如何解决车辆打滑与轮胎周长误差，实现ADAS/自动驾驶0.5%高精度的真实地面速度测量？【雷达多普勒 闭环控制 20Hz】

1. 基于车辆速度测量的基本结构与技术要求

在车辆的闭环控制系统中，速度测量是至关重要的一环，它就像车辆的“眼睛”，告诉控制系统车辆到底跑多快。传统的速度测量通常依赖于车轮转速传感器，通过计算车轮的旋转圈数和轮胎周长来估算车辆速度。

但这里存在两个核心挑战：

• 车轮打滑： 想象一下，在湿滑路面或加速、制动时，车轮可能快速旋转，但车辆实际前进的速度却没那么快，甚至纹丝不动。这就像你在跑步机上拼命跑，但实际上你并没有向前移动。这种“打滑”现象会让基于车轮转速的速度测量产生严重误差。

• 轮胎周长误差： 轮胎的周长并不是一个固定值。它会受到多种因素影响，比如：

  • 胎压： 胎压不足时，轮胎会变扁，有效周长减小。

  • 载荷： 车辆装载货物越多，轮胎被压得越扁，有效周长也会减小。

  • 磨损： 轮胎使用久了，胎面磨损，周长也会变小。

  • 温度： 温度变化会引起轮胎材料热胀冷缩，影响周长。

  • 沉入： 在松软地面（如雪地、沙地），轮胎会部分陷入地面，有效周长会发生变化。

这些误差源会直接导致车辆控制系统获得的“速度”信息与车辆的“真实地面速度”不符，进而影响车辆的驾驶辅助系统（如ABS防抱死制动、TCS牵引力控制、ESP电子稳定程序、ACC自适应巡航控制）甚至自动驾驶系统的决策和控制精度，带来安全隐患和性能下降。

因此，车辆闭环控制中的速度测量，对以下技术指标有着极高的要求：

• 高精度： 确保测量值尽可能接近真实地面速度，误差越小越好。

• 实时性： 速度信息需要快速更新，以便控制系统能及时响应车辆的动态变化。

• 抗干扰性： 能够在各种路面和环境条件下稳定工作，不受外界因素（如打滑、天气、路面材质）的显著影响。

• 可靠性： 长期稳定运行，减少故障率，确保系统安全。

2. 针对车辆速度测量的相关技术标准简介

在车辆速度测量领域，为了确保不同设备和系统之间的数据一致性和互操作性，行业内通常会定义和评估一系列关键参数。这些参数的定义和评价方法是指导传感器设计和系统集成的基础，它们虽然没有像“汽车安全气囊”那样具体的实物，但它们是确保车辆安全高效运行的“无形法则”。

以下是几种主要的监测参数及其评价方法：

• 真实地面速度（True Ground Speed）： 这是指车辆相对于地面的实际瞬时速度。它排除了车轮打滑、空转等所有与车轮转动相关的假性运动，是我们进行车辆闭环控制最核心、最理想的输入。它的评价通常需要高精度参考系统（如高精度GPS RTK或光学测速设备）进行对比验证。

• 车轮速度（Wheel Speed）： 这是通过测量车轮的转速，结合理论上的轮胎周长计算出来的速度。它是传统车辆速度传感器的主要输出。评价方法通常是记录车轮转速传感器的原始脉冲信号，然后换算成速度。

• 打滑率（Slip Ratio）： 这个参数用来量化车轮打滑的程度。它通常定义为车轮速度与真实地面速度之间的相对差值。打滑率的准确计算对于牵引力控制、制动控制等系统至关重要，过大的打滑会导致失控，过小的打滑则可能浪费牵引力。评价时，需要同时测量车轮速度和真实地面速度，然后进行比较。

• 轮胎有效周长（Effective Tire Circumference）： 轮胎在实际行驶过程中，在载荷和速度作用下，与地面接触部分所形成的实际周长。由于载荷、胎压、磨损甚至温度都会影响它，所以称之为“有效”周长。传统车轮速度测量中，这个参数的准确性直接影响速度计算的精度。评价通常在不同载荷和胎压条件下，通过滚动测试或专门设备进行测量。

