車(chē)載毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

馬 濤，張大霖，榮志強(qiáng)，宋玉河

（1.東軟睿馳汽車(chē)技術(shù)（沈陽(yáng)）有限公司，遼寧 沈陽(yáng)，110179；2.東軟睿馳汽車(chē)技術(shù)（大連）有限公司，遼寧 大連，116601）

隨著智能交通系統(tǒng)在全球的廣泛應(yīng)用，無(wú)人駕駛技術(shù)作為信息化與工業(yè)化深度融合的產(chǎn)物為整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了顛覆性的變化。汽車(chē)逐步由代步工具演變成為特殊的移動(dòng)智能終端，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)作為無(wú)人駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)在全球范圍得到了快速發(fā)展[1]。

汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)日益完善，包含多種傳感器，如雷達(dá)、攝像頭等，車(chē)載雷達(dá)包括基于不同技術(shù)（激光、超聲波、微波）的各種不同雷達(dá)。目前，毫米波車(chē)載雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)主要由博世、奧托立夫、電裝、大陸等傳統(tǒng)汽車(chē)零部件巨頭所壟斷[2]。本文主要介紹市場(chǎng)主流毫米波雷達(dá)及其布置要求，并以一款量產(chǎn)的毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)為例，介紹了車(chē)載毫米波雷達(dá)的使用要求、設(shè)計(jì)依據(jù)及試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目。

1 毫米波雷達(dá)介紹

1.1 毫米波雷達(dá)的技術(shù)原理

本文中的毫米波雷達(dá)應(yīng)用于車(chē)前方碰撞警示系統(tǒng)，它可偵測(cè)車(chē)輛前方的物體，由先進(jìn)的警示系統(tǒng)提醒駕駛員，降低事故發(fā)生概率。在車(chē)輛發(fā)生危險(xiǎn)之前，雷達(dá)立刻偵測(cè)前方物體的相對(duì)速度及距離，然后蜂鳴器發(fā)出聲響提醒駕駛員規(guī)避。

雷達(dá)由發(fā)射天線傳送頻率調(diào)變連續(xù)波，信號(hào)經(jīng)目標(biāo)物體被反射，再由接收天線接收（如圖1）。由發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)間的時(shí)間差（Δt）與頻率差（Δf），可以計(jì)算出偵測(cè)目標(biāo)的角度、距離及速度信息，并生成警告信息傳遞給汽車(chē)控制電路，由汽車(chē)控制電路控制汽車(chē)變速器和制動(dòng)器作出應(yīng)對(duì)動(dòng)作，從而避免發(fā)生碰撞。

圖1 雷達(dá)工作原理圖

圖2 雷達(dá)天線架構(gòu)

毫米波雷達(dá)一般擁有三支發(fā)射天線與四支接收天線（如圖2），三支發(fā)射天線中，一支偵測(cè)短距離，兩支偵測(cè)長(zhǎng)距離。這些天線可以偵測(cè)目標(biāo)物的位置，且多天線可以擁有更寬廣的可視角度。

毫米波雷達(dá)具有探測(cè)性能穩(wěn)定、作用距離較遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。與超聲波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。與紅外、激光、攝像頭等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。

1.2 毫米波雷達(dá)參數(shù)

本文以圖3 所示的毫米波雷達(dá)為對(duì)象，進(jìn)行雷達(dá)結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)，此雷達(dá)的頻譜為77GHz，以保證探測(cè)的精度與探測(cè)目標(biāo)的多樣性。

圖3 毫米波雷達(dá)

此款雷達(dá)的基本參數(shù)如表1。

表1 雷達(dá)基本參數(shù)

2 毫米波雷達(dá)布置要求

2.1 毫米波雷達(dá)布置位置

毫米波雷達(dá)一般要求安裝在車(chē)前端水平正中間的位置（如圖4），離地高度依據(jù)毫米波雷達(dá)選型不同而不同，也與布置在商用車(chē)或者乘用車(chē)的位置有關(guān)。目前乘用車(chē)上的離地高度為300~400mm，商用車(chē)上的為600~800mm。

