激光測距雷達及智能時代

1、激光測距雷達與智能時代激光測距雷達與智能時代1 概述2 雷達測距的組成元件3 雷達測距的工作原理4 雷達測距的性能指標5 幾種常見的測距雷達6 雷達測距的發(fā)展趨勢1 概 述 安全性是汽車最基本也是最重要的性能，對乘員的安全保護是汽車發(fā)展所追求的永恒主題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多智能化技術(shù)被廣泛應用到汽車安全裝置上。 汽車安全裝置分為主動安全裝置和被動安全裝置。 主動安全裝置是指為避免交通事故的發(fā)生而主動采取的有效配備， 如車輪的防抱死制動系統(tǒng)ABS、 電腦控制行駛平穩(wěn)系統(tǒng)ESP、 加速防滑控制系統(tǒng)ASR、 電腦控制循跡控制系統(tǒng)ETS; 被動安全裝置則是指事故發(fā)生時保護乘員安全的裝備系統(tǒng)， 如安

2、全帶自動拉緊裝置、防撞安全氣囊、車門內(nèi)置防撞橫梁、車身防撞 能量局部吸收等安全裝置。 雷達測距防撞控制系統(tǒng)雷達測距防撞控制系統(tǒng)(Distronic(Distronic，簡稱，簡稱DTR)DTR)屬于汽車主動安全裝置，是當前國際汽車安全領(lǐng)域研究的熱點之一。 汽車防碰撞技術(shù)首先需要解決的問題是汽車之間的安全距離。汽車與汽車之間的距離小于安全距離，就應該能夠自動報警，并采取制動措施。 目前，測定汽車之間安全距離的方法有三種:超聲波測距、毫米波雷達測距和激光測距， 防撞雷達系統(tǒng)裝配在車輛的前方、側(cè)方或者后方，完成前視防撞(防追尾碰撞)、側(cè)視防撞(防更換車道時兩車相撞)和后視防撞(防倒車時與車后阻礙物相

3、撞)等側(cè)重點各異的功能。 主要功能：主要功能：防撞預警，輔助停車，盲點探測等，n為完成上述功能所應達到的技術(shù)要求是系統(tǒng)應具有測距、測距、測速、測角測速、測角的功能。n下圖為奔馳車距監(jiān)控防撞系統(tǒng)，奔馳車距監(jiān)控防撞系統(tǒng)，可以在車輛停車和倒車時檢測車輛前、后、側(cè)面的障礙物距離，在靠近障礙物時會發(fā)出聲音警報。 圖1.1 系統(tǒng)示意圖2 雷達測距控制系統(tǒng)的組成DTR雷達控制模塊DTR雷達傳感器（激光雷達、 毫米波雷達傳感器）DTR電腦可變巡航控制(CC)開關(guān)DTR開關(guān)座(具有距離測量電位差計和警報信號消除開關(guān))信息聯(lián)絡(luò)(CAN)(用于儀板上的顯示裝置及警報信號 發(fā)布裝置和各種控制機構(gòu)的信息聯(lián)絡(luò))天線、發(fā)射

4、/接受組件中頻信號處理裝置電源及報警顯示雷達測距系統(tǒng)的組成框圖雷達測距系統(tǒng)的組成框圖1.收發(fā)天線收發(fā)天線可安裝于車輛保險杠內(nèi)，向車前方發(fā)出發(fā)射信號，并接收反射信可安裝于車輛保險杠內(nèi)，向車前方發(fā)出發(fā)射信號，并接收反射信 號號2.射頻收發(fā)前端射頻收發(fā)前端是雷達系統(tǒng)的核心部件，負責信號調(diào)制是雷達系統(tǒng)的核心部件，負責信號調(diào)制.，射頻信號的發(fā)射接，射頻信號的發(fā)射接收及接收信號解調(diào)收及接收信號解調(diào)3.信息處理模塊信息處理模塊自動分析，計算出與前方車輛間的距離和相對速度，并且防自動分析，計算出與前方車輛間的距離和相對速度，并且防止轉(zhuǎn)彎時錯誤測量臨近車道車輛的情況發(fā)生止轉(zhuǎn)彎時錯誤測量臨近車道車輛的情況發(fā)生4.

