汽車ACC雷達(dá)姿態(tài)控制的尺寸分析及優(yōu)化

白燕超，陳新華，闞天水

（愛(ài)馳汽車有限公司，上海 200082）

1 前言

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，為提高行車安全性和駕駛舒適性，越來(lái)越多的車載雷達(dá)被應(yīng)用在汽車上，目前的車載雷達(dá)主要有三種：超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)[1]。而ACC自適應(yīng)巡航系統(tǒng)作為車載雷達(dá)的一種，是通過(guò)裝在汽車前方的雷達(dá)傳感器，幫助司機(jī)保持適當(dāng)車速并控制與前方車輛的距離。因?yàn)楹撩撞ɡ走_(dá)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，不易受電磁干擾，目前大多數(shù) ACC自適應(yīng)巡航系統(tǒng)是以毫米波雷達(dá)為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2-3]。

為保證ACC雷達(dá)功能的實(shí)現(xiàn)，除了ACC雷達(dá)自身系統(tǒng)的穩(wěn)健性外，ACC雷達(dá)傳感器相對(duì)于整車姿態(tài)的照射角度也會(huì)有較大影響，如果尺寸鏈太長(zhǎng)，照射角度控制不當(dāng)，容易造成雷達(dá)誤報(bào)警或不報(bào)警等功能問(wèn)題，同時(shí)也給制造工廠雷達(dá)標(biāo)定工作帶來(lái)很大困難。

本文基于本公司一款全新開(kāi)發(fā)的中型 SUV車型，針對(duì)ACC雷達(dá)傳感器定位方式、工藝方案、整車尺寸鏈、底盤(pán)尺寸鏈等影響因素，運(yùn)用3DCS軟件進(jìn)行三維尺寸鏈分析建模，通過(guò)對(duì)雷達(dá)傳感器不同定位方式、工藝方案的優(yōu)化，找出了滿足雷達(dá)照射角度的最優(yōu)方案，提高了 ACC雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

2 ACC雷達(dá)姿態(tài)控制要求及方案研究

2.1 ACC雷達(dá)傳感器姿態(tài)控制要求

現(xiàn)代的 ACC雷達(dá)基本都有一定的姿態(tài)自調(diào)節(jié)能力，但這個(gè)調(diào)節(jié)范圍也是有限的[4]，如圖1所示，雷達(dá)的照射角度可分解為兩個(gè)，雷達(dá)照射的Z向夾角和X向夾角。如果雷達(dá)照射角度偏差在±1°內(nèi)，ACC雷達(dá)依靠自身的調(diào)節(jié)能力能夠自適應(yīng)調(diào)平，不影響 ACC雷達(dá)功能實(shí)現(xiàn)；如果雷達(dá)照射角度偏差大于±1°，ACC雷達(dá)則會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)警或不報(bào)警的功能問(wèn)題。因此如何保證雷達(dá)照射角度偏差控制在±1°內(nèi)則成為了本文優(yōu)化的主要目標(biāo)。

圖1 ACC雷達(dá)傳感器照射角度要求

2.2 ACC雷達(dá)傳感器安裝方案

2.2.1 ACC雷達(dá)傳感器裝在前保上

圖2 ACC雷達(dá)傳感器裝在前保上

如果考慮雷達(dá)波受到的物理干擾因素最少，便是將雷達(dá)傳感器安裝在整車的最前端，即直接安裝在前保上，如圖 2所示。但該方案的風(fēng)險(xiǎn)在于前保偏軟，易下沉，雷達(dá)傳感器照射角度不易控制，而增加前保的剛度又會(huì)帶來(lái)成本和重量的顯著上升。同時(shí)前保為易損件，發(fā)生碰撞事故后，雷達(dá)傳感器易連帶損壞，車輛維修使用成本較高。

2.2.2 ACC雷達(dá)傳感器裝在前防撞梁上

考慮雷達(dá)傳感器安裝穩(wěn)定性最好的方案便是將雷達(dá)傳感器直接安裝在精度較高的車身上，比如前防撞梁上，如圖 3所示。避免了2.2.1方案的風(fēng)險(xiǎn)，但也犧牲了一定的性能。

圖3 ACC雷達(dá)傳感器裝在車身上

3 ACC雷達(dá)裝配工藝3DCS尺寸鏈建模

3DCS軟件是進(jìn)行尺寸鏈分析的專業(yè)軟件，通過(guò)蒙特卡洛方法能夠進(jìn)行從零部件到整車的尺寸鏈裝配模擬分析，在汽車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。裝配尺寸鏈的生成依賴于零件間裝配關(guān)系和零件的尺寸公差，為了確保尺寸鏈分析的準(zhǔn)確性和可靠性，尺寸鏈模型搭建需完全與整車裝配工藝保持一致[5]。3DCS尺寸鏈建模如圖4所示。

圖4 3DCS尺寸鏈建模圖示

3.1 ACC雷達(dá)整車尺寸鏈建模過(guò)程

考慮 ACC雷達(dá)傳感器姿態(tài)控制要求是在整車空載狀態(tài)下雷達(dá)照射角度的偏差波動(dòng)，所以整車尺寸鏈裝配建模過(guò)程中，要考慮從雷達(dá)傳感器裝配到車身，從車身裝配到底盤(pán)前后懸，從底盤(pán)前后懸裝配到輪胎再到地面的整個(gè)過(guò)程，如圖5所示。

