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雷達(dá)傳感器在中國汽車應(yīng)用中的6大功能

發(fā)布時(shí)間:2020-12-22
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現(xiàn)階段,中國量產(chǎn)的自動(dòng)駕駛車型多位于L2階段,L2階段通過傳感器確定周圍駕駛環(huán)境,進(jìn)行車路、行人及道路感知,在感知信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行警示或制動(dòng)等動(dòng)作,輔助駕駛員安全駕駛,因而,雷達(dá)傳感器為該自動(dòng)駕駛階段最核心的組成部分。雷達(dá)傳感器通過TOF或FMCW技術(shù)探測(cè)物體的相對(duì)位置、相對(duì)速度、相對(duì)角度,并在算法和決策平 臺(tái)的輔助下實(shí)現(xiàn)如AEB緊急自動(dòng)制動(dòng)、FCW前向碰撞預(yù)警、BSW盲區(qū)監(jiān)視等十多項(xiàng)功能。


1、AEB(自動(dòng)緊急制動(dòng))功能

定義:AEB是ADAS系統(tǒng)的重要功能,共分為三個(gè)檔次:

(1)FCW,當(dāng)存在潛在的碰撞危險(xiǎn)時(shí),AEB系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)通過視覺、聽覺和/或觸覺報(bào)警(例如座椅震動(dòng))通知駕駛員;

(2)二級(jí)警報(bào),若駕駛員無法應(yīng),則出現(xiàn)限速自動(dòng)提示;

(3)自動(dòng)介入剎車,必要的情況下由AEB自動(dòng)控制剎車系統(tǒng),完成制動(dòng)操作,從而減輕或避免碰撞傷害,該功能在7-180km范圍內(nèi)均可啟動(dòng)。

根據(jù)美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),AEB系統(tǒng)可將追尾事故發(fā)生的概率降低56%

分類:(難度由低→高)

根據(jù)事故類型,E-NCAP將AEB系統(tǒng)分為三類:

1.城市專用AEB系統(tǒng)——多發(fā)生在交通擁堵的路口,速度慢(<20km/h),碰撞程度低;

2.高速公路專用AEB系統(tǒng)——多發(fā)生于駕駛員疲勞的高速(50-80km/h)駕駛場(chǎng)景;

3.行人保護(hù)專用AEB系統(tǒng)——檢測(cè)行人與自行車,需預(yù)測(cè)其運(yùn)算路徑,算法復(fù)雜。

前兩者更適合使用毫米波雷達(dá),而第3種需在前兩者的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像捕捉,因而需補(bǔ)充攝像頭。

工作原理:AEB可通過視覺傳感器、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等技術(shù)實(shí)現(xiàn),雷達(dá)傳感器或攝像頭傳感器測(cè)出前車或障礙物距離,數(shù)據(jù)分析模塊將測(cè)出距離與安全距離、警報(bào)距離進(jìn)行比較,當(dāng)距離過小時(shí),AEB系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出碰撞預(yù)警,若駕駛員未能及時(shí)進(jìn)行制動(dòng)操作,AEB系統(tǒng)將對(duì)剎車系統(tǒng)發(fā)出剎車請(qǐng)求,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)。

毫米波雷達(dá):具備全天候全天時(shí)工作優(yōu)勢(shì),但存在橫向輻射盲區(qū)。

激光雷達(dá):除探測(cè)距離長(zhǎng)外,還可測(cè)量橫向位置,但易受天氣影響。

視覺傳感器:具備明顯成本優(yōu)勢(shì),但識(shí)別準(zhǔn)確度仍需提升,且受天氣影響大。

成本:?jiǎn)螖z像頭版AEB成本約600元,毫米波雷達(dá)版成本約1,500元,激光雷達(dá)版本成本則過萬。

綜合性能和成本情況考慮,AEB系統(tǒng)最佳傳感器配置為“毫米波雷達(dá)+視覺傳感器”組合。

發(fā)展現(xiàn)狀分析截至2019年上半年,中國AEB配置的裝車滲透率約為9%,主要搭載在20萬元及以上的外資品牌車型上,如奔馳Pre-safe、沃爾沃City safety、大眾Front Assist、豐田PCS。


隨著2018版C-NCAP逐漸實(shí)施,未來3年AEB系統(tǒng)在中國市場(chǎng)的需求將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。


2、BSW(盲區(qū)監(jiān)視)功能

定義:BSW系統(tǒng)通過在車輛后部安裝兩顆毫米波雷達(dá)以探測(cè)后視鏡盲區(qū)范圍,當(dāng)探測(cè)到盲區(qū)內(nèi)存在障礙物則向駕駛員發(fā)出警報(bào),輔助進(jìn)行變道或減速。BSW系統(tǒng)基本功能包括兩項(xiàng):

(1)BSW盲區(qū)監(jiān)測(cè),使用毫米波雷達(dá)進(jìn)行盲區(qū)障礙物監(jiān)測(cè),并提供視覺、聽覺警報(bào)服務(wù);

