駕駛?cè)藢?shí)際道路考試距離測量技術(shù)研究?

于鵬程，周志強(qiáng)，牛清寧，劉碩

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062）

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駕駛?cè)藢?shí)際道路考試距離測量技術(shù)研究?

于鵬程，周志強(qiáng)，牛清寧，劉碩

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062）

摘要：根據(jù)實(shí)際道路考試中關(guān)于車距的要求，在分析目前常用距離測量技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種距離測量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了在實(shí)際道路考試的智能評(píng)判考試系統(tǒng)中采用毫米波雷達(dá)用于距離測量的建議。

關(guān)鍵詞：汽車駕駛；實(shí)際道路駕駛技能考試；智能評(píng)判；距離測量

近5年，中國每年新增駕駛?cè)? 600萬以上，與此同時(shí)，道路交通事故頻繁發(fā)生，交通安全形勢十分嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年，駕齡1年以下駕駛?cè)藢?dǎo)致的交通事故數(shù)占總量的15.27%，導(dǎo)致的死亡人數(shù)占交通事故總死亡人數(shù)的13.54%，受傷人數(shù)占交通事故總受傷人數(shù)的15.96%。

交通事故的發(fā)生，除部分是由于車輛機(jī)械故障引起外，80%～90%是由人的因素造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年，全國發(fā)生道路交通事故198 394起，其中由機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)诉`規(guī)造成的事故176 432起，占總數(shù)的88.93%；非違規(guī)過錯(cuò)造成的事故8 311起，占總數(shù)的4.19%。

駕駛?cè)丝荚囎鳛轳{駛?cè)斯芾淼脑搭^大閘，對(duì)保證道路交通安全起著至關(guān)重要的作用。駕駛?cè)丝荚噾?yīng)具備篩查操作不規(guī)范、安全意識(shí)缺乏的考試者的能力。實(shí)際道路駕駛技能考試作為考核駕駛?cè)松下否{駛綜合能力及上路駕駛安全意識(shí)的主要考試科目，在駕駛?cè)丝荚囍兄陵P(guān)重要。為了公平、公正、科學(xué)、規(guī)范地衡量駕駛?cè)说鸟{駛能力，減少人為因素的影響，同時(shí)降低考官的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升考試效率，目前的駕駛?cè)藢?shí)際道路考試普遍采用智能考試與人工考試相結(jié)合的方式。

1　實(shí)際道路考試中車距的相關(guān)要求

實(shí)際道路考試要求駕駛?cè)笋{駛考試車輛在3～5 km的實(shí)際道路上完成上車準(zhǔn)備、起步、直線行駛、變更車道、會(huì)車、停車、掉頭、通過交叉路口、通過人行橫道、通過學(xué)校、通過公交車站、夜間行駛等14個(gè)考試項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛?cè)笋{駛操作能力、交通標(biāo)志標(biāo)線理解和遵守能力、道路交通情況處理能力、安全文明駕駛意識(shí)等方面的考核。

由于上述考核項(xiàng)目都是在實(shí)際道路中進(jìn)行，考試道路上還存在其他機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人及障礙物，為確保駕駛?cè)嗽趯?shí)際道路考試中的安全，要求駕駛?cè)怂{駛的考試車輛與周邊行駛的其他機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人及障礙物之間保持足夠的安全距離。智能評(píng)判考試系統(tǒng)中對(duì)車距的相關(guān)要求見表1。

表1　實(shí)際道路考試中對(duì)車距的相關(guān)要求

準(zhǔn)確地在考試道路上測量考試車輛與其周邊其他目標(biāo)之間的距離，是決定考試評(píng)判系統(tǒng)是否“智能”的關(guān)鍵先決條件之一。

2　汽車距離測量技術(shù)

目前用于汽車距離測量的方式主要有4種，分別為超聲波雷達(dá)測距、毫米波雷達(dá)測距、激光雷達(dá)測距及視覺測距。

2.1超聲波雷達(dá)測距

超聲波是指振動(dòng)頻率在20 k Hz以上的機(jī)械波，作為一種特殊的聲波，它不僅具備聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕瑫r(shí)具有穿透力強(qiáng)、方向性好、傳輸過程中衰減小和反射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波雷達(dá)測距主要是依據(jù)超聲波的反射特性，方法有振幅檢測法、相位檢測法、渡越時(shí)間法等，其中幅值檢測法易受發(fā)射波的影響，相位檢測法存在檢測范圍小的問題，故常采用渡越時(shí)間法。

采用渡越時(shí)間法測量距離時(shí)，距離按下式計(jì)算：

由于超聲波在空氣中的傳播速度易受溫度的影響，在不同溫度下超聲波的傳播速度不同，在實(shí)際距離計(jì)算中需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的距離計(jì)算公式為：

式中：d′為修正后的與前方目標(biāo)的距離（m）；T為環(huán)境實(shí)際溫度（℃）。

采用超聲波雷達(dá)測距具有制作簡單、價(jià)格低廉、受外界環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，但由于超聲波能量的衰減與距離的平方成正比，也就是說距離越遠(yuǎn)，發(fā)射回來的超聲波越少，靈敏度越差。因此，超聲波雷達(dá)測距適用于短距離測量，通常測量距離為5 m以內(nèi)。

2.2毫米波雷達(dá)測距

毫米波雷達(dá)測距中使用的波長均為毫米級(jí)，工作頻率主要集中在23～24、60～61、76～77 GHz。主要原因是在這3個(gè)特殊頻段上能限制毫米波在較短的范圍內(nèi)傳播，從而最大程度地降低對(duì)其他車輛雷達(dá)或無線電設(shè)備的影響及對(duì)周圍人體的輻射。

