智能網(wǎng)聯(lián)汽車毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試研究*

邢星飛， 翟洪濤， 鄭英東， 張志強(qiáng)

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津） 有限公司， 天津 300300）

近年來， 智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)已成為汽車行業(yè)研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)， 同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等競(jìng)相加入， 成為高新技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。 為推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展進(jìn)程， 研究相應(yīng)測(cè)試技術(shù)、 評(píng)價(jià)體系的工作勢(shì)在必行。 智能網(wǎng)聯(lián)汽車集 “感知、決策、 控制、 執(zhí)行” 功能于一體， 其中， 感知系統(tǒng)使車輛獲取外界環(huán)境交通信息， 而毫米波雷達(dá)又作為該系統(tǒng)的重要傳感器， 因此研究測(cè)試毫米波雷達(dá)的真實(shí)性、 準(zhǔn)確性等變得尤為重要。

基于毫米波雷達(dá)的智能駕駛系統(tǒng)已得到各車企廣泛應(yīng)用， 如自動(dòng)緊急制動(dòng)AEB、 自適應(yīng)巡航控制ACC， 為車輛行駛提供安全保障。 硬件在環(huán)測(cè)試憑借成本低廉、 操作靈活等特點(diǎn)成為前期開發(fā)的重要一環(huán)， 其通過I/O口、 CAN線等實(shí)現(xiàn)與攝像頭、 毫米波雷達(dá)、 控制器等相連完成虛擬測(cè)試系統(tǒng)搭建， 可以在預(yù)先設(shè)定的場(chǎng)景中對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車控制算法進(jìn)行測(cè)試。 目前有National Instruments （NI）、 DENSO、dSPACE等建立起了毫米波雷達(dá)在環(huán)仿真模擬器， 提供了很好的試驗(yàn)工具手段與經(jīng)驗(yàn)借鑒。 然而當(dāng)前研究更加關(guān)注于模擬目標(biāo)數(shù)量、 距離方面， 針對(duì)目標(biāo)物反射特性投入較少， 存在目標(biāo)物RCS （Radar Cross Section雷達(dá)反射截面）常量化， 仿真結(jié)果與實(shí)際道路測(cè)試結(jié)果存在較大差異等局限。 因此毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試平臺(tái)需要進(jìn)一步優(yōu)化才能滿足未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車測(cè)試要求。

基于此， 本文結(jié)合目標(biāo)物反射特性搭建出毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)， 使用CarMaker軟件與dSPACE雷達(dá)目標(biāo)模擬器等對(duì)車輛控制器性能進(jìn)行測(cè)試， 并結(jié)合實(shí)車測(cè)試對(duì)本文建立的毫米波雷達(dá)虛擬在環(huán)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 目標(biāo)物反射特性分析

1.1 雷達(dá)反射截面分析

RCS是度量目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強(qiáng)度的一種物理量， 可以定量地表征目標(biāo)對(duì)電磁波反射能力。 關(guān)于雷達(dá)接受天線方面， 通常假設(shè)存在一個(gè)等效的接受面積，該等效的接受面積乘以入射波功率密度便等于雷達(dá)接受功率。 因此， RCS是目標(biāo)物針對(duì)接受天線 “等效接受面積”的擴(kuò)展， 是雷達(dá)針對(duì)目標(biāo)物一種假想等效面積。

雷達(dá)反射截面積可以用平方米來表示， 也可以用分貝平方米表示 （dBsm）， 兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

考慮到目標(biāo)物尺寸遠(yuǎn)大于雷達(dá)波長， 目標(biāo)物總的反射場(chǎng)可以由多個(gè)分散的強(qiáng)反射源疊加計(jì)算。 由于目標(biāo)物表面反射的相位存在隨機(jī)變化的情況， 式 （1） 中的RCS值也將隨著入射角改變而動(dòng)態(tài)變化， 甚至可能出現(xiàn)較小的入射角變化， 目標(biāo)物的RCS值出現(xiàn)數(shù)量級(jí)的改變。 因此亟需建立起不同角度的目標(biāo)物RCS， 盡量真實(shí)還原實(shí)車測(cè)試場(chǎng)景。

1.2 目標(biāo)物RCS包絡(luò)圖

目標(biāo)物RCS的動(dòng)態(tài)變化、 外部空間環(huán)境等因素可引起雷達(dá)接受功率改變， 基于雷達(dá)接受功率與目標(biāo)物RCS之間的數(shù)學(xué)關(guān)系， 建立起雷達(dá)接受功率變化模型， 其中雷達(dá)接受功率可表示為：

式中： P——傳播功率； R——目標(biāo)物與雷達(dá)之間的相對(duì)距離； G——天線增益； λ——毫米波波長； σ——目標(biāo)物的RCS。

當(dāng)目標(biāo)物對(duì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波反射后， 該電磁波便攜帶了目標(biāo)物的反射特性信息。

