基于多普勒雷達(dá)的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)

王陸林， 劉貴如

(1.奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術(shù)研究院，安徽蕪湖　241006；2.安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽蕪湖　241000)

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基于多普勒雷達(dá)的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)

王陸林1， 劉貴如2

(1.奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術(shù)研究院，安徽蕪湖241006；2.安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽蕪湖241000)

摘要：為解決駕乘人員開車門導(dǎo)致的車門和后方接近目標(biāo)發(fā)生碰撞的問題，設(shè)計(jì)一種基于多普勒雷達(dá)的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)通過多普勒雷達(dá)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。采用雷達(dá)中頻信號(hào)處理模塊對(duì)前端返回的中頻信號(hào)進(jìn)行處理，并通過恒虛警檢測(cè)算法根據(jù)噪聲強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)整識(shí)別門限，保持恒定的目標(biāo)探測(cè)概率。通過在奇瑞G6車上進(jìn)行的標(biāo)定和實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試，該系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車的預(yù)警率均大于97.00%，表明系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)進(jìn)入車輛后方報(bào)警區(qū)域的動(dòng)態(tài)目標(biāo)并進(jìn)行有效預(yù)警。

關(guān)鍵詞：車輛；開門預(yù)警系統(tǒng)；多普勒雷達(dá)；目標(biāo)探測(cè)

車輛駕乘人員開車門時(shí)，車門和后方接近的機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車發(fā)生碰撞，對(duì)駕駛員尤其是對(duì)非機(jī)動(dòng)車駕駛員造成嚴(yán)重傷害，甚至死亡。開門預(yù)警系統(tǒng)是為了避免該類事故發(fā)生而開發(fā)的一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)，該系統(tǒng)在駕乘人員下車前，觸動(dòng)聲光警示電路進(jìn)行聲、光的提醒，提醒其注意回頭觀測(cè)后方車況,同時(shí)也提醒車外行人、車輛注意停車開門車輛，從而避免交通事故的發(fā)生。

目前車輛開門預(yù)警技術(shù)主要采用兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是通過視覺實(shí)現(xiàn)車輛后方區(qū)域目標(biāo)的探測(cè)，這種方式探測(cè)距離有限、精度差，容易受各種環(huán)境因素影響，目前采用的比較少；另一種是采用調(diào)頻雷達(dá)技術(shù)，探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高，不受外界環(huán)境因素的影響，但是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高。

本文設(shè)計(jì)一種基于多普勒雷達(dá)[1]的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)，通過多普勒雷達(dá)對(duì)后方區(qū)域接近目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)開門預(yù)警功能。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開關(guān)、車速傳感器、車門門鎖狀態(tài)開關(guān)、車門開關(guān)信號(hào)、多普勒雷達(dá)探測(cè)模塊、車內(nèi)提醒裝置和車外提醒裝置等。

各個(gè)開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)由控制單元通過CAN總線從車身控制器BCM獲取，并通過CAN總線和儀表控制單元與車載電腦通信，分別控制蜂鳴器和語音報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警提醒，以及通過BCM控制轉(zhuǎn)向燈對(duì)后方接近車輛進(jìn)行提醒。系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示。

圖2　系統(tǒng)整車布置

系統(tǒng)利用多普勒雷達(dá)具有的多普勒效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。針對(duì)車輛一般靠最右側(cè)車道以及車道最右側(cè)停車的場(chǎng)景需求，可以選擇單雷達(dá)方案，系統(tǒng)控制器安裝在車尾左后保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)，與車輛后軸平行，垂直仰角為2°～2.5°；系統(tǒng)LED提醒裝置安裝在車內(nèi)左側(cè)前后門把手位置。系統(tǒng)整車布置如圖2所示。