• 测量精度（Measurement Accuracy）： 指的是传感器测量结果与真实地面速度的接近程度。例如，如果真实速度是100 km/h，而传感器测出的是99.5 km/h，那么0.5 km/h就是误差。对于闭环控制而言，高精度意味着控制系统能够更精准地执行指令，减少偏差。评价时，将传感器输出与已知高精度的参考值进行比较，计算其误差范围。

• 重复性（Repeatability）： 在相同的测量条件下，对同一个速度值进行多次测量，所得结果之间的一致性。好的重复性表示传感器性能稳定可靠，每次测量都不会“忽高忽低”。评价时，会在固定速度下进行多次测量，然后分析这些测量结果的离散程度。

• 响应时间（Response Time）或信号更新率（Update Rate）： 传感器从检测到速度变化到输出新的、有效测量结果所需的时间。对于快速变化的车辆动态，比如紧急制动或突然加速，传感器必须能“秒懂”，迅速提供最新的速度信息。信号更新率（例如每秒20次）越高，响应时间就越短。评价时，通常通过阶跃响应测试来测量传感器从一个稳定速度变化到另一个稳定速度所需的时间。

这些参数共同构成了评估一个车辆速度测量系统好坏的基石。

3. 实时监测/检测技术方法

车辆速度测量技术多种多样，为了提高车辆闭环控制的精度，特别是解决车轮打滑和轮胎周长误差问题，业界不断探索和应用各种先进的传感器技术。

（1）市面上各种相关技术方案

雷达多普勒测速技术

雷达多普勒测速技术，顾名思义，是利用了“多普勒效应”来测量速度。它的原理类似于声波的多普勒效应，比如救护车靠近你时警笛声变尖，远离时变低沉。对于电磁波（也就是雷达波）来说，也是同样的道理。

工作原理和物理基础：雷达测速传感器会主动发射一束特定频率（比如24 GHz）的电磁波。当这束电磁波遇到移动的物体（比如车辆下方的地面）并反射回来时，反射波的频率会发生微小的变化。这个频率变化量，就叫做“多普勒频移”。如果车辆是朝向传感器方向移动，反射波频率会升高；如果远离传感器，频率会降低。传感器内部的接收器会捕捉到这个频率变化，并根据这个变化量计算出车辆相对于地面的真实速度。

这个过程可以用一个简化公式来表示：fd = (2 * v * cos(theta)) / lambda

其中：* fd 是多普勒频移（频率变化量）。* v 是车辆相对于传感器（通常也即地面）的相对速度。* lambda 是发射电磁波的波长（波长 = 光速 / 频率）。* cos(theta) 是一个角度修正项，theta是发射波束方向与车辆运动方向之间的夹角。在测量车辆对地速度时，传感器通常会垂直或以一个很小的角度向下发射，使得cos(theta)接近1，简化计算。

核心性能参数的典型范围：* 速度测量范围： 通常可以覆盖从几公里/小时到数百公里/小时的广阔范围。* 精度： 通常在0.5%至1%FS（满量程）或更优的水平。* 响应时间/更新率： 几十毫秒到几百毫秒，对应的更新率可以达到20 Hz甚至更高，确保实时性。

技术方案的优缺点：* 优点： * 不受车轮打滑影响： 这是其最大的优势。它直接测量车辆与地面的相对速度，与车轮是否打滑无关，就像你直接看到一辆车在跑道上移动，而不是通过观察它的轮胎转速来判断。 * 不受轮胎周长变化影响： 同样因为是直接对地测量，胎压、磨损、载荷等导致的轮胎周长变化都不会影响其测量精度。 * 非接触式： 没有机械磨损，无需维护，安装方便。 * 环境适应性强： 现代雷达多普勒传感器通常能在恶劣天气（雨、雪、雾）和复杂路面（泥泞、碎石）下稳定工作，因为电磁波的穿透能力较强。* 缺点： * 成本相对较高： 相较于简单的车轮转速传感器，雷达多普勒传感器的成本通常更高。 * 可能受其他雷达信号干扰： 在多雷达设备共存的环境中，可能会有相互干扰的风险，需要传感器具备良好的抗干扰设计。 * 对反射面特性有要求： 虽然先进产品能适应多种表面，但在极端光滑或无特征的表面（如结冰的纯净冰面），信号反射可能较弱，影响测量稳定性。