(2)LCA變道輔助,在車輛變道過程中,探測(cè)相鄰車道是否有車輛快速接近的系統(tǒng),并發(fā)出警告。工作條件:行駛速度>15km/h,或轉(zhuǎn)彎半徑>100m。

盲區(qū)是汽車設(shè)計(jì)最大的缺陷之一,根據(jù)美國國家公路交通安全管理局?jǐn)?shù)據(jù),每年有80多萬起與盲點(diǎn)有關(guān)的安全事故發(fā)生,其中約300件導(dǎo)致死亡車禍。這也是BSW系統(tǒng)存在的重要原因。

分類(按應(yīng)用場(chǎng)景劃分)

SBSD側(cè)面盲區(qū)監(jiān)測(cè)

STBSD轉(zhuǎn)向盲區(qū)監(jiān)測(cè)

功能拓展(開發(fā)難度由低→高)

1.RCTA在倒車時(shí),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛后部橫向接近的障礙物,并發(fā)出警告。

2.DOW在即將開啟車門時(shí),實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛側(cè)后方障礙物,并發(fā)出警告。

3.RCTB在倒車時(shí),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛后部橫向接近的障礙物,必要時(shí)主動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)。

發(fā)展現(xiàn)狀分析此外,根據(jù)2019年9月發(fā)布的《美國消費(fèi)者報(bào)告》顯示,BSW系統(tǒng)在ADAS輔助安全系統(tǒng)中避險(xiǎn)百分比最高,可避免60%的車禍。因而,BSW是ADAS系統(tǒng)中配置率較高的一項(xiàng)功能,截至2019年上半年,其在中國市場(chǎng)的滲透率為17%,其中,價(jià)格在40萬元以上的汽車車型的滲透率最高,達(dá)到56%,BSW選配價(jià)格在5,000-7,000元之間。


3、ACC(自適應(yīng)巡航)功能

定義:ACC系統(tǒng)是一種智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng),借助外部傳感器(毫米波雷達(dá)、攝像頭、激光雷達(dá)等)檢測(cè)自車與前方車輛的距離和相對(duì)速度,并控制自身車速和前車保持固定的距離。假設(shè)前車變道離開,在未識(shí)別到新的目標(biāo)物之前,ACC系統(tǒng)會(huì)控制車輛按照設(shè)定的車速行駛。

ACC既可適用于低速場(chǎng)景(TJA交通擁堵輔助),也可適用于高速場(chǎng)景(ICA智能巡航輔助)。

應(yīng)用場(chǎng)景

工作流程分析ACC系統(tǒng)利用傳感器得到行車所需信息,當(dāng)發(fā)現(xiàn)前車減速或出現(xiàn)新目標(biāo)時(shí),電控單元將發(fā)送執(zhí)行信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)或制動(dòng)系統(tǒng),做出保持車距或自動(dòng)制動(dòng)等相關(guān)動(dòng)作。若前方?jīng)]有車輛,則恢復(fù)設(shè)定車速。

因涉及到汽車的自動(dòng)制動(dòng),ACC系統(tǒng)還需協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱控制器、電子穩(wěn)定程序等部件進(jìn)行工作。

1、最常用的安全距離模型為車間安全時(shí)距模型,即跟車距離以時(shí)間為單位設(shè)置,通常為1-2.5s。

2、需輔助車道識(shí)別單元、轉(zhuǎn)向角傳感器、橫擺率傳感器、車輪轉(zhuǎn)速傳感器等多部件進(jìn)行判斷。

3、ACC系統(tǒng)的自動(dòng)制動(dòng)力為車輛最大制動(dòng)力的30%-40%,位于0.3-0.4g之間。若系統(tǒng)判定需要急剎(>最大制動(dòng)力的40%)時(shí),儀表上將會(huì)出現(xiàn)視覺信號(hào)并發(fā)出蜂鳴警報(bào)。

備注:此處的“前方”指毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離,一般為200米


4、PA(停車輔助)功能

定義與原理:

PA系統(tǒng)通過安裝在車身上的超聲波雷達(dá)及攝像頭探測(cè)停車位置,繪制停車地圖,并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃泊車路徑,將汽車指引或直接自動(dòng)控制方向盤將汽車駛?cè)胪\囄恢谩?/span>

工作原理:PA系統(tǒng)通過搜索泊車位、生產(chǎn)泊車路徑和運(yùn)動(dòng)控制三大功能,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車輔助。當(dāng)汽車行駛速度低于30km/h時(shí),其搜索功能將自動(dòng)打開,在搜索到合適車位后,ECU將從速度和運(yùn)動(dòng)兩方面進(jìn)行泊車軌跡模擬。最后,控制器將對(duì)汽車進(jìn)行橫向和縱向控制,從而完成泊車動(dòng)作。

工作流程分析

分類(按功能)