圖4 雷達(dá)布置位置

另外在毫米波雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)范圍內(nèi)需要沒(méi)有金屬遮擋物，且雷達(dá)距離周邊件不小于10mm；雷達(dá)布置角度一般要求為：水平軸誤差在±3°以內(nèi)；垂直軸誤差在±2°以內(nèi)；面內(nèi)旋轉(zhuǎn)誤差在2°以內(nèi)。

完成毫米波雷達(dá)布置還需周邊相關(guān)車(chē)身（如前保險(xiǎn)杠、前格柵、牌照框、前防撞杠等）模型數(shù)據(jù)，車(chē)頭與地平線夾角（車(chē)輛空載、半載、滿載時(shí)）和車(chē)配位置及尺寸等。

2.2 毫米波雷達(dá)安裝形式

毫米波雷達(dá)在整車(chē)上安裝主要有兩種形式。一種為裸露型，即毫米波雷達(dá)在整車(chē)前端可見(jiàn)，此種安裝方式對(duì)毫米波雷達(dá)信號(hào)干擾小，保證毫米波雷達(dá)性能，降低成本，但毫米波雷達(dá)有破損風(fēng)險(xiǎn)；另一種為隱藏型，即毫米波雷達(dá)前面有罩蓋，罩蓋應(yīng)盡可能避免雨雪塵霾、地面污水泥漿、飛沙走石對(duì)毫米波雷達(dá)天線罩的沾污、覆蓋、腐蝕與損傷。毫米波雷達(dá)最好安裝在相對(duì)干凈、散熱較好的空間中，以減小損壞的風(fēng)險(xiǎn)，但是罩蓋設(shè)計(jì)優(yōu)劣影響毫米波雷達(dá)性能。

3 毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)

為了保證毫米波雷達(dá)在整車(chē)上的正常使用，通常要有支架與車(chē)身相連及有雷達(dá)罩蓋以保護(hù)毫米波雷達(dá)。

3.1 毫米波雷達(dá)支架設(shè)計(jì)

毫米波雷達(dá)支架設(shè)計(jì)主要從支架剛性及毫米波雷達(dá)安裝后角度可調(diào)性兩個(gè)方面考慮。目前毫米波雷達(dá)與支架采用螺紋連接或者卡扣連接，支架與車(chē)身一般采用螺紋連接。為了保證毫米波雷達(dá)的可靠性，支架剛性要求是比較高的，本次設(shè)計(jì)采用沖壓鋼板作為支架主體。

另外要保證毫米波雷達(dá)能達(dá)到裝配精度要求，需要支架在X、Y、Z 三個(gè)方向上可以進(jìn)行微調(diào)，所以支架與車(chē)身采用3 點(diǎn)固定（如圖5），且一個(gè)安裝點(diǎn)為可調(diào)節(jié)狀態(tài)，在車(chē)輛下線標(biāo)定時(shí)可以對(duì)毫米波雷達(dá)進(jìn)行角度微調(diào)。

圖5 雷達(dá)支架

3.2 毫米波雷達(dá)罩蓋設(shè)計(jì)

在毫米波雷達(dá)表面設(shè)計(jì)罩蓋，罩蓋設(shè)計(jì)要考慮罩蓋的曲率半徑、罩蓋材料，以及罩蓋與毫米波雷達(dá)之間的距離、毫米波雷達(dá)與罩蓋的安裝角度要求。

毫米波雷達(dá)最好安裝在平坦的保險(xiǎn)杠上，過(guò)彎的保險(xiǎn)杠會(huì)影響毫米波雷達(dá)的功能，對(duì)于罩蓋其水平和垂直方向的曲率半徑建議滿足R＞500mm的要求（如圖6 與圖7）。