當(dāng)車輛減速停車，且車門鎖處于允許開啟狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警功能開啟。當(dāng)車門未打開時(shí)，如果有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)接近并進(jìn)入車輛后方報(bào)警區(qū)域，系統(tǒng)首先通過LED報(bào)警燈進(jìn)行一級(jí)視覺報(bào)警，同時(shí)進(jìn)行語音提醒；如果此時(shí)駕乘人員欲開啟車門準(zhǔn)備下車，當(dāng)撥動(dòng)門把手觸發(fā)車門開關(guān)信號(hào)的瞬間，系統(tǒng)檢測(cè)到車門打開狀態(tài)，系統(tǒng)通過蜂鳴器進(jìn)行二級(jí)聲音報(bào)警或語音提醒，提醒駕乘人員此時(shí)開門可能有危險(xiǎn)，要注意觀測(cè)車輛后方車況，分段打開車門，在確保安全的情況下開門下車，從而避免碰撞事故的發(fā)生。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1多普勒雷達(dá)前端設(shè)計(jì)

圖3　多普勒雷達(dá)前端結(jié)構(gòu)

根據(jù)雷達(dá)方程和系統(tǒng)探測(cè)距離，設(shè)計(jì)一種高靈敏度、低成本的多普勒雷達(dá)前端[2]，結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)采用微帶無源結(jié)構(gòu)，方案簡(jiǎn)單，成本低。

圖3中5 V供電壓控振蕩器產(chǎn)生24 GHz的微波振蕩信號(hào)，由功分器分為兩路：一路經(jīng)濾波器濾波后經(jīng)平面微帶發(fā)射天線發(fā)射出去，另一路提供給接收通道作為混頻器本振源；接收天線接收回波信號(hào)經(jīng)過低噪放處理后，再經(jīng)過功分器一分為二提供給兩個(gè)混頻器，混頻器將回波信號(hào)與兩路本振信號(hào)進(jìn)行混頻后輸出兩路相位相差90°的中頻信號(hào)[3]。

2.2系統(tǒng)后端硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)本系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)一種后端硬件方案，結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要包括電源系統(tǒng)、點(diǎn)火開關(guān)信號(hào)采集電路、CAN通信電路、多普勒雷達(dá)信號(hào)采集處理電路、多普勒毫米波雷達(dá)前端、視覺和聲音報(bào)警輸出控制電路以及信號(hào)處理器最小系統(tǒng)電路。

眼睛也是如此，在長(zhǎng)期的移動(dòng)生活中，人類的眼睛也適應(yīng)了變化的景觀和景物(這種適應(yīng)可能還與一定的速度有關(guān))，對(duì)持續(xù)不變的景物也是不適應(yīng)的。這正如同眼睛不適應(yīng)過強(qiáng)的光線、過暗的光線一樣。當(dāng)然對(duì)于這種不適應(yīng)，我們現(xiàn)代人發(fā)達(dá)的大腦把它美其名曰“審美疲勞”。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

中頻處理電路主要針對(duì)連續(xù)毫米波雷達(dá)單個(gè)中頻回波信號(hào)采用帶通濾波器進(jìn)行濾波放大處理，然后采用DSP內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的DMA傳輸通道在不占用CPU運(yùn)行周期的情況下將數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到DSP內(nèi)置的SRAM存儲(chǔ)器中供算法處理。本方案成本低，且降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，系統(tǒng)可靠性更高。

模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率需按照中頻回波信號(hào)最高頻率計(jì)算，并根據(jù)采樣定理，按照5～10倍進(jìn)行采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采樣率大于26 kHz；通信接口如果選擇并行接口則通信速度需大于26 kb/s，如果選擇串行通信接口則通信速度需大于416 kb/s；ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)一般選擇12位即可，參考電壓采用內(nèi)置參考電壓或者外置高精度的參考電壓。

內(nèi)置SRAM的大小與模數(shù)轉(zhuǎn)換通道個(gè)數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)以及最高與最低頻率倍數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)采用2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集通道，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024個(gè)，最低頻率為200 Hz，最高與最低頻率倍數(shù)為14，故SRAM最小存儲(chǔ)空間為 56 kB?？紤]中間變量和程序運(yùn)行空間，選擇內(nèi)置64 kB的SRAM。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)算法