5、汽車控制裝置汽車控制裝置： 即控制汽車的自動操作系統(tǒng)，達到自動即控制汽車的自動操作系統(tǒng)，達到自動減速慢速行車，或緊急剎車。通過限制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎減速慢速行車，或緊急剎車。通過限制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速5.報警系統(tǒng)報警系統(tǒng)：安裝在駕駛室前部，精確顯示前方障礙物的距離值，：安裝在駕駛室前部，精確顯示前方障礙物的距離值，面板上的數(shù)字鍵，可根據(jù)實際情況設(shè)定保京距離值，還有特殊輸面板上的數(shù)字鍵，可根據(jù)實際情況設(shè)定保京距離值，還有特殊輸出接口，當系統(tǒng)報警時，該接口會輸出出接口，當系統(tǒng)報警時，該接口會輸出TTL電平，可用

6、于自動剎車電平，可用于自動剎車開發(fā)開發(fā)3.雷達測距的基本原理n工作原理：在車輛行駛中，雷達窄波束向前發(fā)射電磁波信號，當發(fā)射信號遇在車輛行駛中，雷達窄波束向前發(fā)射電磁波信號，當發(fā)射信號遇到目標時，被反射回來被同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理，可用其差拍信號到目標時，被反射回來被同一天線接收，經(jīng)混頻放大處理，可用其差拍信號間來表示雷達與目標的距離，再根據(jù)差頻信號相差與相對速度關(guān)系，計算出間來表示雷達與目標的距離，再根據(jù)差頻信號相差與相對速度關(guān)系，計算出目標對雷達的相對速度，微處理器將上述兩個物理量代入危險時間函數(shù)數(shù)字目標對雷達的相對速度，微處理器將上述兩個物理量代入危險時間函數(shù)數(shù)字模型后，既可算出危險

7、時間，當危險程度達到各種不同等級時，分別輸出報模型后，既可算出危險時間，當危險程度達到各種不同等級時，分別輸出報警信號或通過車輛控制電路去控制車速或剎車。當距離過近時，有些車型警警信號或通過車輛控制電路去控制車速或剎車。當距離過近時，有些車型警告喇叭會響起，以警告駕駛者注意前方障礙物已經(jīng)接近車體，同時告喇叭會響起，以警告駕駛者注意前方障礙物已經(jīng)接近車體，同時DTR電腦電腦會通過車身電腦網(wǎng)絡(luò)會通過車身電腦網(wǎng)絡(luò)CAN-BAS與發(fā)動機與發(fā)動機ECU、變速器、變速器ECU及及ESP(車輛穩(wěn)定車輛穩(wěn)定行駛系統(tǒng)行駛系統(tǒng)) 、ABS剎車系統(tǒng)剎車系統(tǒng)ECU，通過限制發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用，通過限制發(fā)動機

8、輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)剎車作用力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速。若前方無障礙物（力及變速箱擋位，控制定速巡航的車速。若前方無障礙物（100米為限）則警米為限）則警告燈會熄滅，車子便會加速至預設(shè)的巡航速度告燈會熄滅，車子便會加速至預設(shè)的巡航速度n裝有避撞雷達的汽車上了高速公路以后，駕駛員啟動車上的避撞雷達。雷達選定好跟隨的汽車以后，被跟隨的汽車就成了后面汽車的“目標車”，無論加速，減速，停車，啟動，后面的汽車都會在瞬間之內(nèi)知曉，如果前面的汽車行駛一段時間之后，不再適合于自己的“目標車”，駕駛員可以重新選擇另一輛“目標車”。汽車防撞系統(tǒng)流程圖汽車防撞系統(tǒng)流程圖 圖3.3 脈沖雷達測距原理圖測距公式: R

9、=(1/2)c*T其中R為兩車的相對距離, c為光速, T為從發(fā)射激光束到接受激光的時間間隔.n信號的瞬時頻率隨時間線性變換，當前方有單目標回波時，發(fā)射信號和反射信號將進行混頻，混頻后得到的信號中含有目標的相對距離和相對速度的信息。 n現(xiàn)記f0作為發(fā)射信號中心頻率，B為頻帶寬度，T為掃頻周期，調(diào)制信號為三角波，c為光速，R和V分別為目標的相對距離和相對速度。在發(fā)射信號的上升段和下降段，中頻輸出信號可以表示為: 若忽視汽車與目標間的相對速度,則兩車的距離可以表示為: R=(1/2)c*T其中R為相對距離, c為光速, T為從發(fā)射到接受的時間間隔.存在的問題問題一：由于采用單脈沖雷達，只能測量距離

