車。