倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍測(cè)量方法及準(zhǔn)確度分析

崔曉川，鄒博維，孫　明

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍測(cè)量方法及準(zhǔn)確度分析

崔曉川，鄒博維，孫明

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300）

提出一種測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍的方法，利用激光器、激光測(cè)距儀及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合超聲波雷達(dá)的原理，通過(guò)光滑擬合雷達(dá)最遠(yuǎn)探測(cè)點(diǎn)的方式，可視化顯示倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的測(cè)量準(zhǔn)確度為2%，最后利用該方法確定倒車(chē)?yán)走_(dá)在視野盲區(qū)內(nèi)為不同障礙物提供的有效探測(cè)范圍。該文通過(guò)將整車(chē)上的倒車(chē)?yán)走_(dá)復(fù)制到臺(tái)架上的方式測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)的探測(cè)范圍，為國(guó)內(nèi)尚不明確的倒車(chē)?yán)走_(dá)測(cè)量范圍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

視野盲區(qū)；倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍；可視化探測(cè)區(qū)域；超聲波雷達(dá)

0　引　言

隨著汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的需求不再局限于簡(jiǎn)單的代步功能，汽車(chē)安全問(wèn)題得到越來(lái)越多的重視。近年來(lái)倒車(chē)事故頻發(fā)，其主要原因是駕駛員視野中存在盲區(qū)。借助于聲光電技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波雷達(dá)測(cè)距已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)提升超聲波測(cè)距準(zhǔn)確度也在做大量的研究［1］。倒車(chē)?yán)走_(dá)能夠?yàn)轳{駛員提供有效的盲區(qū)信息，避免倒車(chē)事故的發(fā)生［2］。目前，倒車(chē)?yán)走_(dá)的探測(cè)范圍、穩(wěn)定性和捕捉速度等特性均有很大提升［3］，不斷地為駕駛員提供更安全的信息。

目前，國(guó)內(nèi)涉及車(chē)輛后視野的標(biāo)準(zhǔn)僅有GB 15084——2013《機(jī)動(dòng)車(chē)輛間接視野裝置性能和安裝要求》［4］，其中主要針對(duì)汽車(chē)內(nèi)后視鏡、外后視鏡、廣角外視鏡、補(bǔ)盲外視鏡（大車(chē)前端）、前視鏡以及一些外部視覺(jué)監(jiān)視設(shè)備（主要為大車(chē)配備）提出要求，其中未對(duì)倒車(chē)?yán)走_(dá)提出明確的標(biāo)準(zhǔn)；而目前奇瑞汽車(chē)有《倒車(chē)?yán)走_(dá)性能臺(tái)架測(cè)試及評(píng)價(jià)測(cè)試規(guī)范》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，福建省有DB35/T 1274——2012《汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)技術(shù)要求和測(cè)試方法》地方標(biāo)準(zhǔn)，但并沒(méi)有明確的測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)［3］。目前美國(guó)高速公路交通安全管理局（NHTSA）正準(zhǔn)備在現(xiàn)行FMVSS No.111法規(guī)基礎(chǔ)上增加對(duì)車(chē)輛倒車(chē)?yán)走_(dá)的探測(cè)范圍的要求，并且正在進(jìn)行大量摸索試驗(yàn)［5］。本文通過(guò)將整車(chē)上的倒車(chē)?yán)走_(dá)復(fù)制到臺(tái)架上的方式，提出一種測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍的方法，并通過(guò)大量試驗(yàn)確定該方法的精度，以便后續(xù)確定一種高準(zhǔn)確度的倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍測(cè)量方案。

1　試驗(yàn)方法

1.1倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)原理

現(xiàn)有的倒車(chē)?yán)走_(dá)主要是采用超聲波進(jìn)行定位，絕大多數(shù)的超聲波探頭是將發(fā)射和接收模塊融合在一起，一般采用壓電陶瓷元件實(shí)現(xiàn)，既可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，又可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射的融合。利用超聲波原理，固定在整車(chē)尾部的超聲波雷達(dá)探頭可以接收由其發(fā)射并且遇到障礙物反射回來(lái)的超聲波，從而計(jì)算車(chē)輛尾部與障礙物之間的距離。