10、，角度，不能判定被測物的由于采用單脈沖雷達，只能測量距離，角度，不能判定被測物的類別和性質(zhì)，并且隨著路面的變化和車輛的運動。導致目標失蹤。類別和性質(zhì)，并且隨著路面的變化和車輛的運動。導致目標失蹤。 改進對策：采用雙脈沖雷達，利用激光反射的相干性，使用激光全息攝像技改進對策：采用雙脈沖雷達，利用激光反射的相干性，使用激光全息攝像技術(shù)，對被測物進行全息攝像，經(jīng)術(shù)，對被測物進行全息攝像，經(jīng)CPU模擬處理，辨別確定被測物的類別和性模擬處理，辨別確定被測物的類別和性質(zhì)，質(zhì)，已擴束的激光已擴束的激光1全息傳感器全息傳感器2全息傳感器全息傳感器1n問題二一般所說的雷達為一次雷達，通過目標的二次散射功率來發(fā)現(xiàn)

11、 目標。二次散射功率取決于目標接收到的功率和目標的雷達截面積。由于雷達截面積與目標的材質(zhì)(導電性能)、幾何形狀、尺寸、雷達波束的照射方向以及載波頻率等諸多因素有關(guān)，不確定性太大，要求雷達接收機有很大的動態(tài)范圍。而且，二次散射功率向全空間輻射，返回雷達接收天線的功率只占很小一部分，回波功率太弱會降低雷達作用距離。n改進策略：采用雙機應答式測距采用雙機應答式測距n甲機所完成的功能與一次雷達相同，向目標車輛發(fā)射信號、接收信號，然后計算車甲機所完成的功能與一次雷達相同，向目標車輛發(fā)射信號、接收信號，然后計算車距。乙機位于目標車輛的尾部，其接收甲機發(fā)射來的頻率為距。乙機位于目標車輛的尾部，其接收甲機發(fā)射

12、來的頻率為F1的信號，經(jīng)放大，變的信號，經(jīng)放大，變換到頻率換到頻率F2后再回發(fā)給甲機，對信號進行透明轉(zhuǎn)發(fā)。后再回發(fā)給甲機，對信號進行透明轉(zhuǎn)發(fā)。(甲機發(fā)射頻率即為乙機接收甲機發(fā)射頻率即為乙機接收頻率，甲機接收頻率即為乙機發(fā)射頻率，頻率，甲機接收頻率即為乙機發(fā)射頻率，4.雷達測距的性能指標n1最大探測距離n2測距精度n3最小探測距離n4方位精度n5其他特殊情況最大的探測距離最大的探測距離激光射束形狀和掃描區(qū)域 彎道的探測情況彎道的探測情況垂直方向探測區(qū)域垂直方向探測區(qū)域探測領(lǐng)域隨發(fā)射接收光面的沾污而劣化探測領(lǐng)域隨發(fā)射接收光面的沾污而劣化5. 幾種常見的雷達測距n5.1 毫米波雷達測距n5.2 激光

13、雷達測距n5.3 超聲波倒車雷達 汽車各種測距方式主要技術(shù)參數(shù)對比表汽車各種測距方式主要技術(shù)參數(shù)對比表5.1毫米波雷達測距 防撞雷達,防止汽車追尾n對于車載雷達,一般選用60GHz 、 120GHz 、 180GHz波段,對應的波長為毫米級,故成為毫米波雷達.n特點：毫米波雷達采用的是波長在1厘米以下，頻率30GHZ以上的高頻電磁波，波長短，沿直線傳播且穿透能力強，幾乎不受氣象條件的影響。n不但可以探測目標的距離，還可測出相對速度和方位。n價格昂貴，n需要防止電磁波干擾由于存在其它通訊設(shè)施電磁波干擾以及雷達裝間的相互影響,容易發(fā)生誤動作. 雷達向空間發(fā)射一定重復周期高脈沖,當遇到目標,目標反射

