10.4. Радарные датчики в мехатронных модулях движения автомобилей.

Для повышения безопасности автомоби­лей все шире применяются системы обнару­жения препятствий, например, основанные на радарах.

Так как автомобильный рынок стремится использовать для обнаружения препятствий преимущества различных ме­тодов, в настоящий момент сравнительный анализ технологий активной безопасности весьма актуален.

Системы, основанные на видеокамерах, в автомобильных системах активной безо­пасности являются, пожалуй, доминирую­щей сенсорной технологией.

Видеокамеры позволяют выполнять мно­гие функции систем помощи водителю (СПВ), оценивать скорость и расстояние до впереди идущего автомобиля, осуществлять мониторинг полосы и так далее, но их надеж­ность ограничивается погодными условия­ми и условиями освещения.

Радары, или радарные системы позволяют обнаруживать, отслеживать объекты и обра­батывать изображения.

Основные области автомо­бильных применений радаров сконцентриро­ваны в системах адаптивного круиз-контро­ля (АКК), где они выполняют функции обнаружения объектов и слежения — для предупреждения фронтальных ава­рий. Радарные системы миллиметрового ди­апазона, работающие в диапазоне 76-77 ГГц, с радарами дальнего диапазона (РДД), позволяют детекти­ровать (обнаруживать и распознавать) объ­екты и определять расстояния в диапазоне 1-150 м с разрешением в 1 м, причем при оп­тимальном дизайне могут быть определены расстояние, относительная скорость и угол азимута.

Современные АСС основываются главным образом на радарных системах миллиметро­вого волнового диапазона (включающего ди­апазон 40-300 ГГц, 1-7,5 мм). АСС подразделяются на импульсные и непрерывного дей­ствия, с незатухающей гармонической волной. Последние, в свою очередь, также включают две основные груп­пы: частотно модулированные и систе­мы с рассеянным спектром.

Большинство радаров работает в микровол­новом частотном диапазоне (200 МГц — 95 ГГц, длины волн 0,67 м — 3,16 мм).

АКК на основе радаров устанавливается в автомобили BMW серии 3, Volkswagen Passat, некоторые модели Mitsubishi, Mercedes-Benz, Toyota и др.

Радары 77 ГГц имеют апертурный угол по­рядка 10°. Следующее поколение полноско­ростных АКК требует расширения угла наблюдения для повышения возможности обзора препятст­вий на различных расстояниях. С дополни­тельными датчиками на 24 ГГц АКК более пригодны для реализации функций регулирования жесткости амортизатора, предупреждения непред­намеренного ухода с полосы (ПНУП ), ассистирования в удержании на полосе (АУП), помощи при смене полосы (ПСП), мониторинга «мертвых зон». Среди возможных частотных диапазонов для датчиков автоматического регулирования амортизатора выбрана частотная полоса от 24,00 до 24,25 ГГц.

Окончательная цель автомобильных сис­тем активной безопасности, включая разви­тие радарных функций, — расширить обзор до 360°.

Радары 24 ГГц, работающие на коротких расстояниях (обычно до 20 м), могут быть использованы для систем предотвращения или смягчения аварий. Возможность избежания аварий будет важ­нейшей функцией электронных систем но­вых машин. Так, Mercedes-Benz S-класса обо­рудуются радаром 24 ГГц для жесткого тор­можения при неизбежной аварии.

Важнейшим преимуществом радаров яв­ляется их значительная нечувствительность к погодным условиям, в отличие от лидаров и ультразвуковых датчиков, а также камер видимого и ИК-спектра.

Использование лазерных радаров (лида­ров) представляет собой недорогую альтер­нативу стандартным микроволновым и мил­лиметровым радарным АКК. Например, ли­дары Heila KGaA Hueck & Со предлагают снижение стоимости системы АКК на 50%. Лидары устанавливают на свои автомобили, например, DaimlerChrysler, Toyota и Nissan.

Таким образом, преимущества радаров пе­ред ультразвуковыми, оптическими, лазер­ными и тепловыми методами базируются на следующих особенностях:

• невидимый монтаж за непроводящими ма­териалами;

• работа в любых погодных условиях;

• возможность работы в жестких автомо­бильных условиях;

• быстродействие, возможность параллелизации измерений;

• малая интерференция с другими система­ми;

• практически полное отсутствие старения;

• высокая точность и надежность предостав­ляемой информации.

Тем временем японская компания Honda Motor видит в качестве альтернативы рада­рам, стереовидению и другим сенсорным тех­нологиям 3-мерную технологию Electronic Perception Technology', разработанную Silicon Valley и внедренную Canesta Inc., и планиру­ет применять ее во всех классах своих авто­мобилей. Фирма Honda за последние три года инвес­тировала значительные средства в разработ­ку новых систем автомобильной безопасно­сти на основе технологии ЕРТ. Применения ЕРТ включают обнаружение пассажиров, по­мощь при парковке, обнаружение пешехо­дов, избежание аварий.

Основными компонентами радара являются трансмиттер, антенна и ресивер.

Основная задача радара — это обнаруже­ние объекта в зоне действия радиосигнала, излучаемого трансмиттером, при котором выход ресивера в данное время соответству­ет эху, отраженному от объекта. Трансмит­тер также содержит усилитель, который уве­личивает мощность электромагнитного им­пульса, и антенну, которая транслирует электромагнитные волны. Радиоресивер по­лучает отраженные от объекта электромаг­нитные волны посредством антенны, преоб­разуя их в ток. Для повышения надежности детектирования и отделения полезного сиг­нала от шумов в схеме обработки сигнала не­прерывно выполняется сравнение амплиту­ды выхода ресивера с некоторым предуста­новленным или адаптивно вычисляемым по­рогом. Время, за которое радиоимпульс про­ходит путь до объекта и обратно, соответст­вует расстоянию 2R и равняется 2R/с, где с — скорость распространения электромагнит­ной волны (скорость света). Поскольку ско­рость света с практически неизмен­на в любой среде, очевидны преимущества радаров по точности в сравнении с ультра­звуковыми датчиками.