圖5 ACC雷達(dá)整車建模示意圖

針對(duì)雷達(dá)傳感器裝在前保上和裝在前防撞梁上的兩種裝配方案分別進(jìn)行尺寸鏈建模，尺寸鏈環(huán)如圖6和圖7所示。

根據(jù)上述尺寸鏈，通過(guò)3DCS軟件對(duì)ACC雷達(dá)照射角度進(jìn)行整車建模分析，建模過(guò)程中，將車身作為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，將所有總裝裝配件打散到單件進(jìn)行裝配，分別對(duì)不同的雷達(dá)布置方案進(jìn)行分析。

圖6 雷達(dá)傳感器裝在前保上的尺寸鏈

圖7 雷達(dá)傳感器裝在前防撞梁上的尺寸鏈

4 結(jié)果分析及工藝方案優(yōu)化

4.1 結(jié)果分析

使用3DCS軟件分別對(duì)ACC雷達(dá)兩種布置方案進(jìn)行尺寸鏈建模分析，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 ACC雷達(dá)不同布置方案分析結(jié)果對(duì)比

從分析結(jié)果看，雷達(dá)傳感器裝在前保上的方案，Z向面的角度偏差波動(dòng)6σ達(dá)到±1.46°，超差率達(dá)到5.56%，不滿足±1.0°的角度控制要求；X向面6σ為±0.9°，超差率為0.06%，滿足±1.0°的角度控制要求。而雷達(dá)傳感器裝在前防撞梁上的方案，Z向面的角度偏差波動(dòng)的6σ為±1.08°超差率為0.51%，X向面6σ為±0.66°，超差率為0.0 %，該方案相對(duì)雷達(dá)傳感器裝在前保上的方案，角度偏差波動(dòng)要小的多。

從兩種方案的尺寸鏈對(duì)比分析結(jié)果看，雷達(dá)傳感器裝在前防撞梁上的方案在Z向面波動(dòng)和X向面波動(dòng)均優(yōu)于雷達(dá)傳感器直接裝在前保上的方案，同時(shí)考慮前保成本和重量因素，以及前保和雷達(dá)拆裝及維修便利性，綜合考慮最終選擇了雷達(dá)傳感器裝在前防撞梁上的方案。

4.2 裝配工藝優(yōu)化

對(duì)于雷達(dá)傳感器裝在前防撞梁上的方案，雖然Z向面和X向面波動(dòng)相對(duì)雷達(dá)傳感器裝在前保上的方案有了很大改善，但是 Z向面的波動(dòng)超差率仍有 0.51%，且 6σ為±1.08°，大于±1.0°的控制要求?？紤]到制造工廠對(duì)雷達(dá)傳感器標(biāo)定合格率的嚴(yán)格要求和雷達(dá)傳感器的不便返修的特性，制造工廠要求雷達(dá)傳感器一次裝配合格率滿足 6σ要求，即99.73%的合格率。所以針對(duì)雷達(dá)傳感器的裝配工藝方案進(jìn)一步優(yōu)化。

如圖9所示，對(duì)分析結(jié)果的主要貢獻(xiàn)因子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)貢獻(xiàn)最大的前三個(gè)因子均為前防撞梁相關(guān)公差，貢獻(xiàn)度合計(jì)達(dá)到 53.1%，所以考慮進(jìn)一步從防撞梁和雷達(dá)支架的打緊方向進(jìn)行方案優(yōu)化。

圖9 雷達(dá)傳感器角度波動(dòng)的貢獻(xiàn)因子分析

一般來(lái)講，打緊面積越大，零件定位穩(wěn)定性越好，所以對(duì)雷達(dá)支架到前防撞梁上的打緊方式進(jìn)行優(yōu)化，如圖 10所示。雷達(dá)支架的打緊方向從原來(lái)的Z向打緊到前防撞梁優(yōu)化為X向打緊。

圖10 雷達(dá)支架在前防撞梁上打緊方式的優(yōu)化方案

對(duì)雷達(dá)支架打緊方式的優(yōu)化方案進(jìn)一步進(jìn)行整車尺寸鏈分析建模，分析結(jié)果如圖11所示，優(yōu)化后雷達(dá)傳感器Z向面的角度波動(dòng)6σ為±0.9°，小于±1.0°的控制要求，超差率僅為0.07%，滿足99.73%的合格率要求，X向面的波動(dòng)6 σ為±0.64°，超差率為0，同樣也滿足雷達(dá)傳感器角度控制要求。通過(guò)方案優(yōu)化最終雷達(dá)支架打緊到前防撞梁的方向優(yōu)化為X向。

圖11 ACC雷達(dá)裝配工藝方案優(yōu)化結(jié)果

5 小結(jié)

本文面向 ACC自適應(yīng)巡航雷達(dá)的裝配功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)整車 3DCS建模，分析和優(yōu)化了從車身到底盤(pán)的影響 ACC自適應(yīng)巡航雷達(dá)照射角度的尺寸和工藝因素。為 ACC自適應(yīng)巡航雷達(dá)的方案選擇和裝配工藝優(yōu)化提供了有力的理論支持。通過(guò)不同的方案對(duì)比和優(yōu)化，最終確定了 ACC自適應(yīng)巡航雷達(dá)安裝在前防撞梁上的最優(yōu)方案。本文對(duì) ACC自適應(yīng)巡航雷達(dá)安裝工藝方案的尺寸分析研究，對(duì)以后車型各種有角度要求的雷達(dá)系統(tǒng)、前視系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)布置均有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。