14、回來的反射波將滯后與發(fā)射高頻脈沖一個時間差Tr和一個頻移(多譜勒頻移)Fa,根據(jù)雷達可以測出這個數(shù)據(jù),就可以依據(jù)以下公式斷定目標位置: R=1/2C*Tr; R-目標到雷達的距離; Fa=2Vr/ C-光速; Tr-電波往返目標與雷達的時間間隔; Fa-多譜勒頻移; -雷達波波長; Vr-雷達與目標的相對速度 5.2 激光測距雷達n原理同毫米波雷達測距，用窄激光束對某一地區(qū)進行掃描。n特點：快，準，遠，抗干擾，無盲區(qū)，測距精度可達厘米甚至毫快，準，遠，抗干擾，無盲區(qū)，測距精度可達厘米甚至毫 米級，比微波雷達高近米級，比微波雷達高近100倍，測角精度理論上比微波雷達高一義倍倍，測角精度理論上比微

15、波雷達高一義倍以上。以上。n 遇到下雨或大霧等惡劣天氣，穿透能力差，導致無法使用遇到下雨或大霧等惡劣天氣，穿透能力差，導致無法使用圖3.2 激光雷達方框圖激光雷達的組成如下圖所示:防追尾碰撞激光報警裝置n該裝置結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。包括發(fā)光部、受光部、計算車間距離的激光雷達、信號處理電路、顯示裝置、車速傳感器等構(gòu)成。 圖3.4 報警裝置的車載狀態(tài) n激光鏡頭使用脈沖狀的紅外激光束向前方照射，并利用汽車后部反光鏡的反射光，通過受光裝置檢測其距離，如圖3.5所示。使用汽車反光鏡，檢測距離約l00m，最大檢測寬度35m以上。為了能區(qū)分出道路兩側(cè)的樹木橋墩和車輛前方真正的障礙物，可采用三光束工作方式，通

16、過控制電路的控制，三個激光束中的左右激光束，取其35m以上，寬度控制在3.5m，中央激光束的檢測距離取其200米以上，這樣就能夠更早地檢測插入車流的車輛，并發(fā)出警報，同時它還能抑制彎道上的標識物而發(fā)出報警，使之達到最優(yōu)狀態(tài)，如圖3.6所示。 圖3.5 激光通過路線圖 3.6檢測范圍和報警發(fā)生范圍掃描式激光雷達 n最早的前方用激光雷達都是發(fā)出多股激光光束，并依靠前行車反光鏡的反射時間來測定其距離。但是由于要對前方車輛進行辨別，因而開始采用掃描式激光雷達，如圖3.7所示。 n 這樣，不但至前方車的距離可測，而且其橫向方向的位置也可以檢測出來。此技術(shù)的進一步發(fā)展，可使掃描角度成360。這時，如果在車

17、輛四角設(shè)置類似的掃描式激光雷達，那么車輛四周的障礙物都可以測出。 圖3.7掃描式激光雷達 5.3 超聲波電子倒車雷達圖4.1 倒車雷達位置示意圖超聲波測距特點：n優(yōu)點：1對雨，雪，霧穿透能力強，衰減小， 2測距原理簡單，制作方便，成本低，n缺點：n 1 超聲波的傳播速度相對電磁波來說慢的多，當汽車在高超聲波的傳播速度相對電磁波來說慢的多，當汽車在高 速公速公 路上以每小時上百公里速度行駛時，超聲波測距無法跟上車距實時變路上以每小時上百公里速度行駛時，超聲波測距無法跟上車距實時變化，誤差大?；`差大。n 2. 方向性差，發(fā)散角大。由于發(fā)散使能量大大降低，另一方面方向性差，發(fā)散角大。由于發(fā)散使能

18、量大大降低，另一方面使分辨力下降，導致將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測量目標使分辨力下降，導致將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測量目標n結(jié)論：由于上述問題，超聲波雷達應用在汽車倒車方面。在倒車過程中，可實現(xiàn)對汽車尾部左后，右后數(shù)米以內(nèi)障礙物和突然闖入危險區(qū)域內(nèi)的行人的自動探測并告警。n n超聲波測距原理: S=CT/2 T為自發(fā)射出超聲波到接收到反射回波的這段時間差,C是超聲波的聲速,在標準狀態(tài)下=340/。 圖4.2超聲波測距原理n超聲波電子倒車雷達的組成: 探頭(感應器):發(fā)出和接收超聲波信號,具有聲電 和電聲轉(zhuǎn)換功能. CPU:對于檢測到的信號作出反應并發(fā)出相應的指令. 放大設(shè)備:用于放大超聲波信號. 顯示設(shè)備和語音報警設(shè)備. 圖4.3倒車雷達硬件電路框圖 4.4 幾款