當(dāng)超聲波入射到光滑平界面時(shí)，將產(chǎn)生反射和折射［6-8］，其反射和折射遵循下述公式：

式中：R——聲強(qiáng)反射率；

T——聲強(qiáng)透射率；

P0——入射波聲壓；

Pr——反射波聲壓；

Pt——透射波聲壓；

r——聲壓反射率；

t——聲壓透射率；

Z1、Z2——反射面兩側(cè)兩種介質(zhì)的聲阻抗。

由上述公式可以看出，當(dāng)Z1＞＞Z2或Z2＞＞Z1時(shí)，R≈1，T≈0，即超聲波幾乎呈現(xiàn)全反射。

在實(shí)際應(yīng)用中，倒車(chē)?yán)走_(dá)所發(fā)出的超聲波在空氣中傳播，空氣的聲阻抗Z基本為0，故其遇到其他實(shí)體介質(zhì)障礙物時(shí)，超聲波接近發(fā)生全反射，這也是超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)能夠廣泛應(yīng)用于車(chē)輛尾部測(cè)距的理論基礎(chǔ)。

1.2試驗(yàn)方法概述

由于直接在整車(chē)上測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍時(shí)無(wú)法對(duì)單個(gè)探頭進(jìn)行測(cè)量分析，而且對(duì)整個(gè)探測(cè)范圍的可視化顯示有一定的困難。故本文通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械臺(tái)架配合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，可以模擬不同整車(chē)車(chē)型裝備的倒車(chē)?yán)走_(dá)安裝姿態(tài)，結(jié)合1.1中超聲波原理，尋找每個(gè)獨(dú)立雷達(dá)探頭在不同發(fā)射角度方向上的極限探測(cè)位置，最后采用激光器輔助顯示4個(gè)雷達(dá)探頭的探測(cè)區(qū)域合并范圍，即可清晰顯示所測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)的整體探測(cè)區(qū)域。

首先以水平地面作為z平面、指向車(chē)頭方向?yàn)閤正方向建立坐標(biāo)系，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量VOLVO這款車(chē)型上倒車(chē)?yán)走_(dá)的位置關(guān)系；在同一坐標(biāo)系下調(diào)整臺(tái)架上每個(gè)雷達(dá)的位置關(guān)系，使其滿足整車(chē)裝載倒車(chē)?yán)走_(dá)的相對(duì)位置關(guān)系。由于雷達(dá)發(fā)射的超聲波近似呈現(xiàn)圓錐體分布，故本文認(rèn)為雷達(dá)發(fā)出的超聲波在地面上投影近似為一個(gè)扇形（如圖1所示）。在每個(gè)雷達(dá)正上方固定一個(gè)線激光器作為試驗(yàn)過(guò)程中的輔助顯示裝置，令激光器的初始發(fā)射光線與雷達(dá)探頭法線方向重合；以雷達(dá)發(fā)射面法線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)方向，左右每隔5°遞增的方式旋轉(zhuǎn)線激光器，在每個(gè)方向上沿著激光器光線尋找該角度方向上雷達(dá)探測(cè)的最遠(yuǎn)位置并標(biāo)記在地面上。通過(guò)上述操作可以找到每個(gè)雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域邊界以及對(duì)應(yīng)的極限探測(cè)張角。在找到雷達(dá)探頭的極限探測(cè)張角后，利用兩個(gè)激光器即可在地面上清晰地顯示出該雷達(dá)探頭的探測(cè)張角范圍；在探測(cè)張角范圍內(nèi)將地面上每個(gè)最遠(yuǎn)探測(cè)位置標(biāo)記點(diǎn)圓滑地連接起來(lái)，配合以激光器顯示的張角范圍，可以將每個(gè)雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域清晰地反映在地面上。采用相同的操作方式，可以清晰地模擬顯示出該車(chē)型上裝載的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的整體探測(cè)范圍。

圖1　雷達(dá)探頭探測(cè)區(qū)域在地面上的投影示意圖

2　試驗(yàn)結(jié)果及精度分析

2.1臺(tái)架上模擬整車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)