根據(jù)公式 （2）， σ與接受功率P， 同雷達(dá)相對(duì)縱向距離R存在等式關(guān)系， 因此在實(shí)際的毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器仿真中， 是通過控制毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的發(fā)射天線的功率來模擬目標(biāo)物反射情況， 使得被測(cè)毫米波雷達(dá)傳感器探測(cè)到的接受功率與目標(biāo)物的實(shí)際RCS值相符， 配合毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器的天線轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在不同角度下RCS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

為獲取目標(biāo)物不同角度的RCS值， 本文選取76GHz真實(shí)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)信息， 為硬件在環(huán)仿真測(cè)試提供支撐。 目標(biāo)物靜止放置于測(cè)試場(chǎng)地， 測(cè)試車輛以10km/h速度從遠(yuǎn)處逐漸靠近目標(biāo)物， 定義測(cè)試車輛與目標(biāo)物 “頭對(duì)頭” 時(shí)的角度為0°， 每30°順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)目標(biāo)物的朝向， 測(cè)試方法如圖1所示。

圖1 目標(biāo)物RCS測(cè)試方法

依據(jù)上述測(cè)試方法便可得到關(guān)于目標(biāo)物不同角度的RCS數(shù)據(jù)斷點(diǎn)， 編輯設(shè)置虛擬目標(biāo)物信息導(dǎo)入到CarMaker軟件， 便可構(gòu)建出如圖2所示的行人、 車輛、 踏板式二輪車的RCS包絡(luò)圖。

圖2 RCS設(shè)置界面及不同目標(biāo)物RCS包絡(luò)圖

2 毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測(cè)試系統(tǒng)

相比于軟件仿真， 該測(cè)試平臺(tái)基于Carmaker場(chǎng)景信息通過驅(qū)動(dòng)天線電機(jī)改變發(fā)射角度， 利用雷達(dá)回波發(fā)生器（ARSG） 產(chǎn)生電磁波信號(hào)傳送給真實(shí)的雷達(dá)。 同時(shí)將控制器通過I/O口與dSPACE機(jī)柜相連， 編輯不同的測(cè)試用例，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象系統(tǒng)的、 全面的硬件在環(huán)仿真測(cè)試， 其測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 毫米波雷達(dá)在環(huán)虛擬測(cè)試平臺(tái)

首先， 毫米波雷達(dá)安裝在暗室臺(tái)架上發(fā)射電磁波信號(hào)，部分信號(hào)被收發(fā)天線接收， 其余信號(hào)被暗室內(nèi)的吸波材料吸收。 接收的信號(hào)降頻后被數(shù)據(jù)處理器分析， 通過對(duì)信號(hào)延時(shí)和多普勒頻移等， 生成包含目標(biāo)物距離、 速度、 角度以及反映目標(biāo)物特性RCS的信號(hào)， 同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤等執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 來模擬發(fā)射真實(shí)的電磁波信號(hào)。 雷達(dá)接收到虛擬目標(biāo)信息后， 通過CAN通信的方式傳遞給控制器， 控制器經(jīng)過算法計(jì)算得出控制指令， 再通過CAN總線發(fā)回dSPACE實(shí)時(shí)機(jī)柜， 驅(qū)動(dòng)虛擬車輛模型， 進(jìn)而搭建出閉環(huán)的毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 毫米波雷達(dá)在環(huán)實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)由載有毫米波雷達(dá)的測(cè)試車輛、 陀螺儀RT3000及機(jī)器人控制器組成， RT3000可以獲得試驗(yàn)車輛的位置、 速度、 偏航角等信息， 同時(shí)可以利用控制器計(jì)算出試驗(yàn)車與目標(biāo)物的相對(duì)距離、 速度等。 這套設(shè)備具有高精度、 低時(shí)延的特點(diǎn)， 經(jīng)常用來驗(yàn)證攝像、 雷達(dá)等傳感器和ACC、 AEB等控制器。

該實(shí)車測(cè)試系統(tǒng)原理為： 載有毫米波雷達(dá)的測(cè)試車輛按設(shè)定的測(cè)試用例行駛， 利用陀螺儀和控制器獲取本車與目標(biāo)車輛的相對(duì)距離、 速度等數(shù)據(jù)信息， 并記錄AEB、ACC等功能觸發(fā)前后本車的速度、 減速度變化曲線等。 測(cè)試原理如圖4所示。

圖4 毫米波雷達(dá)在環(huán)實(shí)車測(cè)試原理

3 仿真與實(shí)車對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證毫米波雷達(dá)虛擬在環(huán)測(cè)試平臺(tái)的可行性， 本文利用德國IPG公司開發(fā)的CarMaker軟件搭建仿真測(cè)試場(chǎng)景，利用dSPACE毫米波雷達(dá)目標(biāo)模擬器來仿真目標(biāo)物動(dòng)態(tài)信息。 同時(shí)為了更好地對(duì)比驗(yàn)證效果， 結(jié)合實(shí)車在相同的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行比較， 來驗(yàn)證虛擬測(cè)試平臺(tái)的可信性。