激光三角测量法

激光三角测量法是一种高精度的非接触式距离或位移测量技术，主要用于物体尺寸、位置或形变的精确检测。它就像一把“激光尺”，能毫厘不差地告诉你物体在哪里或者动了多少。

工作原理和物理基础：这种方法的核心是利用几何三角原理。传感器内部有一个激光发射器，它会向目标物体发射一束可见激光。当激光束照射到物体表面时，一部分光线会散射并反射回来。传感器内的接收透镜会收集这些反射光，并将其聚焦到一个高分辨率的CMOS图像传感器上。

如果目标物体距离传感器远近发生变化，反射光斑在CMOS传感器上的位置也会发生位移。通过精确计算光斑在CMOS传感器上的位移量，结合传感器内部光学系统的几何参数，就可以高精度地计算出目标物体与传感器之间的距离。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 从几毫米到数百毫米不等，比如20毫米到200毫米。* 重复精度： 可以达到微米甚至亚微米级别，例如0.005微米。* 采样速度： 非常快，最高可达数百kHz（例如392 kHz），意味着每秒可以进行数十万次测量。* 线性度： 典型在±0.03% F.S.（满量程）以内。

技术方案的优缺点：* 优点： * 超高精度： 能够实现微米级的测量精度，非常适合对尺寸和位置要求极其严格的应用。 * 高采样速度： 极快的响应速度，能够捕捉高速运动中的细微变化。 * 非接触式： 不会对被测物体造成任何损伤或影响。* 缺点： * 不直接测速： 其主要功能是测量距离或位移。若要用于速度测量，需要通过对连续位移数据求导实现，或者部署多个传感器来跟踪目标运动，这会增加系统的复杂性和成本。 * 受表面特性影响： 被测物体的颜色、光泽度、粗糙度等表面特性会影响激光的反射效果，可能导致测量误差或信号不稳定。例如，黑色吸光表面可能反射不足，镜面表面可能反射过强。 * 测量范围相对有限： 适用于近距离高精度测量，对于大范围的车辆对地速度测量不够实用。 * 环境敏感： 灰尘、水雾等可能阻挡或散射激光，影响测量准确性。

绝对式光栅编码器

绝对式光栅编码器是一种高精度的位置和角度传感器，它能直接告诉你物体当前的确切位置，而不需要像增量式编码器那样从零开始数数。你可以把它想象成一把带有刻度的尺子，传感器读取头就像一个游标卡尺，直接读取尺子上的数字。

工作原理和物理基础：绝对式光栅编码器内部有一个发光元件（如LED）和一个光电接收器，以及一根刻有特殊“绝对码”图案的光栅尺。当光线穿过或反射光栅尺时，接收器会根据光栅尺上独一无二的编码图案来判断当前的位置信息。

这种编码图案就像一个独特的二维码，无论你从哪个位置开始读取，都能直接识别出当前的位置。因此，系统上电后无需进行“归零”操作，就能立即知道当前位置。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率： 极高，最高可达纳米级别（例如1纳米），能够捕捉到极其微小的位置变化。* 最大速度： 能够适应高速运动，例如100米/秒。* 精度： 通常在±1微米/米（取决于光栅尺规格）的范围内。

技术方案的优缺点：* 优点： * 真正的绝对位置反馈： 无需归零，上电即可提供准确位置信息，提高系统启动速度和可靠性。 * 高分辨率和高精度： 适用于需要精确位置和速度反馈的精密运动控制场合。 * 非接触式（部分设计）： 减少机械磨损，延长使用寿命。* 缺点： * 无法直接测量真实地面速度： 绝对式光栅编码器通常用于测量车轮的转动角度或线性位移。要将其应用于车辆速度测量，需要将其安装在车轮轴上，测量车轮的转速。因此，它仍然会受到车轮打滑和轮胎周长变化的影响，无法直接提供真实地面速度。 * 安装要求高： 光栅尺和读取头的安装需要高度精确对齐，对机械设计和安装环境有较高要求。 * 易受污染影响： 光学式编码器对灰尘、油污等污染比较敏感，可能影响读数精度。

