基于微波傳感器的道路拐角警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖國(guó)平，陳耀武

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027)

基于微波傳感器的道路拐角警示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖國(guó)平，陳耀武

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310027)

為了減少道路拐角處交通事故發(fā)生的頻率，設(shè)計(jì)了一種能夠檢測(cè)拐角兩側(cè)運(yùn)動(dòng)物體并且測(cè)量速度的警示系統(tǒng)。采用探測(cè)距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、能夠測(cè)量速度的多普勒微波傳感器，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)放大和濾波，采樣后做快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算出頻率，進(jìn)而計(jì)算出車輛和行人的速度，再通過(guò)LED顯示屏發(fā)出適當(dāng)?shù)木拘盘?hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)探測(cè)距離超過(guò)40 m，速率檢測(cè)范圍達(dá)到0.5～73 km/h，能夠有效起到警示作用，具有很高的使用價(jià)值。

多普勒效應(yīng)；微波；快速傅立葉變換；道路拐角警示系統(tǒng)

0 引 言

在道路拐角處，因?yàn)榻ㄖ锏鹊恼趽酰战莾蓚?cè)的行人和車輛無(wú)法看到對(duì)方，很容易發(fā)生事故。特別是比較偏僻、狹窄的道路拐角，更容易因躲避不及發(fā)生交通事故[1]。目前比較常用的解決辦法是在拐角處安裝一面廣角鏡，拐角兩側(cè)的車輛和行人就可以看到對(duì)方。在天氣晴朗、能見(jiàn)度高的情況下，這種辦法非常有效，可以增加駕駛員的可視范圍，及早發(fā)現(xiàn)彎道對(duì)面車輛[2]。但是在以下情況，廣角鏡的作用就會(huì)降低甚至完全發(fā)揮不了作用：1)道路上通?；覊m較多，灰塵覆蓋在廣角鏡上，會(huì)使鏡面模糊，無(wú)法看清。特別是在無(wú)人維護(hù)的地方，長(zhǎng)時(shí)間不擦洗，鏡面將完全被灰塵覆蓋；2)在夜晚、雨霧天氣等惡劣條件下，能見(jiàn)度非常低，廣角鏡將完全失去作用，這也是廣角鏡最無(wú)法克服的缺點(diǎn)[3]。

本文設(shè)計(jì)了道路拐角警示系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了多普勒微波傳感器，可以有效地檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的車輛和行人的速度[4]，通過(guò)LED顯示屏發(fā)出警示信號(hào)，可以配合廣角鏡一起作用，在夜晚和雨霧天氣等氣象條件下也可以正常工作，有效地彌補(bǔ)了廣角鏡在上述情景下的缺點(diǎn)，降低道路拐角發(fā)生交通事故的頻率。

1 設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的基本運(yùn)用場(chǎng)景如圖1所示，拐角兩側(cè)物體駛向拐角處，警示系統(tǒng)通過(guò)分別指向兩側(cè)的2只傳感器檢測(cè)到信號(hào)后計(jì)算出兩側(cè)物體的速度，并產(chǎn)生合適的警示信號(hào)顯示在LED顯示屏上，提醒雙方注意對(duì)方的存在。系統(tǒng)采用InnoSenT公司生產(chǎn)的CW多普勒微波傳感器IPM—165，該傳感器可以在雨霧天氣等惡劣條件下準(zhǔn)確地探測(cè)出道路上運(yùn)動(dòng)的車輛和行人，因?yàn)槲⒉ㄌ綔y(cè)距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)[5]。相比微波，超聲波衰減較快，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，有效測(cè)量距離短[6]，而紅外線則受天氣的影響較大[7]，因此，這兩種方法都不適合本系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)用場(chǎng)景Fig 1 Application scenarios of system

IPM—165多普勒微波傳感器的探測(cè)原理如圖2所示。傳感器的發(fā)射裝置向前方發(fā)射的微波，遇到運(yùn)動(dòng)物體后返回，返回的微波頻率因?yàn)槎嗥绽招?yīng)會(huì)發(fā)生變化[8]，被接收裝備接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。微波的發(fā)射頻率、接收的電信號(hào)頻率和物體的運(yùn)動(dòng)速度滿足

(1)

其中,fD為接收到的電信號(hào)的頻率，Hz;v為運(yùn)動(dòng)物體的速度;km/h，ft為發(fā)射的微波信號(hào)的頻率;θ為發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的夾角，c為光速。實(shí)際運(yùn)用時(shí)，θ很小，可以認(rèn)為為0，光速c=300 000 km/s，發(fā)射信號(hào)的頻率ft=24GHz，因此,公式(1)可以簡(jiǎn)化為

(2)

因此,只要測(cè)量出接收信號(hào)的頻率，就可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體的速度，從而做出相應(yīng)的警示。

