毫米波雷达技术及在汽车中的应用探讨

车辆工程技术

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毫米波雷达技术及在汽车中的应用探讨

刘祖柏

（云南交通运输职业学院,云南 安宁 650300）

摘　要：毫米波雷达“全天候全天时”工作的超强能力，可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响，且价格低廉，成为了汽车ADAS不可或缺的核心传感器之一。毫米波雷达相比于激光有更强的穿透性，能够轻松地穿透保险杠上的塑料，因此常被安装在汽车的保险杠内。这也是为什么很多具备ACC的车上明明有毫米波雷达，却很难从外观上发现它们的原因。关键词：毫米波雷达；汽车；应用

1　毫米波雷达

　　雷达，无线电探测和测距。雷达的基本任务是发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的探测感兴趣的距离、方向、速度等状态参数。按辐射种类可分为：脉冲雷达和连续波雷达。毫米波，是指长度在1~10mm、频率在30~300GHz的电磁波，由于其波长在毫米量级，因此处于该频率范围的电磁波也被工程师们称为毫米波。

　　根据波的传播理论，频率越高，波长越短，分辨率越高，穿透能力越强，但在传播过程的损耗也越大，传输距离越短；相对地，频率越低，波长越长，绕射能力越强，传输距离越远。与微波相比，毫米波的分辨率高、指向性好、抗干扰能力强和探测性能好。与红外相比，毫米波的大气衰减小、对烟雾灰尘具有更好的穿透性、受天气影响小。这些特质决定了毫米波雷达具有全天候的工作能力。

　　为了推进自动驾驶技术的发展，同时要解决摄像机测距、测速不够精确的问题。工程师们选择了性价比更高的毫米波雷达作为测距和测速的传感器。毫米波雷达不仅拥有成本适中的特点，而且能够完美处理激光雷达所处理不了的沙尘天气。

2　毫米波雷达的分类

　　应用在汽车驾驶辅助的毫米波雷达主要有3个频段，分别是24GHz，77GHz和79GHz。不同频段的毫米波雷达有着不同的性能和成本。

2.1　短距离雷达

　　频段在24GHz左右的雷达,处在该频段上的雷达的检测距离有限，因此常用于检测近处的障碍物,在自动驾驶系统中常用于感知车辆近处的障碍物，为换道决策提供感知信息。2.2　长距离雷达

　　77GHz频段和79GHz频段的雷达。频段在77GHz左右的雷达，性能良好的77GHz雷达的最大检测距离可以达到160米以上，因此常被安装在前保险杠上，正对汽车的行驶方向。长距离雷达能够用于实现紧急制动、高速公路跟车等ADAS功能；同时也能满足自动，对障碍物距离、速度和角度的测量需求。79GHz频段的传感器能够实现的功能和77GHz一样，也是用于长距离的测量。根据公式：光速=波长×频率，频率更高的毫米波雷达，其波长越短。波长越短，意味着分辨率越高；而分辨率越高，意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。因此79GHz的毫米波雷达必然是未来的发展趋势。

3　毫米波雷达的检测原理

　　毫米波雷达最重要的任务就是用无线电的方法发现目标并检测与目标物体的距离、速度和方向。3.1　毫米波雷达测距原理

　　毫米波雷达测距原理就是把无线电波发出去，然后接收回波，根据收发的时间差测得目标的位置数据和相对距离。根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离公式为：s=ct/2，其中s为目标距离，t为电磁波从雷达发射出去到接收到目标回波的时间，c为光速。3.2　毫米波雷达测速

　　毫米波雷达测速是基于多普勒效应原理。所谓多普勒效应就是当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度v运动时，观测者

所收到的振动频率与振动源所发出的频率有不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。也就是说，当发射的电磁波和被探测目标有相对移动，回波的频率会和发射波的频率不同。当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射信号频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射信号频率。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度v成正比，与振动的频率成反比。因此，通过检测这个频率差，可以测得目标相对于雷达的移动速度，也就是目标与雷达的相对速度。

