下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
付红圣，连翠翠，罗钧鼎，曾辉，王伟平
蔚来汽车有限公司
【摘要】 随着互联网与移动终端的完美结合，车联网在汽车制造业上得到了广泛的应用，不仅使智能交通成为现实，也将自动驾驶变成了可能。ADAS驾驶辅助系统的准确性及成熟度，将是通往L5级自动驾驶的基本保障。而ADAS较为重要的一项指标就是各大传感器的外参角度要求，一旦外参角度超差，将引发误报、错报、鬼影等一系列问题，从而直接降低自动驾驶的安全性和可靠性，故在ADAS开发设计阶段，如何保证整车外参角度是功能开发的重中之重。本文将基于尺寸工程方法论，以前角毫米波雷达外参角度尺寸开发为例，提前识别外参角度风险，针对前角雷达俯仰角超差问题，提出了 “ 更改翼子板装配工艺 ”“ 更改雷达支架布置结构 ” 等两种有效的改善方案，并利用3DCS仿真软件，对两种方案进行公差仿真分析，然后挑选出最优的可行方案，为行业内ADAS传感器系统提供了一种正确有效的尺寸正向开发方法，包括如何统筹设计关键零件的布置方式、定位安装结构、关键尺寸要求、装配工艺、质量监控等，此外，也探讨了当前智能汽车ADAS开发过程中存在的潜在问题点。
【关键词】 ADAS驾驶辅助，尺寸工程，前角雷达外参角度，3DCS公差分析
Application and Research of Dimensional Engineering in Automobile ADAS External Parameter Angle
Fu Hongsheng, Lian Cuicui, Luo Junding, Zeng Hui, Wang Weiping
NIO Co ., Ltd .
Abstract: With the perfect combination of Internet and mobile terminals,the Internet of vehicles has been widely used in the automobile manufacturing industry,which not only makes intelligent transportation a reality,but also makes automatic driving possible.The accuracy and maturity of ADAS driving aid system will be the basic guarantee for L5 level automatic driving.One of the most important indicators of ADAS is the external parameter angle requirements of the major sensors.Once the external parameter angle is out of tolerance,it will cause a series of problems such as false alarm,false alarm,ghost,etc.,thus directly reducing the safety and reliability of automatic driving.Therefore,in the development and design stage of ADAS,how to ensure the external parameter angle of the whole vehicle is the top priority of function development.Based on the dimension engineering methodology,this paper takes the development of the front angle millimeter wave radar′s external parameter angle dimension as an example to identify the risk of the external parameter angle in advance.Aiming at the problem of the front angle radar′s pitch angle out of tolerance,two effective improvement schemes are proposed,such as "changing the fender assembly process" and "changing the radar bracket layout structure",The tolerance simulation analysis of the two schemes is carried out,and then the optimal feasible scheme is selected,which provides a correct and effective dimension forward development method for ADAS sensor system in the industry,including how to design the layout of key parts,positioning and installation structure,key dimension requirements,assembly process,quality monitoring,etc.In addition,the potential problems in the development of ADAS of intelligent vehicles are also discussed.