以VOLVO該款車(chē)型為例，對(duì)其車(chē)輛尾部從右至左的倒車(chē)?yán)走_(dá)探頭分別編號(hào)為1#、2#、3#和4#；同時(shí)將臺(tái)架上的4個(gè)雷達(dá)探頭也進(jìn)行對(duì)應(yīng)的編號(hào)，分別為1＇#、2＇#、3＇#和4＇#。采用1.2所述方法，依次調(diào)整1＇#與2＇#、1＇#與3＇#、1＇#與4＇#雷達(dá)探頭之間的相對(duì)位置關(guān)系和相對(duì)角度關(guān)系，使其分別滿足1#與2#、1#與3#、1#與4#雷達(dá)探頭的位置關(guān)系和相對(duì)角度關(guān)系；通過(guò)上述測(cè)量和調(diào)整即可將VOLVO這款車(chē)型的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)復(fù)制到臺(tái)架上，從而便于后續(xù)測(cè)量該雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域及其占整個(gè)視野盲區(qū)的比例。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。采取上述方法，可以將任何車(chē)型上裝載的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)以相同的方式復(fù)制到臺(tái)架上，有利于后續(xù)分別對(duì)不同車(chē)型倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)探測(cè)范圍進(jìn)行測(cè)量。

表1　VOLVO整車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)相對(duì)位置關(guān)系

表2　臺(tái)架上倒車(chē)?yán)走_(dá)相對(duì)位置關(guān)系

2.2可視化顯示雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域

考慮到倒車(chē)事故中障礙物絕大多數(shù)是低矮的物體，故本文采用一塊高度為1.5m且平整堅(jiān)實(shí)的塑料板作為障礙物，以每個(gè)雷達(dá)探頭法線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)線，利用激光器顯示輔助光線，旋轉(zhuǎn)激光器每隔5°在地面上顯示出一條直線，檢測(cè)該直線方向上雷達(dá)探測(cè)的最遠(yuǎn)距離；檢測(cè)每個(gè)雷達(dá)探頭張角范圍內(nèi)相應(yīng)角度下的最遠(yuǎn)探測(cè)位置并標(biāo)注在地面上，最后用光滑的曲線順次連接地面上的標(biāo)記點(diǎn)，該光滑曲線即可代表對(duì)應(yīng)雷達(dá)探頭的探測(cè)區(qū)域邊界。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在雷達(dá)兩側(cè)極限張角方向上，其探測(cè)的距離往往達(dá)不到系統(tǒng)說(shuō)明的最遠(yuǎn)距離，本文中實(shí)驗(yàn)的雷達(dá)最遠(yuǎn)探測(cè)距離為2.5 m，但是在極限張角方向上，其探測(cè)距離基本在1m左右。

分別對(duì)4個(gè)雷達(dá)探頭采用相同的操作，并且分別配合以兩個(gè)激光器即可在地面可視地顯示出該款車(chē)型倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的整體探測(cè)區(qū)域范圍，試驗(yàn)效果如圖2所示。

圖2　雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域可視化顯示圖

2.3后視盲區(qū)范圍的確定

根據(jù)GB 15084——2013測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)［4，9-10］，利用三維H點(diǎn)裝置、不同高度的障礙物以及平面鏡，結(jié)合鏡面反射原理，在車(chē)后方慢慢移動(dòng)障礙物，通過(guò)放置在障礙物上方的平面鏡和車(chē)內(nèi)后視鏡的兩次反射，找到平面鏡內(nèi)首次出現(xiàn)三維H點(diǎn)裝置的眼點(diǎn)時(shí)的位置，該位置距離即為相應(yīng)高度障礙物的視野盲區(qū)的長(zhǎng)度；因?yàn)镚B 15084——2013中要求車(chē)外后視鏡要能看到車(chē)寬以外的視野，故車(chē)輛內(nèi)視鏡與外視鏡的共同盲區(qū)即為上述障礙物與車(chē)尾部距離和車(chē)寬的乘積。根據(jù)2.2中所述的方法確定的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域與該視野盲區(qū)的交集即為倒車(chē)?yán)走_(dá)提供的有效盲區(qū)信息。測(cè)量視野盲區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示，倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)占盲區(qū)范圍示意圖如圖4所示。

圖3　測(cè)量視野盲區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)景

圖4　倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)占盲區(qū)范圍示意圖

2.4試驗(yàn)結(jié)果及準(zhǔn)確度分析

通過(guò)驗(yàn)證探測(cè)區(qū)域連接的光滑邊界線的準(zhǔn)確程度來(lái)確定本文所述方法的準(zhǔn)確度。利用2.2中方法找到整個(gè)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域后，可以一目了然地計(jì)算出該款雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域占整個(gè)視野盲區(qū)的比例。