После того как объект обнаружен, радар отслеживает его положение или скорость. Моностатический радар измеряет положение в сферической координатной системе с на­чальной точкой в фазовом центре антенны радара. Направление обзора антенны (назы­ваемое boresight direction) лежит вдоль оси X. Угол θ называется углом азимута; для анализа положения используется также угол повышения ср, который зависит от ори­ентации антенны (рис.10.6) . В большин­стве современных систем АКК φ можно не учитывать.

Рис.10.6. Сферическая координатная система для радарных измерений

Моностатическим называется радар, в ко­тором антенны трансмиттера и ресивера объ­единены (то есть используется одна и та же антенна). Радары данного типа составляют большинство современных устройств. В бистатическом радаре антенны трансмиттера и ресивера разделены.

Угловое положение определяется путем анализа свойств отраженного волнового сиг­нала. Радар локализует положение цели за счет получения угла азимута относительно опорной линии или точки радарной антен­ны и расстояния range. Угол азимута цели оп­ределяется как угловое расстояние между опорной линией антенны (в направлении перпендикуляра от опорной точки антенны) и прямой, соединяющей опорную точку радарной антенны и апертурную точ­ку цели. Расстояние до цели опреде­ляется как расстояние от антенной опорной точки до цели.

Хотя угол азимута и расстояние позволяют вычислить положение цели, возможны ошибки, возникающие вследствие изменений температуры и флуктуаций напряжения волны. Процентная ошибка между вычисленным и фактическим расстоянием может составлять порядка 10-30%; для ее уменьшения в радарных системах используется калибровка.

Скорость оценивается посредством доплеровского смещения эха цели. Эффект Доплера состоит в изменении частоты и длины волн, регистрируемых ресивером, что вызвано относительным движением их источника (детектируемого объекта) или приемника. Когда радар и объект неподвиж­ны, отраженный сигнал будет иметь ту же частоту, что и оригинальный сигнал, и не­сколько ослабленную амплитуду, то есть скорость, равную нулю, невозможно изме­рить. Когда детектируемый объект удаляет­ся, второй сегмент сигнала проходит боль­шее расстояние, чем первый сегмент, что растягивает волну, уменьшая ее частоту, длина волны при этом увеличивается. Если же объект приближается к условно непо­движному в выбранной системе отсчета ре­сиверу, второй сегмент волны проходит бо­лее короткое расстояние, что увеличивает ча­стоту принятого сигнала, длина волны при этом уменьшается. Регистрируя изменения частоты, радар вычисляет радиальную со­ставляющую скорости объекта, которой яв­ляется проекция скорости на прямую, про­ходящую через объект и радар. Доплеровский метод обеспечивает измерение только радиальной составляющей скорости, но по­следовательность измерений положения и ра­диальной скорости позволяют сделать вывод о динамике объекта в трех измерениях.

Отличительная черта радарной системы — тип используемой техники модуляции для получения информации о расстоянии и ско­рости.

В дальнейшем, по мере уве­личения числа автомобилей, оснащаемых ра­дарами, интерференция будет возрастать, что предполагает в течение следующих несколь­ких лет повышенное внимание автопроизво­дителей к вопросу снижения уровней мощно­стей 24-гигагерцовых радаров. Дальнейшие перспективы автомобильных систем связы­ваются с развитием 77-гигагерцовьк радар­ных технологий. Прогноз развития мирового рынка автомобильной радарной технологии 77 Гц показан на рис.10.7.

Рис.10.7. Прогноз развития мирового рынка автомобильной

радарной технологии 77 Гц.

В качестве альтернативы 24-гигагерцовым автомобильным радарным системам компания Cambridge Consultants предлага­ет использовать 5,8-гигагерцовую систему, которая допускает область обзора в ±75° с угловым разрешением порядка 2°, позво­ляя с одним датчиком измерять угол ази­мута и подъем (компания акцентирует вни­мание на ЗВ-функциональности системы). Тот же самый радар может работать с соот­ветствующим программным обеспечением в различных режимах со скоростями ска­нирования 50-2000 Гц расстояния 2-32 м. Компания рекомендует использовать свои радарные датчики для фронтального и бо­кового обзора, мониторинга «мертвых зон» и помощи при парковке.

Технология компании Cambridge Consultants может снижать число датчиков, требуемых для мониторинга области вокруг автомобиля, только до четырех (в сравнении с предложениями 8-сенсорных систем). Типичные размеры антенн ― порядка 80 × 120 мм, сравнимые с размерами 24-гигагерцовыхх устройств.

Радарные сигналы от работающей системы всегда определяют расстояние между объек­тами во фронте автомобиля и относительную скорость и служат для предупреждения води­теля об опасных ситуациях посредством толь­ко визуальных и звуковых сигналов (без вос­произведения видеоданных).

Из приведенного анализа следует, что радарная технология имеет значительные преимущества по сравнению с другими конкурирующими технологиями ― такими как видеокамеры, инфракрасные детекторы и ультразвуковые датчики (в воздушной среде).

Радарная система ― многообещающая технология при условии снижения ее цены до уровней, приемлемых для массового производства систем автоэлектроники. Поэтому для автоматической системы регулирования жесткости амортизаторов мембранного типа сигналы изменения качества дороги лучше всего считывать с помощью радарных датчиков.