Key words: ADAS,Dimensional Engineering,front corner radar angle,3DCS
ADAS即Advanced Driving Assistant System，译为先进驾驶辅助系统，其原理是通过车上的多个传感器，配合GPS实时对路况和周边环境进行分析，提前做出危险预判，为行车安全带来保障。
近年来，随着智能网联汽车技术的飞速发展，世界各国均将发展智能网联汽车提升为重点战略，智能网联汽车将成为汽车产业转型升级的重点领域，而作为新兴的汽车主动安全电子系统的ADAS也正在快速发展，由原来限于高端车市场，正进入中低端车型。虽然ADAS属于L2级别的自动驾驶，但在通往L5级别自动驾驶 [1] 的道路上，ADAS系统的成熟与完善是基本保障。
在智能网联汽车系统架构中，感知系统作为智能网联汽车的“眼睛”和“耳朵”，在行驶中为车辆提供周围环境信息，是保证车辆安全运行的关键。目前运用较为广泛的，有毫米波雷达、激光雷达、摄像头、超声波雷达等，其中，毫米波雷达凭借低成本、高可靠性、技术成熟等优点成为自动驾驶感知系统的关键部件，主流技术路线中都有其身影，未来将为自动驾驶的实现发挥重要作用 [2] ，而整车合格的外参角度是保证毫米波雷达探测报警功能实现的关键指标。
本文以ADAS传感器系统中的前角毫米波雷达为例，探讨如何根据角雷达的功能目标参数（外参角度俯仰角、横摆角、侧倾角等），正向开发角度尺寸参数，包括布置方式、定位策略、装配方案、尺寸需求、质量目标等，从而形成一种较为完善的外参尺寸开发方法论。
首先，我们简单介绍一下什么是尺寸工程。尺寸工程是一个从造型设计阶段到制造阶段所进行的尺寸开发和质量监控的活动，从尺寸目标出发，综合考虑整车造型、布置方式、零件结构、定位策略、工装方案、装配工艺等影响尺寸的关键因素，提出各阶段零部件尺寸目标及控制策略，并进行尺寸链分析，从理论上确保目标的可实现性，并在实际造车阶段综合评估验证，使整车各项尺寸指标合格的过程。
整个尺寸开发过程可以划分为十大步，具体如图1所示，其主要包含：
1）前期阶段：尺寸管理计划、尺寸目标定义、尺寸集成策略制定、偏差仿真分析及优化、零部件GD&T图纸定义等。
2）中期阶段：测点规划、检具及测量系统规划、质量大数据管理。
3）后期阶段：实车匹配、尺寸监控策略、问题闭环分析及总结。
图1 尺寸工程十步法
本文我们将主要介绍毫米波雷达尺寸开发过程中最关键的三大步，即功能尺寸目标的定义及要求、偏差仿真分析及风险评估、优化方案验证及尺寸设计、尺寸监控策略等。
前角雷达整车角度目标参数共有三个：
1）俯仰角：雷达天线轴线与行驶轴线在整车 X-Z 平面上投影线的夹角。
2）横摆角：雷达天线轴线与行驶轴线在整车 X-Y 平面上投影线的夹角。
3）侧倾角：雷达天线横切轴线与地面在整车 Y-Z 平面上投影线的夹角，横切轴线为理论状态下雷达天线轴线与水平面的交线。
其中行驶轴线指的是底盘左右前轮轮心中点与左右后轮轮心中点的连线。
当前汽车行业内，整车前角雷达的外参俯仰角、横摆角、侧倾角参数要求一般为±3°，详见表1。
表1 前角雷达整车外参角度目标
角雷达一般布置在整车四个角落上，如图2所示，其中前角雷达一般要求与整车 Y 0轴线夹角为50°～70°，同时整车布置高度一般要求为400～800mm。
图2 角雷达布置要求
由此可知，角雷达的布置一般是集成在前保总成里，或者布置在前翼子板区域的雷达支架上。目前市场上，较多车型采用的是集成在前保总成中，但其角度易受前保下沉及柔性变形等影响，尺寸稳定性较差。而合理地布置在车身结构较优的支架上，能有效地改善整车雷达尺寸稳定性，本文以前角雷达布置在翼子板区域前保侧支架上为例，可参考图3所示位置。