压电式力传感器

压电式力传感器是一种用来测量物体所承受的力的装置。它的核心是利用“压电效应”，就像你掰开一个饼干时，如果这个饼干是压电材料做的，它就会产生微小的电荷。

工作原理和物理基础：压电效应是指某些晶体材料（如石英、陶瓷）在受到机械应力（压力、拉力或剪切力）作用时，其内部电荷会重新分布，导致材料表面产生电荷的现象。产生的电荷量与所施加的力成正比。

压电式力传感器内部装有压电晶体元件。当有外部力作用在传感器上时，力会传递到压电晶体上，使其产生形变，从而在其表面产生电荷。这些微弱的电荷信号通过特殊的电荷放大器进行放大，转换为可测量的电压信号，最终就能精确地得到力的数值。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围： 从几牛顿到几百千牛，例如-5 kN到5 kN。* 灵敏度： 典型值在皮库/牛顿（pC/N）级别，例如-3.5 pC/N。* 非线性度： 通常小于等于±0.5%FSO（满量程输出），表示测量值与真实值之间的线性关系有多好。* 迟滞： 通常小于等于±0.5%FSO，表示加载和卸载过程中测量结果的一致性。* 响应频率： 极快，共振频率可达20 kHz甚至更高，能够测量快速变化的动态力。

技术方案的优缺点：* 优点： * 高刚度、快速响应： 能够捕捉到瞬态的力学变化，适用于高速动态测量。 * 高精度和高分辨率： 能够精确测量微小的力值变化。 * 耐用性好： 结构坚固，抗过载能力强。* 缺点： * 不直接测速： 压电式力传感器主要用于测量力，与车辆速度测量原理上不直接相关。它可以在车辆控制中测量制动力、发动机扭矩等，但无法提供车辆的运动速度。 * 准静态测量需要电荷放大器： 对于长时间的准静态力测量，需要配合高质量的电荷放大器来避免电荷泄漏导致的漂移。 * 对温度变化敏感： 压电材料的特性会受温度影响，可能导致测量误差，需要进行温度补偿。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在工业测量和车辆控制领域具有代表性的品牌及其所采用的技术方案，以便更全面地理解不同技术在实际应用中的特点。

日本基恩士（采用激光三角测量法）

日本基恩士在工业自动化领域享有盛誉，其激光位移传感器以超高速和超高精度著称。例如，其LK-G5000系列传感器，采用激光三角测量法，能够提供微米甚至亚微米级的距离测量重复精度，最高采样速度可达392 kHz。这使得它在汽车零部件的尺寸检测、装配公差、焊缝高度等精密制造环节表现出色，为车辆生产过程中的质量控制提供了严格保证。虽然不直接用于车辆对地速度测量，但在部件精度控制方面对车辆整体性能有间接贡献。

英国真尚有（采用雷达多普勒测速技术）

英国真尚有LP-DS200是一款专门用于车辆和移动物体真测速的雷达多普勒传感器。它通过发射24 GHz电磁波，并分析反射波的频率多普勒偏移来直接测量相对于地面的真实速度，测量范围为0.8 km/h至200 km/h。该传感器具备20 Hz的信号更新率，能够满足高动态闭环控制的需求。其坚固的完全密封外壳设计，以及IP6KX、IPX7、IPX9K的高防护等级和-40°C至+70°C的工作温度范围，确保了在严苛环境下的可靠运行。该产品可应用于公路车辆、非公路车辆（如农机、工程机械）以及需要高精度速度反馈的ADAS系统。

英国雷尼绍（采用绝对式光栅编码器）

英国雷尼绍是精密测量和运动控制领域的领导者。其RESOLUTE系列绝对式光栅编码器采用独特的绝对式光学测量原理，能够提供纳米级分辨率和高达100 m/s的最大速度。它的一大优势是能够提供真正的绝对位置反馈，系统上电无需归零，显著提升了启动速度和系统可靠性。在车辆制造中，这类编码器常用于高精度机器人、自动化装配设备和机床，确保部件加工和装配的精确性。虽然它不能直接解决车辆对地速度测量中的打滑问题，但其高精度的位置反馈在车辆制造和测试设备中至关重要。