在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)過程中，為了獲得較高的目標(biāo)檢測(cè)[4]概率，需要根據(jù)實(shí)時(shí)變化的背景噪聲強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整功率識(shí)別門限[5]，常采用恒虛警檢測(cè)方法[6-7]，通過有限個(gè)參考單元估計(jì)雜波干擾的平均功率。單元平均恒虛警(CA-CFAR)[8]在均勻雜波環(huán)境下有較好的檢測(cè)性能，但是在雜波邊緣和有干擾目標(biāo)的情況下，檢測(cè)性能明顯下降，而兩側(cè)單元平均選小和選大的檢測(cè)方法[9-11]雖然在雜波邊緣檢測(cè)有很高的檢測(cè)性能，但是在有目標(biāo)干擾的情況下，檢測(cè)性能比CA-CFAR更差?；谂判虻腃FAR檢測(cè)器[12]先進(jìn)行排序，然后選擇兩側(cè)最大或者最小值，與兩側(cè)單元平均選小和選大的方法相比，可以提高有目標(biāo)干擾情況下的檢測(cè)性能，但是沒有充分利用CA-CFAR的優(yōu)點(diǎn)[13-14]。

圖5　改進(jìn)的恒虛警算法

實(shí)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景為雷達(dá)處于靜止?fàn)顟B(tài)，地平面相對(duì)于雷達(dá)靜止，不產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，背景噪聲分布比較均勻[15]，綜合以上檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的CFAR檢測(cè)算法如圖5所示。先對(duì)n個(gè)檢測(cè)單元各自排序，然后選擇最大、最小值取均值得到雜波平均功率T，再結(jié)合門限因子β，得到檢測(cè)門限功率G，各個(gè)檢測(cè)單元功率xm與門限功率G進(jìn)行比較，當(dāng)xm≥G時(shí)認(rèn)為有目標(biāo)，否則認(rèn)為無目標(biāo)，該算法在噪聲、多目標(biāo)干擾和雜波邊緣干擾的場(chǎng)景下，均有很好的檢測(cè)性能和魯棒性[16]。

圖6　系統(tǒng)控制流程圖

3.2系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)通過線束與整車進(jìn)行信息交互，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和用戶需求，系統(tǒng)控制算法流程如圖6所示。

如果此時(shí)有車速大于5 km/h的目標(biāo)進(jìn)入后方報(bào)警區(qū)域，系統(tǒng)首先通過車內(nèi)門把手位置的LED燈對(duì)駕乘人員進(jìn)行提醒，同時(shí)打開轉(zhuǎn)向燈對(duì)后方接近車輛進(jìn)行提醒。

如果駕乘人員撥動(dòng)了門把手準(zhǔn)備打開車門時(shí)，系統(tǒng)通過蜂鳴器報(bào)警進(jìn)行提醒或者預(yù)警提醒，提醒駕乘人員要注意回頭觀測(cè)后方的車況，分段打開車門，在確保安全的情況下開門下車。

如果車輛處于熄火狀態(tài)，且車門門鎖處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)切斷自身電源，系統(tǒng)關(guān)閉。

4試驗(yàn)與分析

圖7　定義系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域

系統(tǒng)首先針對(duì)典型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試，在測(cè)試和標(biāo)定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，標(biāo)定和定義系統(tǒng)報(bào)警區(qū)域。雷達(dá)安裝在后保險(xiǎn)杠左側(cè)，以雷達(dá)的位置為基點(diǎn)，對(duì)于自行車，橫向向外和向內(nèi)各1.5 m，縱向向后10 m的區(qū)域?yàn)閳?bào)警區(qū)域；對(duì)于摩托車，橫向向外和向內(nèi)各1.5 m，縱向向后13 m的區(qū)域?yàn)閳?bào)警區(qū)域；對(duì)于機(jī)動(dòng)車，橫向向外和向內(nèi)各2 m，縱向向后17 m的區(qū)域?yàn)閳?bào)警區(qū)域。系統(tǒng)最小報(bào)警區(qū)域如圖7所示。