圖6 可透電波罩蓋垂直方向

圖7 可透電波罩蓋水平方向

另外罩蓋的材料也有明確要求，以保證毫米波雷達(dá)探測(cè)的準(zhǔn)確性。罩蓋的材料必須避免使用金屬，此外金屬涂料也必須避免用于罩蓋表面涂覆，金屬涂料也會(huì)有屏蔽效果，而屏蔽效果會(huì)影響雷達(dá)信號(hào)。射頻天線的信號(hào)不僅受涂料材質(zhì)影響，也受上漆厚度影響。如果涂料存在著大的衰減因數(shù)，雷達(dá)效能將隨著衰減，毫米波雷達(dá)的效能能夠被罩蓋材質(zhì)與涂料厚度影響，因?yàn)椴煌馁|(zhì)和厚度會(huì)造成雷達(dá)信號(hào)的不同衰減。表2 是建議的罩蓋材料及罩蓋厚度，且罩蓋厚度公差必須控制在5%以下。

表2 罩蓋的材料及罩蓋厚度要求

罩蓋與毫米波雷達(dá)的垂直方向的安裝傾角θ 建議為8°（如圖8），以保證該毫米波雷達(dá)的發(fā)送與接收效果。

圖8 垂直方向安裝傾角

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 毫米波雷達(dá)下線檢測(cè)

目的是通過(guò)測(cè)量毫米波雷達(dá)軸線與車(chē)身行駛方向軸線在水平及垂直方向上的偏差角度，進(jìn)行軟件補(bǔ)償使兩者軸線重合或在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。

首先搭建校正測(cè)量環(huán)境，參照?qǐng)D9。

圖9 基本校正測(cè)量環(huán)境

參數(shù)參考圖9 所示，金屬反射板與毫米波雷達(dá)前表面之間（1.0~2.0m）、金屬反射板后方0.5m的區(qū)域內(nèi)，不允許有任何金屬反射物或任何障礙物。毫米波雷達(dá)垂直方向凈空角度為±20°或凈空高度3.0m，水平方向凈空角度為±70°或1.5倍車(chē)寬。通過(guò)反射板反射目標(biāo)物信號(hào)，可以測(cè)量毫米波雷達(dá)軸線與車(chē)身行駛方向軸線在水平及垂直方向上的偏差角度，該角度可通過(guò)軟件自動(dòng)進(jìn)行水平及垂直角度的補(bǔ)償校準(zhǔn)，如果角度偏差過(guò)大，超出補(bǔ)償范圍，可以通過(guò)支架調(diào)整螺栓對(duì)毫米波雷達(dá)角度進(jìn)行調(diào)整。

4.2 雷達(dá)組件的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB/T 28046.3-2011《道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3 部分：機(jī)械負(fù)荷》與公司《駕駛輔助系統(tǒng)DV 試驗(yàn)計(jì)劃書(shū)》中的規(guī)定，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行并完成了振動(dòng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)件按實(shí)際工作狀態(tài)安裝在專(zhuān)用夾具上，夾具剛性固定在振動(dòng)臺(tái)水平滑臺(tái)（X 向、Y 向）或擴(kuò)展臺(tái)面（Z 向）上（如圖10），振動(dòng)試驗(yàn)采用兩點(diǎn)平均控制方式?？刂泣c(diǎn)均位于夾具上，雷達(dá)上另有監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 個(gè)，試驗(yàn)結(jié)束毫米波雷達(dá)性能測(cè)試通過(guò)。

圖10 試驗(yàn)件在振動(dòng)臺(tái)狀態(tài)

5 結(jié)論

本文通過(guò)介紹車(chē)載毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)組件設(shè)計(jì)，為同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一些啟示，在保證產(chǎn)品使用性能的同時(shí)，也要考慮設(shè)計(jì)合理性、標(biāo)定的可實(shí)施性及產(chǎn)品生產(chǎn)的可靠性。