图3 角雷达布置在前保侧支架上
首先，根据当前角雷达的布置形式，确定前角雷达天线轴线到行驶轴线所涉及的零部件，主要包括前角雷达、前保侧支架、翼子板、机罩、白车身、前悬架、后悬架等，工装方案有翼子板工装、机罩工装、前悬架合拼工装、后悬架合拼工装等。显然，前角雷达外参角度的整个尺寸链还是较为复杂的，关联到前端DTS尺寸集成策略，以及底盘四轮定位尺寸集成策略。
然后，我们可以利用三维尺寸链3DCS软件，对角雷达外参角度进行分析及设计。3DCS是通过在计算机三维空间里模拟零件之间的装配，建立数学模型，其假设所有零件为刚体，不考虑焊接变形、热变形、预弯、过定位、回弹、重力等影响，且所有零件的公差遵循正态分布规律，均值居中 [3] 。
整个角雷达的3DCS建模过程 [4] 分为以下4步：
1）按照零部件的装配工艺顺序搭建模型结构树，这里我们对白车身和底盘的模型进行适当的简化，即将白车身模型及底盘四轮定位模型的3DCS结果输出，作为一个黑匣子件。
2）创建DCS点并进行公差赋值，这里赋值主要是根据以往车型的实际制造能力经验值，如雷达尺寸受其他周边件变形影响（如翼子板 [5] 、前照灯框架、前后保等），需要CAE团队分析变形量后，将数值迭代入模型中，使结果更接近实际。
如图4所示，为了保证DTS，翼子板前端将进行装配调整，从而导致车身钣金支架上雷达支架安装点变形，经CAE分析，其 Y 向最大变形量为1.221mm，这将直接影响雷达外参角度，故三维尺寸分析的时候，需要多维度思考尺寸的影响。
3）创建Move模拟实车零部件的装配，同时按照俯仰角、横摆角、侧倾角的定义，创建角度测量项，其测量USL/LSL分别为±3°。
4）运行模型，3DCS软件将按照蒙特卡罗算法，根据不同特征的公差数值分布生成随机数，然后通过模拟月产量装车，统计推导出角度参数的结果。
图4 CAE分析——翼子板刚度对雷达支架影响
经3DCS模拟分析，前角雷达俯仰角存在较大风险，详见图5，其±3simga=±5.43°，远大于目标±3.0°，超差率9.52%，严重影响角雷达探测报警功能的可靠性和安全性。为了满足雷达整车装配累计偏差不超过±3.0°，需根据偏差分析结果的Top影响因子，合理地优化和改进当前的结构、布置、尺寸、工艺等。
图5 角雷达俯仰角偏差仿真分析结果
根据3DCS分析结果中俯仰角的Top影响因子可知，其最关键的影响因子分别为：
1）车身钣金支架上雷达支架安装面A1，占比37.9%。
2）翼子板前端上雷达支架安装面A2，占比13.97%。
3）翼子板前端上雷达支架安装面A3，占比13.79%。
此Top3项的偏差总占比为65.66%，即角雷达俯仰角对A1～A3这三个面面轮廓度的一致性非常敏感，如图6所示，由于A2、A3都位于翼子板前端同一个件同一面上，其一致性较易保证，而A1位于车身另一个钣金支架上，此支架主要作用为连接翼子板和前照灯框架，吸收两端公差，即在整车基准下，其尺寸精度极差。故如要改善俯仰角偏差，需重点提高A1相对于A2/A3的一致性。
图6 角雷达支架安装点布置位置
我们根据工程制造等方面的尺寸经验，利用3DCS软件验证并提供了两种较为可行且成本最低的优化方案：
1）方案一：更改装配工艺，即采用翼子板工装同时定位翼子板和车身钣金支架（ Y 向），提高钣金支架安装面精度，改善三个面面轮廓度一致性。
2）方案二：更改雷达支架产品结构，即雷达支架A1安装点位置从钣金支架改到前照灯支架。由于前照灯支架集成定位在前照灯上，而前照灯定位在翼子板上，故前照灯支架到翼子板的尺寸链环较短，累积偏差较小，从而能有效地改善雷达支架三个定位面面轮廓度一致性。