瑞士苏尔寿（采用压电式力传感技术）

瑞士苏尔寿在压电测量技术领域具有深厚积累。其压电式力传感器，如Type 9109AA，以极高的刚度、快速响应速度和优异的线性度著称，测量范围通常可达数千牛顿。这类传感器广泛应用于车辆研发和制造的各个环节，比如在发动机测试台进行缸压测量，在变速箱装配过程中监控压装力，以及在制动系统力学研究中获取关键的力反馈信号。虽然它不直接测量速度，但在车辆闭环控制体系中，精确的力反馈是实现牵引力控制、制动分配等高级功能不可或缺的一环，间接影响车辆的动态性能。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的车辆速度传感器，就像为你的赛车挑选合适的轮胎，每个参数都有其独特的作用。以下是几个关键技术指标及其选型建议：

• 测量精度/准确度： 这是衡量传感器好坏的首要标准。它告诉我们传感器测得的速度与车辆真实地面速度之间的误差有多大。

  • 实际意义： 精度越高，车辆控制系统获得的信息越真实，控制指令就越能精准执行。比如，自动驾驶车辆对速度精度的要求极高，如果精度不足，可能导致刹车距离计算错误，影响行车安全。

  • 选型建议： 对于自动驾驶、ADAS（高级驾驶辅助系统）等对速度精度要求极高的应用，应优先选择能够直接测量真实地面速度（如雷达多普勒传感器）的产品。而对于一般性的车辆仪表盘显示，精度要求可适当放宽。

• 响应时间/信号更新率： 传感器从接收到信号到输出最新测量结果所需的时间。

  • 实际意义： 响应时间越短，更新率越高，控制系统就能越快地感知到速度变化并作出反应。想象一下，一辆车正在紧急制动，如果传感器速度更新慢半拍，控制系统就无法及时调整制动力，可能导致制动距离延长。

  • 选型建议： 针对动态性能要求高的闭环控制系统（如ABS、TCS、ESP），应选择响应时间短、更新率高的传感器。对于相对稳定的系统或非实时监控，可以适当降低要求。

• 测量范围： 传感器能够准确测量的最低速度和最高速度。

  • 实际意义： 决定了传感器能适应多快的车辆运行速度。例如，需要从静止启动的车辆，传感器需要能测量极低的速度；而对于高速公路行驶的车辆，则需要能覆盖高速段。

  • 选型建议： 根据车辆的实际运行速度范围来选择。

• 环境适应性： 传感器在各种恶劣环境（如温度、湿度、灰尘、泥浆、振动、电磁干扰）下稳定工作的能力。

  • 实际意义： 车辆在户外行驶，不可避免会遇到各种极端天气和路况。传感器必须“皮实耐用”，不能因为一点雨水、灰尘就罢工。高防护等级和宽工作温度范围是其可靠性的重要保证。

  • 选型建议： 对于工程机械、农机、重卡等在恶劣环境下作业的车辆，环境适应性是核心考量，必须选择高防护等级、宽温范围且抗震动能力强的产品。对于普通乘用车，也应考虑一定的防护能力。

• 安装和集成便捷性： 传感器的尺寸、安装方式（如安装距离、角度）以及输出接口类型（如脉冲、RS232、CAN总线）。

  • 实际意义： 方便的安装和多种输出接口能简化车辆设计和系统集成过程，降低开发和维护成本。紧凑的尺寸也更容易集成到有限的空间中。

  • 选型建议： 考虑车辆的安装空间和现有控制系统的接口兼容性。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了先进的测速传感器，在实际应用中仍可能遇到一些问题。了解这些问题的原因和影响，并提前采取措施，能大大提高系统的稳定性和可靠性。