4　毫米波雷达在汽车驾驶辅助系统中的应用

　　对于车辆安全来说，最主要的判断依据就是两车之间的相对距离和相对速度信息，特别车辆在高速行驶中，如果两车的距离过近，是容易导致追尾事故。凭借出色的测距、测速能力，毫米波雷达被广泛地应用在自适应巡航（ACC）、自动紧急制动（AEB）、前方/后方碰撞预警（FCW/RCW）、变道辅助（LCA）、盲点检测（BSD）、倒车辅助（BPA）、泊车辅助（PA）等汽车ADAS中。通常，为了满足不同距离范围的探测需要，一辆汽车上会安装多颗短程、中程和长程毫米波雷达。其中24GHz雷达系统主要实现近距离探测（SRR，60米以下），77GHz雷达系统主要实现中、长距离的探测（MRR,100米左右；LRR，200米以上）。不同的毫米波雷达“各司其职”，在车辆前方、车身和后方发挥不同的作用。其中ACC、AEB、FCW、LCA作为汽车ADAS中最主要的防撞预警功能，是如何实现的呢？4.1　自适应巡航

　　自适应巡航是一种可以依据设定的车速或者距离跟随前方车辆行驶，或根据前车速度主动控制本车行驶速度，最终将车辆与前车保持在安全距离的驾驶辅助功能，该功能最大的优点是可以有效的驾驶者的双脚，提高驾驶的舒适性。

　　自适应巡航的实现原理：在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的毫米波雷达传感器持续扫描车辆前方道路，同时轮速传感器采集车速信号。当与前车之间的距离过小时，自适应巡航系统可以通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动，并使发动机的输出功率下降，以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。自适应巡航系统在控制车辆制动时，通常会将制动减速在不影响舒适度的程度，当需要更大的减速时，自适应巡航系统会发出声、光预警信号通知驾驶者主动采取制动操作。4.2　动紧急制动

　　自动紧急制动是一种汽车主动安全辅助功能。自动紧急制动系统利用毫米波雷达测出与前车或者障碍物的距离，然后利用数据分析模块将测出的距离与警报距离、安全距离进行比较，小于警报距离时就进行警报提示，而小于安全距离时即使在驾驶员没有来得及踩制动踏板的情况下，自动紧急制动系统也会启动，使汽车自动制动，从而确保驾驶安全。据研究表明，90%的交通事故是由于驾驶者的注意力不集中而引起的，自动紧急制动技术能在现实世界中减少38%的追尾碰撞，且无论是在城市道路（限速60km/h）或郊区道路行驶的情况下，效果都显著。

4.3　前方防撞预警

　　前方防撞预警通过毫米波雷达和前置摄像头不断监测前方的车辆，判断本车与前车之间的距离、方位及相对速度，探测到前方潜在

（下转第67页）

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定锥度的热装装配，温度确定也可以采用此公式，不过在K（热膨胀量）的大小不能采用圆柱形表面热装装配的计算公式。分析温度计算公式给出下公式（2）作为锥度法兰安装时的温度计算。

t=K/da+ t0=（δ1+δ2）/da+ t0 （2）

　　式中a为被加热件材料线膨胀系数（表2）；δ1为装配时需要达到最大压入行程的热膨胀量；δ2为装配时所需的最小间隙。

表2　线膨胀系数

金属材料锻钢、铸钢铸铁黄铜青铜、紫铜

线膨胀系数0.0000110.0000100.0000180.000017

　　已知 DF8B启动电机法兰结合直径d=80mm，锥度为1:10，质量m=13.60kg，材料为45钢，压入行程S=0.9～1.3。

　　计算δ1时取压入行程最大值1.3，则δ1=1.3×0.1=0.13，δ2可查表1取范围值的中间值可得δ2=0.045，d=80，材料线膨胀系数a查表2，可得a=0.000011，则：

t=（δ1+δ2）/da+ t0

=（0.13+0.045）/（80×0.000011）+20=219℃

　　表3为在产车型计算出的电机法兰加热温度，加热时间为现场操作所得。

表3　各车型法兰加热温度

序号车型（电机名称）123456

压入行程（mm）

加热温度（℃）219284253265134247

加热时间（min)8～108～108～108～108～1010～13

　　装配时热膨胀量（δ1）是根据法兰与电机轴配合给出的压入行程设计要求确定的，设计给出的压入行程是一个范围值，考虑到安装工艺的适用性，取压入行程的最大值计算δ1的大小。装配时所需的最小间隙（δ2）是考虑到安装时孔内壁与轴表面需要一定的间隙方便法兰的安装，同时也可以避免安装时的热量损失导致法兰孔径的缩小而安装困难的情况。δ2数值的大小可以根据被加热件重量和被加热件直径大小查表1取值。