3.1 行人橫穿測(cè)試驗(yàn)證

本文結(jié)合ADAS控制器的AEB、 ACC等功能展開測(cè)試，控制器和傳感器硬件均由國內(nèi)某主機(jī)廠提供。 測(cè)試用例選擇CCRT （中國汽車消費(fèi)者研究與評(píng)價(jià)規(guī)程） 中行人橫穿的場(chǎng)景， 如圖5所示。 試驗(yàn)車輛設(shè)置車速為40km/h， 當(dāng)試驗(yàn)車輛與行人軌跡TTC為3.6s時(shí)， 行人以5km/h速度出發(fā)， 來驗(yàn)證車輛的識(shí)別與響應(yīng)能力。 記錄試驗(yàn)車輛相對(duì)縱向距離、本車車速、 本車與行人相對(duì)速度變化情況， 并與實(shí)車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證， 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖5 行人橫穿測(cè)試場(chǎng)景示意圖

圖6 相對(duì)縱向距離變化曲線圖

圖7 本車車速變化曲線圖

圖8 本車與行人相對(duì)速度變化曲線圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果， 在行人橫穿的場(chǎng)景下， 車輛AEB功能可正常作用， 表明車輛可識(shí)別目標(biāo)物并減速制動(dòng)， 虛擬測(cè)試可較好地反映實(shí)車測(cè)試結(jié)果， 但由于行人橫穿的突發(fā)性導(dǎo)致車輛未能提早制動(dòng)。 根據(jù)相對(duì)縱向距離變化圖可知，車輛與行人發(fā)生了碰撞， 發(fā)生碰撞時(shí)虛擬測(cè)試的相對(duì)碰撞速度為10.4m/s， 發(fā)生碰撞時(shí)實(shí)車測(cè)試的相對(duì)碰撞速度為10.2m/s。 其中， 本車車速、 前車與行人的相對(duì)車速變化曲線在虛擬與實(shí)車測(cè)試中表現(xiàn)相對(duì)一致。

3.2 前方車輛慢行測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證前方目標(biāo)物為車輛時(shí)的測(cè)試效果， 試驗(yàn)車輛以60km/h速度駛向20km/h慢行的目標(biāo)車輛， 分別記錄試驗(yàn)車輛相對(duì)縱向距離、 本車車速、 本車與前車相對(duì)速度變化情況， 并與實(shí)車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證， 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 相對(duì)縱向距離變化曲線圖

圖10 本車車速變化曲線圖

圖11 本車與前車相對(duì)速度變化曲線圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果， 在前車20km/h慢行后車60km/h跟隨情況下， 車輛ACC功能可正常開啟并作用， 虛擬測(cè)試可較好地反映實(shí)車測(cè)試結(jié)果。 其中， 達(dá)到穩(wěn)定跟車時(shí)虛擬測(cè)試的相對(duì)縱向距離為12m， 實(shí)車測(cè)試為14m； 并且本車車速、 前車與本車的相對(duì)車速變化曲線在虛擬與實(shí)車測(cè)試中比較吻合。

3.3 前方二輪車慢行測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證前方目標(biāo)物為二輪車時(shí)的測(cè)試效果， 試驗(yàn)車輛以80km/h速度駛向30km/h慢行的二輪車， 分別記錄試驗(yàn)車輛相對(duì)縱向距離、 本車車速、 本車與目標(biāo)二輪車相對(duì)速度變化情況， 并與實(shí)車測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證， 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 相對(duì)縱向距離變化曲線圖

圖13 本車車速變化曲線圖

圖14 本車與二輪車相對(duì)速度變化曲線圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果， 在二輪車30km/h慢行后車60km/h跟隨情況下， 車輛ACC功能可正常作用， 表明車輛可識(shí)別目標(biāo)物并減速跟車， 虛擬測(cè)試可較好地反映實(shí)車測(cè)試結(jié)果。 其中， 達(dá)到穩(wěn)定跟車時(shí)虛擬測(cè)試的相對(duì)縱向距離為16m， 實(shí)車測(cè)試為18.9m； 并且本車車速、 前車與目標(biāo)物的相對(duì)車速變化曲線在虛擬與實(shí)車測(cè)試中相對(duì)吻合， 驗(yàn)證了該虛擬測(cè)試平臺(tái)具有可行性。

4 結(jié)論

本文首先分析毫米波雷達(dá)目標(biāo)反射特性， 繪制出了不同類型目標(biāo)物不同角度下的RCS包絡(luò)圖。 同時(shí)聯(lián)合CarMaker、dSPACE搭建了毫米波雷達(dá)在環(huán)測(cè)試平臺(tái)， 聯(lián)合陀螺儀、 控制器等搭建了實(shí)車測(cè)試平臺(tái)， 并結(jié)合CCRT評(píng)價(jià)規(guī)程中的測(cè)試用例針對(duì)ADAS控制器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 虛擬測(cè)試平臺(tái)的車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng) （與目標(biāo)物的相對(duì)縱向距離、本車車速、 相對(duì)速度變化等） 可很好地反映實(shí)車測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了該虛擬測(cè)試平臺(tái)具有可行性。