圖2 探測(cè)原理Fig 2 Detection theory

采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后，進(jìn)行A/D采樣，然后對(duì)采樣點(diǎn)做快速傅立葉變換(FFT)，即可得出信號(hào)的頻率[9]。公式(3)為FFT中每點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率

(3)

其中,N為參與FFT的點(diǎn)數(shù)，fN為采樣率，k為FFT結(jié)果的第k點(diǎn)，fk為第k點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率。由公式(3)可知結(jié)果的精度與采樣率fN和參與FFT的點(diǎn)數(shù)N相關(guān)，實(shí)際運(yùn)用時(shí)N固定為1 024，考慮到實(shí)際信號(hào)的頻率變化范圍很大，為了確保精度和濾波電路的準(zhǔn)確度，采用浮動(dòng)的采樣率，即實(shí)際進(jìn)行2次采樣和2次FFT，第一次采樣率固定為20 kHz，并做FFT得出信號(hào)的粗略值，第二次根據(jù)這個(gè)粗略值調(diào)整濾波電路和采樣率，再次做FFT得出精確值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)由傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、處理模塊、顯示模塊和電源模塊組成。傳感器的發(fā)射和接收模塊都集成在一起，共有2個(gè)，分別指向拐角的兩側(cè)。傳感器接收到信號(hào)后，由信號(hào)采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和采樣，因?yàn)樾盘?hào)的幅度波動(dòng)很大，因此，信號(hào)采集模塊采用了程控放大器，由處理模塊根據(jù)采樣到的信號(hào)幅度對(duì)程控放大器的放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)整。處理模塊則對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，是整個(gè)系統(tǒng)的控制和分析中心，包括分析信號(hào)幅度以控制程控放大器，粗略計(jì)算信號(hào)頻率以調(diào)整數(shù)字濾波器的相關(guān)參數(shù)，精確計(jì)算信號(hào)頻率以獲取物體的運(yùn)動(dòng)速度和輸出警示信息。顯示模塊用于顯示警示信息，顯示的內(nèi)容包括對(duì)面運(yùn)動(dòng)物體的速度和頻率根據(jù)速度變化而變化的閃爍標(biāo)志。電源模塊則為整個(gè)系統(tǒng)提供電源支持。

圖3 整體設(shè)計(jì)框圖Fig 3 Block diagram of overall design

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。傳感器輸出的信號(hào)首先經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大和二階巴特沃斯低通濾波器，放大有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)。然后進(jìn)入程控放大器，設(shè)置程控放大器的原因是信號(hào)的幅值波動(dòng)很大，需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)整增益。然后再經(jīng)過(guò)四階低通濾波器，以消除程控放大器引入的高頻干擾[10]。最后送入處理器經(jīng)行A/D采樣和相應(yīng)的計(jì)算，LED顯示屏用于顯示警示信息，電源模塊則為整個(gè)系統(tǒng)提供電源支持。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖Fig 4 Block diagram of system hardware

電源部分如圖5所示。由于傳感器的供電電壓為5 V，其余芯片的供電電壓為3.3 V，因此,電源部分產(chǎn)生5,3.3 V 2個(gè)電壓值，5 V由外部提供，3.3 V由穩(wěn)壓芯片從5 V基礎(chǔ)上穩(wěn)壓產(chǎn)生，給后面電路供電。

兩級(jí)放大與二階巴特沃斯低通濾波器的電路圖如圖6所示。兩級(jí)放大器的放大倍數(shù)都為18倍，總共放大324倍，VREF為偏置電壓1.65 V，由3.3 V電源經(jīng)過(guò)2個(gè)相同的電阻器分壓后經(jīng)過(guò)電壓跟隨器產(chǎn)生，二階巴特沃斯低通濾波器的截止頻率為7.19 kHz。整個(gè)電路的增益為50.2 dB，頻帶范圍為24.4 Hz～7.19 kHz。

圖5 電源Fig 5 Power

圖6 兩級(jí)放大和巴特沃斯低通濾波器Fig 6 Second-order amplification and Butterworth low-pass filter

程控放大器如圖7所示，為單端軌到軌低增益PGA，其放大倍數(shù)有1,2,4,5,8,10,16,32共八種選擇，處理器通過(guò)SPI時(shí)序控制放大倍數(shù)。四階低通濾波器如圖8所示，其中，Vpga為程控放大器的輸出，最后連接到處理器的A/D輸入端，該四階低通濾波器的截止頻率為3.46 kHz。

