前向毫米波雷达系统自动校准功能

朱 龙

（徐州徐工汽车制造有限公司，江苏 徐州 221100）

随着经济的快速发展和道路状况的改善，中国汽车保有量持续攀升，交通事故总量呈上升趋势，据统计，中国万车死亡率已居世界首位。面对交通安全问题的严峻形势，汽车主动安全越来越受到国家和众多主机厂的广泛关注。前向毫米波雷达传感器作为主动安全技术（ACC、FCW、AEB）的核心组成部分，在越来越多的各类车型上得到应用。

依靠发射特定频率 （76～77GHz）的电磁波，接收和处理回波信号来侦测前方目标的特性参数，如距离、相对速度、角度和反射功率等。由于天线对发射的电磁波做了聚波处理，因此雷达的探测有一定的方向性，探测范围在垂直于天线面的一定开角内 （Field of View Fov）。因此雷达的安装有一定的误差要求，当安装偏角度过大，致使天线波束无法照射到上层功能重点关注区域，重要目标检测性能受损。

行业内针对雷达安装偏差的校准方式大致分为两类：第一，整车产线下线校准，该方法借助整车生产线上的工装设备及定位系统，确认雷达初始安装误差量并做机械校准或软件补偿；第二，自动校准方案，该方法在整车离开生产线后进行，不依赖于特定的装置或设备，只需在正常道路环境中运行一定时间，雷达自动校准算法以环境中特定目标作为参考，以自学习的方式，便可完成雷达安装初始误差的校准补偿。

本文聚焦于雷达横摆向自动校准功能，从功能模块设计、校准流程、校准原理、功能测试4个方面进行解析，为后续类似系统开发和应用提供参考。

1 自动校准模块

车辆在安装预警系统下线后，通常会做一次下线校准。检测此时雷达横摆向的安装状态，如果有偏差，通过手工调节雷达法线朝向或系统自动做出补偿。在日常使用过程中，雷达会在设定的时间节点上，重复检测自身状态，保证雷达在全生命周期中的探测姿态误差始终在要求的范围之内。

雷达中自动校准功能模块与ADAS系统、整车系统数据流和接口如图1所示。数据流主要描述：用户特定情况下给出输入、给出什么输出、可以实现的精度。自动校准模块需要通过ADAS系统接收开始校准指令、车辆信息，同时输出校准结果。

图1 数据流框图

2 自动校准流程

整体流程如图2所示。

步骤1，触发自校准。雷达安装完成后，车辆驶离工厂线。驾驶员向雷达发出第一个自动校准命令，当车辆达到规定速度，目标量满足校准要求后，校准模块开始工作。

图2 自动校准系统状态转换流程

步骤2，自校准完成。自动校准算法检测到偏差后，进行补偿。

步骤3，触发监控模式。补偿成功后，将功能转换为监视模式，在不干扰雷达正常功能的情况下检测到角度偏差。当偏差超过定义的阈值时，将提示警告。

3 自动校准算法原理

根据静止目标的绝对速度应等于零的事实建立方程，优化求解雷达横向偏角（图3）。

图3 雷达横向偏角示意图

其中，vego表示本车车速，vR表示目标的径向速度，α表示目标的方位角，β表示雷达相对于车头正前方的横向偏角，将vego向径向速度方向投影，对于每帧中的每个目标，均可建立各参数间的关系方程如下：

式中：i，j——分别代表帧号和目标在当前帧的编号。

由于车速存在不可忽略的误差，将车速vego也作为一个待优化参数参与计算，给定其模型为正比例模型，式（1）变为：

公式（2）是一个关于变量para={β，α}的超静定非线性方程组，可用高斯-牛顿法进行迭代求解。

图4为自校准的工作算法流程图。

图4 自校准工作算法流程图

4 功能测试

测试原理：初装雷达安装在车辆中线上，使雷达波束法线与车辆中线存在夹角X，通过测量，保证此角度0.3°＜X＜3°。将车辆行驶至特定的校准环境中，自校准功能开启，接收到系统发出校准完成指令时，测量校准后雷达法线与车身中线的夹角。

在特定路段重复以上操作，求校准后夹角平均值。

4.1 自校准开启前提条件

1）车辆姿态：①车辆应该行驶在长直的道路上；②车速应该大于15km/h；③车辆可以提供车速和横摆角信息。

2）雷达姿态：①安装误差应该满足表1中的要求；②雷达可以探测到足够多的目标和足够强的目标。

表1 雷达姿态

3）工作环境：①有护栏的直线道路，横向距离雷达2～3m；②连续护栏长度至少200m；地面平坦，无明显起伏；③自校准模式应激活传感器的特殊工作模式以实现自动对准功能。

4.2 自校准要求结果

自校准：0.3° @10min；偏差角度警告阀值＞0.5°；监测周期：5min。

4.3 效果和精度验证

使用同一个雷达，在同一日期、同样的场景和车速的情况下，多次安装不同初装误差角度进行自校准测试，每次安装都反复测试得到多组数据，不同角度安装的雷达精度统计表详见表2，校准偏角值如图5所示。大角度（3°）校准补偿后护栏的变化如图6所示。

表2 不同角度安装的雷达精度统计表

图5 校准偏角值

图6 大角度 （3°）校准补偿后护栏的变化

通过测试数据的统计分析，自校准模块对于小角度和大角度的校准精度基本一致，对0°～3°范围内、正负方向的雷达偏角均能有效实现校准，绝大部分场景下，校准误差在±0.3°范围内，两侧目标距离较近时存在干扰现象，效果可能较差。

4.4 测试结论

1）当前自校准算法不受本车速度的影响，可以适应多种较复杂的场景，并能兼容在干净良好场景和复杂场景下的校准精度，95%的结果精度可达到±0.3°；当前自校准模块的时间消耗不超过3min，满足嵌入式的运行要求。

2）前装毫米波雷达系统可以采用产线校准配合下线后自校准方式，减小雷达朝向角度偏差对上层预警系统性能的影响。