2.4.1探測(cè)區(qū)域邊界的準(zhǔn)確度

沿著4個(gè)雷達(dá)探測(cè)區(qū)域的并集（即整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域）的邊界線移動(dòng)障礙物，檢測(cè)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)區(qū)域邊界外是否還有觸發(fā)點(diǎn)，如果有觸發(fā)點(diǎn)，則計(jì)算出該誤差點(diǎn)與該方向上標(biāo)記的最遠(yuǎn)探測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差，通過(guò)探測(cè)擬合邊界的相對(duì)誤差可以確定本文所述方法測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)范圍的準(zhǔn)確度。表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，本文所述方法確定的雷達(dá)探測(cè)區(qū)域相對(duì)準(zhǔn)確度在2%左右，圖5是試驗(yàn)測(cè)量出的擬合邊界外的誤差點(diǎn)與該方向擬合曲線上觸發(fā)點(diǎn)之間的誤差圖。

圖5　試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差圖

表3　利用光滑連接曲線代表探測(cè)區(qū)域邊界時(shí)的誤差

2.4.2倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍占視野盲區(qū)比例的試驗(yàn)結(jié)果

利用本文設(shè)計(jì)的方法測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)探測(cè)范圍會(huì)減少一部分由車(chē)輛內(nèi)視鏡與外視鏡帶來(lái)的共同視野盲區(qū)的范圍，這便是雷達(dá)系統(tǒng)為駕駛員提供的有效盲區(qū)信息。本文選取具有代表性的3種高度的障礙物，分別為：1.0，0.7，0.5m；依次代表較易引發(fā)倒車(chē)事故的年齡段為4～6歲的兒童的平均身高、樁類(lèi)障礙物高度、以及4～6歲年齡段兒童蹲下玩耍時(shí)的高度進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量并計(jì)算本文所述方法確定的倒車(chē)?yán)走_(dá)區(qū)域占整體視野盲區(qū)的百分比。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　雷達(dá)探測(cè)范圍占不同障礙物視野盲區(qū)的范圍

3　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種測(cè)量倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)探測(cè)區(qū)域的方法，通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，并給出了該方法的準(zhǔn)確度。但是在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確安裝固定每個(gè)雷達(dá)以及拆卸、旋轉(zhuǎn)輔助激光器的過(guò)程比較繁瑣，占用了大量的工作時(shí)間；并且依靠螺絲固定的方式對(duì)試驗(yàn)的精度和一致性有相當(dāng)大的影響。后續(xù)需要對(duì)整套試驗(yàn)裝置進(jìn)行一定的改進(jìn)，使完善后的試驗(yàn)?zāi)茉谝淮喂潭ê?，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或者其他方式，達(dá)到無(wú)需人為調(diào)整激光器的狀態(tài)就可完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的目的，即提高整套系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，也能同時(shí)提高該方法的測(cè)量準(zhǔn)確度。

［1］常靜，賀煥林.減少超聲波測(cè)距儀盲區(qū)的研究［J］.中國(guó)棉花加工，2005（5）：22-23.

［2］吳妍.汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［3］劉海峰.汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)全接觸［J］.汽車(chē)電器，2007（12）：5-8.

［4］機(jī)動(dòng)車(chē)輛間接視野裝置性能和安裝要求：GB 15084——2013［S］.北京：中國(guó)質(zhì)檢出版社，2013.

［5］Federal Motor Vehicle Safety Standard NO.111 Rearview Mirrors-passenger Cars，Multipurpose Passenger Vehicles，Trucks，Buses，School Buses and Motorcycles［S］.Washington DC：National Highway Traffic Safety Administration，2009.

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（編輯：莫婕）

Measuring method of reversing radar detection range and accuracy analysis

CUI Xiaochuan，ZOU Bowei，SUN Ming
（China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300，China）

This paper has proposed a method to measure the detection range of reversing radar by using a laser，a laser distance meter and a coordinate measurement machine.Specifically，fit the farthest position that radar can detect smoothly with the operating principle of ultrasonic radar to visualize the detection range of reversing radar.The measurement accuracy was verified to be 2%. The last step was determining the effective detection scope provided by the reversing radar in blind spot vision to different obstacles.Particularly，the radar system installed on vehicle was reverted to a test bench to measure the detection range.The method offers a reference for domestic standards that are still indefinite for the measurement range of reversing radar.

blind spot vision；reversing radar detection range；visual detection area；ultrasonic radar

A

1674-5124（2016）05-0042-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.009

2015-10-08；

2015-11-22

崔曉川（1987-），男，天津市人，工程師，研究方向?yàn)檎?chē)性能、道路試驗(yàn)、車(chē)輛主動(dòng)安全與被動(dòng)安全。