表2 角雷达俯仰角优化方案分析对比表
根据仿真结果（表2）可知，方案一和方案二对俯仰角都有显著改善，但实际上，由于方案一对焊装调整线的工位及节拍有一定影响，故最终确认，采用方案二。与此同时，我们也能确定前角雷达的尺寸策略，如关键零件的定位策略、GD&T图纸要求、装配工艺方案等。
前期尺寸开发至关重要，但后期尺寸监控策略也同样不容忽视。如上述所介绍的，我们已经从设计上保证了三个外参角度，同样，实物阶段我们也需将这三个外参角度作为质量目标，通过检测校准等手段保证外参合格。
雷达的标定方法 [6] 分为静态和动态两种：
静态标定，博世主要采用被动式校准，即激光标定法，一般仅运用于前中雷达；安波福主要采用主动式校准，即角反射器法，一般广泛运用于前中及前后角雷达，如图7所示。
动态标定，主要是车辆发出标定指令，以40km/h的速度行驶200mm，根据周边靶板检测校准，动态标定。
不管是静态标定还是动态标定，所有外参的检测标定都是整车即将下线时操作的，即完成四轮定位参数调整后，而前后角毫米波雷达一般位于前后保两侧内部，一旦雷达外参角度超差严重，返修难度较大、耗费工时较长，这也更加凸显了过程质量管控的重要性。
此外，在目前各大主机厂内，毫米波雷达受其工作模式所限，并不能实现三个外参角度的检测标定。毫米波雷达工作模式主要分为3发4收、2发4收，其中各整车厂一般可对3发4收雷达的俯仰角、横摆角进行校准标定，对2发4收雷达的横摆角进行校准标定。即无法实现雷达的侧倾角检测标定，其尺寸质量管控难以闭环。
图7 主动式校准（角反射器）
本文以ADAS前角毫米波雷达外参角度尺寸开发为例，为行业内ADAS传感器系统提供了一种正确有效的尺寸正向开发方法，包括从前期设计阶段ADAS外参目标、整车布置要求的定义，到尺寸目标的分解分析、方案验证、尺寸策略制定，再到后期质量目标监控策略等。
此开发方法适用于所有车载ADAS功能性能类参数的尺寸开发，如毫米波雷达、激光雷达、摄像头、超声波雷达等。目前汽车ADAS系统正在蓬勃发展，尤其是算法研究方面 [7] ，但就其尺寸开发技术而言，却存在较多不足点，比如：
1）重视软件开发而忽略硬件开发，尺寸意识较为薄弱，缺少专业尺寸团队统筹把关ADAS系统整车尺寸开发。
2）ADAS系统开发进度与整车（车身/外饰/底盘等系统）开发进度不同步，导致布置方案/尺寸策略/优化措施等工作频繁迭代。
3）质量全路程管控策略不完善，如测点/测量系统不规范、个别外参难以标定监控、返修可行性差等。
简言之，不管是现在的L2自动驾驶还是未来的L5无人驾驶，各大传感器感知功能的实现离不开外参角度的开发，外参角度的开发都离不开尺寸工程这块基石。
[1]杜莎.L5级别自动驾驶的传感器将达32个[J].汽车与配件：自动驾驶，2019，（11）:42-43.
[2]王金明，刘宇，贾宁.车载毫米波雷达产业发展[J].汽车与配件：自动驾驶，2019，（15）:54-55.
[3]付红圣.基于3DCS的白车身基准的公差设计[J].汽车技术：汽车开发方法，2014，（7）:59-62.
[4]吕路，魏龙，冉熊涛，等.基于3DCS的毫米波雷达安装角度偏差分析方[J].汽车实用技术：测试试验，2020，45（20）:137-140.
[5]陈旭红.汽车翼子板支架合件的刚度分析[J].时代汽车：汽车零部件，2019，（4）:174-175.
[6]朱子甲，汪进，刘奎，等.汽车后视毫米波雷达安装角标定系统设计研究[J].汽车实用技术：设计研究，2017，（18）:88-91.
[7]焦鑫，杨伟东，刘全周，等.用于ADAS实时目标车辆检测的改进SSD算法[J].汽车安全与节能学报：汽车安全，2020，11（3）:337-344.