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雷达传感器在中国汽车应用中的6大功能

现阶段,中国量产的自动驾驶车型多位于L2阶段,L2阶段通过传感器确定周围驾驶环境,进行车路、行人及道路感知,在感知信息的基础上进行警示或制动等动作,辅助驾驶员安全驾驶,因而,雷达传感器为该自动驾驶阶段最核心的组成部分。雷达传感器通过TOF或FMCW技术探测物体的相对位置、相对速度、相对角度,并在算法和决策平 台的辅助下实现如AEB紧急自动制动、FCW前向碰撞预警、BSW盲区监视等十多项功能。


1、AEB(自动紧急制动)功能

定义:AEB是ADAS系统的重要功能,共分为三个档次:

(1)FCW,当存在潜在的碰撞危险时,AEB系统将会及时通过视觉、听觉和/或触觉报警(例如座椅震动)通知驾驶员;

(2)二级警报,若驾驶员无法应,则出现限速自动提示;

(3)自动介入刹车,必要的情况下由AEB自动控制刹车系统,完成制动操作,从而减轻或避免碰撞伤害,该功能在7-180km范围内均可启动。

根据美国公路安全保险协会数据,AEB系统可将追尾事故发生的概率降低56%

分类:(难度由低→高)

根据事故类型,E-NCAP将AEB系统分为三类:

1.城市专用AEB系统——多发生在交通拥堵的路口,速度慢(<20km/h),碰撞程度低;

2.高速公路专用AEB系统——多发生于驾驶员疲劳的高速(50-80km/h)驾驶场景;

3.行人保护专用AEB系统——检测行人与自行车,需预测其运算路径,算法复杂。

前两者更适合使用毫米波雷达,而第3种需在前两者的基础上进行图像捕捉,因而需补充摄像头。

工作原理:AEB可通过视觉传感器、毫米波雷达和激光雷达等技术实现,雷达传感器或摄像头传感器测出前车或障碍物距离,数据分析模块将测出距离与安全距离、警报距离进行比较,当距离过小时,AEB系统则会发出碰撞预警,若驾驶员未能及时进行制动操作,AEB系统将对刹车系统发出刹车请求,实现自动制动。

毫米波雷达:具备全天候全天时工作优势,但存在横向辐射盲区。

激光雷达:除探测距离长外,还可测量横向位置,但易受天气影响。

视觉传感器:具备明显成本优势,但识别准确度仍需提升,且受天气影响大。

成本:单摄像头版AEB成本约600元,毫米波雷达版成本约1,500元,激光雷达版本成本则过万。

综合性能和成本情况考虑,AEB系统最佳传感器配置为“毫米波雷达+视觉传感器”组合。

发展现状分析截至2019年上半年,中国AEB配置的装车渗透率约为9%,主要搭载在20万元及以上的外资品牌车型上,如奔驰Pre-safe、沃尔沃City safety、大众Front Assist、丰田PCS。


随着2018版C-NCAP逐渐实施,未来3年AEB系统在中国市场的需求将迎来爆发式增长。


2、BSW(盲区监视)功能

定义:BSW系统通过在车辆后部安装两颗毫米波雷达以探测后视镜盲区范围,当探测到盲区内存在障碍物则向驾驶员发出警报,辅助进行变道或减速。BSW系统基本功能包括两项:

(1)BSW盲区监测,使用毫米波雷达进行盲区障碍物监测,并提供视觉、听觉警报服务;

(2)LCA变道辅助,在车辆变道过程中,探测相邻车道是否有车辆快速接近的系统,并发出警告。工作条件:行驶速度>15km/h,或转弯半径>100m。

盲区是汽车设计最大的缺陷之一,根据美国国家公路交通安全管理局数据,每年有80多万起与盲点有关的安全事故发生,其中约300件导致死亡车祸。这也是BSW系统存在的重要原因。

分类(按应用场景划分)

SBSD侧面盲区监测

STBSD转向盲区监测

功能拓展(开发难度由低→高)

1.RCTA在倒车时,实时监测车辆后部横向接近的障碍物,并发出警告。

2.DOW在即将开启车门时,实时检测车辆侧后方障碍物,并发出警告。

3.RCTB在倒车时,实时监测车辆后部横向接近的障碍物,必要时主动进行制动。

发展现状分析此外,根据2019年9月发布的《美国消费者报告》显示,BSW系统在ADAS辅助安全系统中避险百分比最高,可避免60%的车祸。因而,BSW是ADAS系统中配置率较高的一项功能,截至2019年上半年,其在中国市场的渗透率为17%,其中,价格在40万元以上的汽车车型的渗透率最高,达到56%,BSW选配价格在5,000-7,000元之间。


3、ACC(自适应巡航)功能

定义:ACC系统是一种智能化的自动控制系统,借助外部传感器(毫米波雷达、摄像头、激光雷达等)检测自车与前方车辆的距离和相对速度,并控制自身车速和前车保持固定的距离。假设前车变道离开,在未识别到新的目标物之前,ACC系统会控制车辆按照设定的车速行驶。