　　如图2，δ1大小确定的计算公式：

δ1=S·tanα 　　　　　　 （3）

　　式中δ1为根据压入行程得出的膨胀量，mm；S为压入行程的取值，mm；tanα为轴或孔的锥度大小。

DF8B(启动电机）0.9～1.3DF8B(励磁电机）0.5～1.1DF12(启动电机）1.2～1.6DF12(励磁电机）0.7～1.0GK1C(启动电机）1.0～2.0SDA4(辅发电机）6.85～8.35

4　法兰热装工艺重点

4.1　压入行程的控制

　　压入行程的控制是根据实际测量的数据选择合适的压入行程，得出调整垫加垫量。反之，再确定加垫量时，法兰的压入行程就得到保证。由于压入行程的数值很小，在测量过程中需严格按照要求测量，要求使用精度高的游标卡尺和深度尺测量。热装法兰拧紧螺母后，用塞尺测量法兰、调整垫与电机壳体之间的间隙≤0.1mm。

5　总结

　　本文对法兰热装过程的步骤进行了详细的说明，并指出了需要满足的要求。对法兰热装工艺的重难点有较为深刻的分析，计算总结了多种在产实用车型的法兰加热温度。

图2　δ1与S的关系

　　现以DF8B启动电机法兰作为试例计算法兰加热温度。

作者简介：胡红平（1991-）,男,四川简阳人,本科,学士,助理工程师,检修工艺师,研究方向：内燃机车管钳工艺。

（上接第57页）

的碰撞危险，当驾驶员没有采取制动措施时，仪表会显示报警信息并伴随声音报警，警告驾驶员务必采取应对措施。当判断到事故即将发生时，系统会让刹车自动介入工作，从而避免事故发生或降低事故可能造成的风险。

　　前方防撞预警通过传感器探测前方的车辆、行人等障碍物，如果发现距离过近且存在碰撞风险时，进行自动制动。前方防撞预警则可以理解为进行自动制动之前的预警功能。其实，FCW和AEB系统是相辅相成的关系，目的都是在行车时避免或减少碰撞事故的发生。4.4　变道辅助

　　变道辅助是通过毫米波雷达、摄像头等传感器，对车辆相邻两侧车道及后方进行探测，获取车辆侧方及后方物体的运动信息，并结合当前车辆的状态进行判断，最终以声、光等方式提醒驾驶员，让驾驶员掌握最佳变道时机，防止变道引发的交通事故，同时对后方碰撞也有比较好的预防作用。

　　变道辅助系统包括盲点检测、变道预警、后碰预警3个功能。可以有效地防止变道、转弯、后方追尾等交通事故的发生，极大提升汽车变道操作的安全性能。其中，BSD根据其判断的移动物体所处的相对位置及与本车的相对速度，当处于本车的盲区范围内，及时提醒驾驶员注意变道出现的风险。LCA检测目标车辆在相邻的区域以较大的相对速度靠近本车，在两车时距小于一定范围内时，通过声、光等方

式提醒驾驶员。RCW检测到同一车道后方有快速接近的移动物体，并有碰撞风险时，及时通过声、光等方式，预警驾驶员系好安全带等方式减小碰撞带来的伤害。

5　结束语

　　在汽车驾驶辅助功能实现的过程中，我们不难发现虽然毫米波雷达起到了最核心的物体探测、测距和测速的作用，但是整个过程还需要其它传感器的辅助，比如激光雷达、摄像头、超声波雷达、惯性传感器等。在环境感知中，每一种传感器都有独特的优势和弱点。例如，毫米波雷达不受天气影响可全天候全天时工作，但分辨率不高，不能区分人和物；而摄像头有更高的分辨率，能够感知颜色，但受强光影响较大；激光雷达则能够提供三维尺度感知信息，对环境的重构能力强，但受天气影响大。传感器各有优劣，难以互相替代，未来要实现自动驾驶，是一定需要多种传感器相互配合共同构成汽车的感知系统。参考文献：

[1]李力,王飞跃.智能汽车先进传感与控制[M].北京:机械工业出版社,2016(10).

[2]催胜民,俞天一,王赵辉.智能网联汽车先进驾驶辅助系统关键技术[M].北京:化学工业出版社,2019(03).