PA系統(tǒng)目前已發(fā)展至第三代,從最開始的駕駛員必須在車內(nèi)配合掛擋完成泊車(APA系統(tǒng)),發(fā)展到駕駛員可以站在車外5米外使用手機(jī)遙控泊車(RPA遠(yuǎn)程遙控泊車),最后到汽車自主學(xué)習(xí)泊車路線完成固定車位泊車(自學(xué)習(xí)泊車),未來將出現(xiàn)第四代PA系統(tǒng),即AVP代客泊車。


5、LKA(車道保持)功能

定義:LKA系統(tǒng)通過角雷達(dá)、多功能攝像頭識(shí)別本車相對(duì)于車道中央的位置,如車輛靠近標(biāo)識(shí)線或偏離車道,則通過方向盤震動(dòng)或聲音來進(jìn)行警告,必要時(shí)通過自動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)使車輛回到車道內(nèi)。

LKA系統(tǒng)包含三項(xiàng)子功能:

(1)LDW,在車道偏離時(shí),通過聲音、視覺和震動(dòng)等方式發(fā)出預(yù)警;

(2)LDP,在汽車快要駛離車道時(shí),通過施加適當(dāng)轉(zhuǎn)向干預(yù)實(shí)現(xiàn)位置修正的系統(tǒng);

(3)LCC,通過監(jiān)控汽車與車道中線的相對(duì)位置,主動(dòng)輔助駕駛員保持在車道中線位置,減少駕駛員負(fù)擔(dān)。

產(chǎn)生的必要性

在歐洲,39%的意外交通事故是因偏離車道而產(chǎn)生的,在美國這一比例為44%,而中國這一比例更是高達(dá)50%。高交通事故發(fā)送概率是催生LKA系統(tǒng)出現(xiàn)的重要原因。

根據(jù)2019年9月發(fā)布的《美國消費(fèi)者報(bào)告》顯示,LKA和LDW的避險(xiǎn)指數(shù)為31%。截至2019年上半年,中國市場(chǎng)的LKA滲透率為26.4%,LDW的滲透率為44.6%。

工作流程分析

LKA系統(tǒng)可分為感知層、決策層和執(zhí)行層三部分。其中,感知層用于采集車道信息和車輛信息,決策層用于判斷是否需要轉(zhuǎn)道并計(jì)算輸出力矩,執(zhí)行層為EPS系統(tǒng),EPS系統(tǒng)使用虛擬駕駛員轉(zhuǎn)向力矩代替扭矩傳感器監(jiān)測(cè)到的駕駛員轉(zhuǎn)向力矩,完成車道保持輔助。

適用條件分析LKA系統(tǒng)的缺陷:

1.LKA系統(tǒng)是基于視覺傳感器辨認(rèn)車道線的,如果攝像頭被遮擋、車道線不清晰、大雨霧霾等惡劣天氣、黑夜等情況都會(huì)導(dǎo)降低系統(tǒng)判斷精度;

2.LKA系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向能力有限,如果車輛的橫向偏移速度超過ESP設(shè)定,車輛就會(huì)跑出車道。



使用限定條件:

1.目前量產(chǎn)的LKA主要適用于高速場(chǎng)景的輔助功能,只有當(dāng)車輛行駛速度>60km/h才LKA系統(tǒng)才介入工作,并限制該系統(tǒng)在惡劣天氣情況下的使用;

2.根據(jù)2019年1月頒布的《道路車輛先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)術(shù)語及定義》的征求意見稿規(guī)定,LKA系統(tǒng)激活時(shí)引發(fā)的車輛橫向加速度不大于3m/s2,車輛橫向加速度變化率不大于5m/s3。


6、其他功能

除AEB、FCW、BSW、LCA、SBDS、STBSD、ACC、RCTA、DOW、RCTB、APA、RPA、自學(xué)習(xí)泊車、AVP、LKA、LDW、LDP及LCC功能外,雷達(dá)傳感器還可應(yīng)用在HUD、ROA、RCW、PD、SLA、TJA、ICA及智能駕駛司機(jī)上。

功能總結(jié)

ADAS功能通過傳感層、決策層和執(zhí)行層三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn),其中傳感層通過雷達(dá)傳感器及視覺傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,是各種輔助駕駛功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

三種雷達(dá)傳感器性能有所區(qū)別,適用的場(chǎng)景也有所不同。其中,超聲波雷達(dá)能量消耗慢,超聲波的穿透性強(qiáng),但其探測(cè)距離短且不適合高速運(yùn)行,因而只適合自動(dòng)泊車等低速場(chǎng)景。毫米波 雷達(dá)具備全天時(shí)全天候的優(yōu)勢(shì),適用于AEB、FCW、BSW、LCA、ACC、LKA等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景,而激光雷達(dá)可360度無死角掃描,從而形成環(huán)境三維模型,但其價(jià)格昂貴,性價(jià)比不高,因而其雖可應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)景,但均未作為最佳選擇。

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