系統(tǒng)在奇瑞G6車上進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證，針對(duì)各個(gè)典型目標(biāo)，在標(biāo)定的報(bào)警區(qū)域內(nèi)設(shè)定若干測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試場(chǎng)景見圖8～10，虛線框內(nèi)顯示目標(biāo)進(jìn)入路邊?？康能囕v后方報(bào)警區(qū)域，此時(shí)報(bào)警裝置LED點(diǎn)亮報(bào)警，轉(zhuǎn)向燈閃爍；當(dāng)駕乘人員撥動(dòng)門把手時(shí)，報(bào)警裝置蜂鳴器報(bào)警。

圖8　接近目標(biāo)為自行車的測(cè)試場(chǎng)景　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9　接近目標(biāo)為摩托車的測(cè)試場(chǎng)景

各個(gè)典型目標(biāo)在各測(cè)試點(diǎn)的平均預(yù)警率見表1。由表1可知，自行車、摩托車、轎車的平均預(yù)警率均大于97.00%，測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

圖10　接近目標(biāo)為轎車的測(cè)試場(chǎng)景

表1系統(tǒng)預(yù)警率測(cè)試結(jié)果

典型目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)距控制器的縱向距離/m試驗(yàn)次數(shù)/次預(yù)警次數(shù)/次平均預(yù)警率/%自行車4,741740597.12摩托車4,8,1362260797.58轎車4,8,12,1781979897.43

5結(jié)論

1)設(shè)計(jì)一種基于多普勒雷達(dá)的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)通過LED、儀表內(nèi)置的蜂鳴器和車載多媒體終端進(jìn)行語音提醒等多種提醒方式相結(jié)合，完全能夠滿足車輛開門預(yù)警實(shí)際場(chǎng)景和用戶需求，對(duì)輔助駕乘人員安全開門，降低開門風(fēng)險(xiǎn)有極大幫助。

2)該系統(tǒng)在奇瑞G6車上進(jìn)行了實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，報(bào)警區(qū)域平均預(yù)警率大于97.00%，能夠有效減少因駕乘人員開門可能導(dǎo)致的碰撞事故的發(fā)生。

3)目前系統(tǒng)只針對(duì)常規(guī)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試，后續(xù)研究需要在特殊或者極端場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試，如實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景存在電磁干擾、不同雷達(dá)間的同頻干擾等環(huán)境下的測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Design and Implementation of a Vehicle Door Open Warning System

WANGLulin1，LIUGuiru2

(1.AcademyofScienceandAdvancedTechnology，CheryAutomobileCo.，Ltd.，Wuhu241000，China；

2.SchoolofComputerandInformationScience，AnhuiPolytechnicUniversity，Wuhu241000，China)

Abstract:To prevent collision of a car door suddenly opened and an onboard person and a target approaching from the backside,a vehicle door opening early-warning system is designed based on Doppler radar. The system detects moving targets by Doppler radar. IF signal processing module is used to process the signals from the front-end, and constant false alarm detection algorithm is used to set the threshold, to keep constant target detection. Calibration and site tests were carried out on a Chery G6 car. The system has an early warning rate of greater than 97.00%for motor vehicles and non-motor vehicles, and is effective to issue early warning for moving targets entering into the detection range behind the car.

Key words:vehicle;door open warning system；Doppler radar；target detection

文章編號(hào)：1672-0032(2015)04-0008-05

中圖分類號(hào)：U491.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.003

作者簡(jiǎn)介：王陸林(1979—)，男，山西保德人，工程師，主要研究方向?yàn)檐囕v主動(dòng)安全、智能車輛控制和汽車電控技術(shù).

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué) (91120307)；安徽省自然科學(xué) (1408085MF124)

收稿日期：2015-11-20