毫米波雷達(dá)的測距原理主要是基于多普勒頻移，通過計(jì)算發(fā)射波與反射波之間的相位差變化來確定兩點(diǎn)間的距離。假設(shè)毫米波雷達(dá)的發(fā)射波表示為式（3），則毫米波雷達(dá)接收到的從目標(biāo)反射回來的回波信號(hào)可表示為式（4）。

式中：A為振幅；ω0為發(fā)射波頻率；?為初相。

式中：k為毫米波的衰減系數(shù)；tr為毫米波傳播到目標(biāo)的時(shí)間。

發(fā)射波與回波之間的相位差為；

式中：λ為波長；d為與前方目標(biāo)的距離。

通過計(jì)算發(fā)射波與回波之間的相位差變化，能檢測到距離前方目標(biāo)的距離。采用毫米波雷達(dá)測距具有檢測距離遠(yuǎn)、檢測性能受外界因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，但通常價(jià)格較昂貴。

2.3激光雷達(dá)測距

目前汽車上使用較多的激光測距系統(tǒng)包括成像式激光雷達(dá)和非成像式激光雷達(dá)兩種。激光測距方法主要有脈沖檢測法和相位檢測法兩種。

脈沖檢測法的測距原理為：記錄發(fā)射的激光經(jīng)過前方目標(biāo)反射后返回至被接收的時(shí)間，然后根據(jù)激光在空氣中傳播的速度，計(jì)算得到距離前方目標(biāo)的距離。

相位檢測法的測距原理為：對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制后，記錄發(fā)射的調(diào)制光經(jīng)過前方目標(biāo)反射后返回至被接收時(shí)的相位變化，然后根據(jù)調(diào)制光的波長，計(jì)算得到距離前方目標(biāo)的距離。

由于激光在空氣中的傳播速度快且穩(wěn)定，約為3×108m/s，且光脈沖的寬度可達(dá)到50 ns以下，采用激光測距具有單色性和方向性好、測量距離遠(yuǎn)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。但激光測距的制作難度較大，需防范激光對(duì)人體可能造成的傷害。另外，激光易受外界因素的影響，在惡劣天氣（如雨雪天氣等）下使用時(shí)測量精度會(huì)大幅度下降。

2.4視覺測距

視覺測距的精度很高，但它對(duì)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力有著很高的要求。目前，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的提升，視覺測距已得到廣泛應(yīng)用。

視覺測距方法主要有單目視覺測距法和雙目立體視覺測距法兩種。單目視覺測距法是根據(jù)攝像機(jī)的焦距和標(biāo)定參數(shù)或采用特征匹配技術(shù)和光流技術(shù)，對(duì)攝像機(jī)所采集的每一幅圖像中的目標(biāo)物所在位置的深度、寬度和高度信息進(jìn)行計(jì)算。雙目立體視覺測距法是基于人類利用雙眼的視差感知距離的原理，利用2臺(tái)各自處于不同位置的攝像機(jī)同時(shí)采集同一目標(biāo)物的圖像，然后根據(jù)攝像機(jī)的焦距和標(biāo)定參數(shù)，結(jié)合2幅圖像的視差，采用多目配準(zhǔn)方法計(jì)算得到目標(biāo)物的三維參數(shù)。

相對(duì)于雙目立體視覺測距法，單目視覺測距法的原理較簡單，成本也較低，但由于只依靠單幅圖像確定距離，測量精度不高。雙目立體視覺測距法雖然測量精度較高，但成本較高。另外，視覺測距法易受外界環(huán)境的影響，在惡劣天氣條件下測量精度會(huì)受到顯著影響。

2.5汽車距離測量技術(shù)對(duì)比

上述4種汽車距離測量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2　4種距離測量技術(shù)對(duì)比

3　結(jié)論

考慮到駕駛?cè)藢?shí)際道路考試的內(nèi)容和特點(diǎn)，智能評(píng)判考試系統(tǒng)首先應(yīng)具備良好的檢測精度，即較低的誤報(bào)率和虛報(bào)率。從表2來看，相對(duì)于超聲波雷達(dá)測距、激光雷達(dá)測距和視覺測距，毫米波雷達(dá)測距系統(tǒng)能較好地滿足智能評(píng)判考試系統(tǒng)中考試車輛距離測量的需要，其檢測精度高于超聲波雷達(dá)測距系統(tǒng)，價(jià)格則低于激光雷達(dá)測距系統(tǒng)和視覺測距系統(tǒng)。建議在實(shí)際道路考試的智能評(píng)判考試系統(tǒng)中采用毫米波雷達(dá)用于距離測量。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 公安部交通管理局.中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)［R］.北京：公安部交通管理局，2009.

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［3］ 宋彩霞，王波濤.車輛測距方法［J］.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009（增刊）.

［4］ 趙萬里.基于雷達(dá)的智能車多目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2011.

式中：d為與前方目標(biāo)的距離（m）；c為超聲波傳播速度（m/s）；t為渡越時(shí)間（s），是指發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波到經(jīng)過氣體介質(zhì)傳播后接收傳感器接收到反射回來的超聲波所經(jīng)過的時(shí)間差。

中圖分類號(hào)：U471.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0066-02

基金項(xiàng)目：?公安部技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014JSYJB025）

收稿日期：2016-02-26