圖7 程控放大器Fig 7 Program-controlled amplifier

圖8 四階低通濾波器Fig 8 Fourth-order low-pass filter

處理器采用了EASYARM1138，因?yàn)榇颂幚砥髯詭/D，頻率最高為50 MHz，程序燒寫(xiě)調(diào)試方便。ARM處理器的PF5口連接到程控放大器的CS1，PF6連接到SCK，PF7連接到SI，ADC0連接到四階低通濾波器的輸出，由此可采集信號(hào)，控制電路放大倍數(shù)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)信號(hào)頻率波動(dòng)和幅值波動(dòng)都比較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖9所示的系統(tǒng)軟件框圖。信號(hào)首先進(jìn)入采樣模塊進(jìn)行A/D第一次采樣，采樣率為20 kHz，根據(jù)采樣到的信號(hào)幅值，增益調(diào)整模塊會(huì)反復(fù)調(diào)整程控放大器的大小，得到合適的信號(hào)幅值。如果調(diào)整后幅值過(guò)小，說(shuō)明沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的物體，顯示模塊會(huì)顯示安全標(biāo)志;如果幅值過(guò)大，則說(shuō)明運(yùn)動(dòng)物體離傳感器非常近，已經(jīng)接近拐角處，顯示模塊會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的警示信息，提醒行人車輛注意安全。如果幅值在A/D的采樣范圍內(nèi)，則數(shù)據(jù)會(huì)直接送入FFT模塊進(jìn)行第一次的計(jì)算，由于此時(shí)并不清楚信號(hào)的具體頻率，因此,采樣率固定為20 kHz，參與計(jì)算的點(diǎn)數(shù)為1 024 點(diǎn)，得出信號(hào)頻率的粗略值。根據(jù)這個(gè)粗略值，系統(tǒng)將調(diào)整采樣模塊的采樣率，避免出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，平衡處理時(shí)間與精度，同時(shí)調(diào)整數(shù)字濾波器IIR的參數(shù)，設(shè)置合理的截止頻率。然后采樣模塊根據(jù)新的采樣率再次采樣，并將數(shù)據(jù)送入IIR模塊進(jìn)行數(shù)字濾波，進(jìn)一步濾除高頻信號(hào)，然后送入FFT模塊進(jìn)行第二次計(jì)算，得出信號(hào)頻率的精確值，根據(jù)公式即可計(jì)算出此時(shí)運(yùn)動(dòng)物體的速度，從而在顯示模塊上顯示對(duì)應(yīng)的警示信息。在運(yùn)動(dòng)物體靠近或者遠(yuǎn)離拐角的過(guò)程中，上述過(guò)程將反復(fù)進(jìn)行多次，實(shí)時(shí)更新警示信息，確保安全。

圖9 系統(tǒng)軟件框圖Fig 9 Block diagram of system software

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示，測(cè)試時(shí)連接2個(gè)安裝傳感器的鋁殼，分別指向拐角的兩側(cè)。測(cè)試環(huán)境選擇在人流和車流比較少的偏僻處，選用同樣的車輛和行人，分別在雨天和夜晚進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab 1 Test results

測(cè)試結(jié)果表明:在能見(jiàn)度差的夜晚和雨天，警示系統(tǒng)能夠探測(cè)的最遠(yuǎn)距離超過(guò)40 m，探測(cè)速度在0.5～73 km/h之間，警示成功率在90 %以上，在雨天各項(xiàng)指標(biāo)有所下降，但都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足實(shí)際的需要。

圖10 警示系統(tǒng)實(shí)物圖Fig 10 Physical map of warning system

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用多普勒微波傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度，設(shè)計(jì)了道路拐角警示系統(tǒng)，此系統(tǒng)克服了廣泛使用的廣角鏡在夜晚、雨霧天氣等惡劣條件下無(wú)法作用的缺點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，探測(cè)距離遠(yuǎn)，超過(guò)40 m，探測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度范圍大，可以達(dá)到0.5～73 km/h，滿足實(shí)際的預(yù)警要求，警示效果明顯，配合廣角鏡一起使用，具有很高的實(shí)際使用價(jià)值。

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Design of road corner warning system based on microwave sensor

XIAO Guo-ping，CHEN Yao-wu

(College of Biomedical Engineering & Instrument Science，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

In order to reduce traffic accident in road corner, design a warning system which can detect and measure speed of moving object on both sides of the road corner.The Doppler microwave sensor which has long detection distance, strong penetrability and can measure speed is chosen,and signal generated by the sensor is multi-level magnified, filtered,sampled and then used to make FFT to get its frequency,then speed of car and pedestrian is calculated,appropriate warning signal is displayed on the LED screen.The result of tests indicate that the detection distance of the system exceeds 40 m,range of speed detection is 0.5～73 km/h,which has effective warning effect and high practical value.

Doppler effect；microwave；fast Fourier transform(FFT)；road corner warning system

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0094—03

2014—01—24

TP 212

A

1000—9787(2014)10—0094—03

肖國(guó)平(1989-)，男，江西贛州人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。