ACC既可适用于低速场景(TJA交通拥堵辅助),也可适用于高速场景(ICA智能巡航辅助)。

应用场景

工作流程分析ACC系统利用传感器得到行车所需信息,当发现前车减速或出现新目标时,电控单元将发送执行信号给发动机或制动系统,做出保持车距或自动制动等相关动作。若前方没有车辆,则恢复设定车速。

因涉及到汽车的自动制动,ACC系统还需协调发动机管理系统、自动变速箱控制器、电子稳定程序等部件进行工作。

1、最常用的安全距离模型为车间安全时距模型,即跟车距离以时间为单位设置,通常为1-2.5s。

2、需辅助车道识别单元、转向角传感器、横摆率传感器、车轮转速传感器等多部件进行判断。

3、ACC系统的自动制动力为车辆最大制动力的30%-40%,位于0.3-0.4g之间。若系统判定需要急刹(>最大制动力的40%)时,仪表上将会出现视觉信号并发出蜂鸣警报。

备注:此处的“前方”指毫米波雷达的探测距离,一般为200米


4、PA(停车辅助)功能

定义与原理:

PA系统通过安装在车身上的超声波雷达及摄像头探测停车位置,绘制停车地图,并实时动态规划泊车路径,将汽车指引或直接自动控制方向盘将汽车驶入停车位置。

工作原理:PA系统通过搜索泊车位、生产泊车路径和运动控制三大功能,实现自动泊车辅助。当汽车行驶速度低于30km/h时,其搜索功能将自动打开,在搜索到合适车位后,ECU将从速度和运动两方面进行泊车轨迹模拟。最后,控制器将对汽车进行横向和纵向控制,从而完成泊车动作。

工作流程分析

分类(按功能)

PA系统目前已发展至第三代,从最开始的驾驶员必须在车内配合挂挡完成泊车(APA系统),发展到驾驶员可以站在车外5米外使用手机遥控泊车(RPA远程遥控泊车),最后到汽车自主学习泊车路线完成固定车位泊车(自学习泊车),未来将出现第四代PA系统,即AVP代客泊车。


5、LKA(车道保持)功能

定义:LKA系统通过角雷达、多功能摄像头识别本车相对于车道中央的位置,如车辆靠近标识线或偏离车道,则通过方向盘震动或声音来进行警告,必要时通过自动转向干预使车辆回到车道内。

LKA系统包含三项子功能:

(1)LDW,在车道偏离时,通过声音、视觉和震动等方式发出预警;

(2)LDP,在汽车快要驶离车道时,通过施加适当转向干预实现位置修正的系统;

(3)LCC,通过监控汽车与车道中线的相对位置,主动辅助驾驶员保持在车道中线位置,减少驾驶员负担。

产生的必要性

在欧洲,39%的意外交通事故是因偏离车道而产生的,在美国这一比例为44%,而中国这一比例更是高达50%。高交通事故发送概率是催生LKA系统出现的重要原因。

根据2019年9月发布的《美国消费者报告》显示,LKA和LDW的避险指数为31%。截至2019年上半年,中国市场的LKA渗透率为26.4%,LDW的渗透率为44.6%。

工作流程分析

LKA系统可分为感知层、决策层和执行层三部分。其中,感知层用于采集车道信息和车辆信息,决策层用于判断是否需要转道并计算输出力矩,执行层为EPS系统,EPS系统使用虚拟驾驶员转向力矩代替扭矩传感器监测到的驾驶员转向力矩,完成车道保持辅助。

适用条件分析LKA系统的缺陷:

1.LKA系统是基于视觉传感器辨认车道线的,如果摄像头被遮挡、车道线不清晰、大雨雾霾等恶劣天气、黑夜等情况都会导降低系统判断精度;

2.LKA系统的转向能力有限,如果车辆的横向偏移速度超过ESP设定,车辆就会跑出车道。



使用限定条件:

1.目前量产的LKA主要适用于高速场景的辅助功能,只有当车辆行驶速度>60km/h才LKA系统才介入工作,并限制该系统在恶劣天气情况下的使用;

2.根据2019年1月颁布的《道路车辆先进驾驶辅助系统(ADAS)术语及定义》的征求意见稿规定,LKA系统激活时引发的车辆横向加速度不大于3m/s2,车辆横向加速度变化率不大于5m/s3。


6、其他功能

除AEB、FCW、BSW、LCA、SBDS、STBSD、ACC、RCTA、DOW、RCTB、APA、RPA、自学习泊车、AVP、LKA、LDW、LDP及LCC功能外,雷达传感器还可应用在HUD、ROA、RCW、PD、SLA、TJA、ICA及智能驾驶司机上。

功能总结

ADAS功能通过传感层、决策层和执行层三个模块实现,其中传感层通过雷达传感器及视觉传感器对环境进行数据采集,是各种辅助驾驶功能实现的基础。

三种雷达传感器性能有所区别,适用的场景也有所不同。其中,超声波雷达能量消耗慢,超声波的穿透性强,但其探测距离短且不适合高速运行,因而只适合自动泊车等低速场景。毫米波 雷达具备全天时全天候的优势,适用于AEB、FCW、BSW、LCA、ACC、LKA等多个应用场景,而激光雷达可360度无死角扫描,从而形成环境三维模型,但其价格昂贵,性价比不高,因而其虽可应用于多个场景,但均未作为最佳选择。

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