• 问题一：车轮打滑或空转导致的测量失真

  • 原因及影响： 这是传统基于车轮转速的测速方案的固有缺陷。在加速、制动或湿滑路面时，车轮转速与车辆实际地面速度不匹配，导致控制系统接收到错误的速度信息。比如，ABS系统可能因为误判打滑而过早介入，影响制动效果；牵引力控制系统可能无法有效管理发动机扭矩，导致车辆动力输出不足或过度打滑。

  • 解决方案及预防措施： 采用非接触式直接测量真实地面速度的传感器，如雷达多普勒测速传感器。这类传感器直接感应车辆下方地面的运动，彻底规避了车轮与地面交互带来的误差。

• 问题二：轮胎有效周长变化引起的系统误差

  • 原因及影响： 胎压、载荷、磨损和温度等因素会改变轮胎的实际滚动周长。如果系统仍按固定周长计算速度，就会产生累积误差。例如，车辆里程表不准确，巡航控制功能在长途行驶中累积偏差，甚至影响能量回收系统的效率。

  • 解决方案及预防措施： 同样，使用雷达多普勒等不受轮胎特性影响的对地测速传感器，能从根本上消除这一类误差。此外，对于仍依赖车轮转速的系统，可以结合胎压监测系统（TPMS）和动态算法对轮胎周长进行实时估算和修正，但效果不如直接对地测量。

• 问题三：恶劣环境（灰尘、泥浆、水雾、振动）对传感器性能的影响

  • 原因及影响： 车辆行驶环境复杂多变。灰尘和泥浆可能覆盖传感器窗口，水雾可能散射信号，极端温度可能影响内部电子元件，剧烈振动可能导致传感器松动或损坏。这些都会导致测量不稳定、信号丢失或精度下降。

  • 解决方案及预防措施：

    • 选择高防护等级传感器： 选用具备IP6KX、IPX7、IPX9K等高防护等级的产品，确保其密封性防尘防水。

    • 宽工作温度范围： 确保传感器能在车辆可能遇到的极端高温和低温环境下稳定运行。

    • 抗震动设计： 传感器外壳和内部结构应具备良好的抗震能力，并通过可靠的安装方式固定。

    • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在不易被泥浆、灰尘直接喷溅，且能避开剧烈冲击的位置。定期清洁传感器感应窗口。

• 问题四：安装位置和角度不当导致测量误差

  • 原因及影响： 传感器与地面之间的距离、安装角度以及是否有障碍物遮挡，都可能影响测量精度。如果角度偏差过大，可能会引入额外的三角误差；距离不在推荐范围内，可能导致信号强度不足或过强。

  • 解决方案及预防措施： 严格遵循传感器制造商提供的安装指南。确保传感器与被测表面保持推荐的安装距离，并保持正确的安装角度，通常是垂直向下或以微小夹角倾斜。安装时要检查周围环境，确保没有物体遮挡传感器的发射和接收区域。

4. 应用案例分享

精确的速度测量是现代车辆实现各种高级功能的基础，雷达多普勒测速传感器因其独特优势，在多个领域得到了广泛应用：

• 公路车辆： 在高级驾驶辅助系统（ADAS）中，如自适应巡航控制（ACC）和自动紧急制动（AEB），传感器提供车辆的真实地面速度，确保系统在复杂交通状况下做出准确判断和快速反应，显著提升行车安全性。

• 非公路车辆（如农机和工程机械）： 在农田、工地等复杂且易打滑的路面环境下，精确测量车辆实际前进速度，从而优化牵引力控制，提高作业效率和精准度，例如在农机上的精准施肥、播种作业。

• 室内运输车辆和叉车： 在仓库、工厂等室内环境中，提供可靠的速度数据，实现车辆的精准定位、路径规划和速度控制，避免碰撞，提高物料搬运的效率和安全性。英国真尚有的LP-DS200系列传感器，可以为此类应用提供支持。

• 传送带和物料流动监测： 用于实时监测工业生产线上传送带的运行速度或物料的流动速度，确保生产过程的稳定性和一致性，优化工艺控制和产品质量。

• 铁路应用： 辅助列车速度监控系统，特别是在雨雪天气导致车轮粘着力下降时，提供比车轮转速更可靠的真实速度信息，帮助控制系统维持列车平稳运行。