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      基于雷達探測的有軌電車防撞預警系統(tǒng)

      2018-09-14 09:46:44張慶拙鄭廣瑜黃嘉智
      關鍵詞:電車防撞障礙物

      梁 影 張慶拙 鄭廣瑜 黃嘉智

      (上海無線電設備研究所,上海市目標識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海 200090)

      有軌電車作為一種造價低、建設周期短、運量大、環(huán)保的軌道交通工具,在城市群的建設中將扮演重要角色,目前國內(nèi)已有多個城市建設了有軌電車示范線工程。有軌電車在街道上行駛時,部分路段會與社會車輛共享路權(quán),容易發(fā)生交通事故,尤其天氣惡劣時,司機視線受影響,預見危險能力降低,所以為保障交通安全需采取相應的防撞措施。

      雷達在軍事領域多用于目標探測,現(xiàn)擴展到汽車防撞、無人機避撞等領域,其具有全天候、抗干擾能力強的優(yōu)點。有軌電車防撞預警雷達通過對列車運行前方障礙物進行探測,評估其對電車的危害等級,給出相應等級的預警信號。

      1 系統(tǒng)設計

      有軌電車障礙物防撞雷達系統(tǒng)如圖1所示,主要包括雷達傳感器及系統(tǒng)主機。

      圖1 系統(tǒng)框圖

      雷達傳感器探測列車運行前方250m范圍內(nèi)的障礙物,對障礙物的距離、速度、方位進行測量計算;探測信息通過CAN通信傳輸給防撞系統(tǒng)主機,系統(tǒng)主機根據(jù)其運動軌跡、相對距離、運動速度及有軌電車的制動特性計算評估其對電車的危害等級;UDP網(wǎng)絡通信實時將危險目標及預警等級信息傳輸給車載信號系統(tǒng),同時周期性將車輛運行信息傳輸給雷達防撞系統(tǒng),便于對特殊情況的識別處理,如彎道情況。

      2 雷達傳感器

      有軌電車障礙物防撞雷達采用先進的CMOS工藝的毫米波集成電路,支持數(shù)字波束形成的毫米波收發(fā)架構(gòu),多模多功能毫米波雷達的一體化設計。

      通過2發(fā)4收的天線模式,發(fā)射天線間距為4倍的接收天線陣元間距,從而實現(xiàn)8路接收的虛擬陣列,角度分辨能力提高1倍。

      雷達發(fā)射FMCW信號,采用2D-FFT進行距離–速度解耦合,每個發(fā)射天線對應4個虛擬陣元,需要對8路接收數(shù)據(jù)進行2D-FFT處理。對2D-FFT處理結(jié)果進行峰值點搜索(目標判定),提取8組2D-FFT數(shù)據(jù)中目標位置數(shù)據(jù)進行FFT,從而實現(xiàn)目標角度測量。

      3 系統(tǒng)主機信號處理

      3.1 濾波跟蹤技術(shù)

      Kalman濾波器是一個對動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)序列進行線性最小方差誤差估計的算法,通過動態(tài)的狀態(tài)方程和觀測方程描述系統(tǒng),具有計算量小、可實時計算的特點。利用濾波器來估計目標運動,當系統(tǒng)對目標的運動位置和速度有了可靠估計后,就可以在相對較小的區(qū)域內(nèi)進行搜索,從而起到濾波作用,而當目標短暫消失時,可利用濾波器對目標的運動軌跡進行可靠預測,等待目標的重新出現(xiàn)以完成跟蹤過程。本文采用白噪聲、勻速運動模型對雷達探測目標進行濾波跟蹤。

      3.2 恒虛警檢測

      有軌電車運行環(huán)境多變,為抑制雜波,使數(shù)據(jù)處理機不因虛警太多而過載,雷達信號處理機中必須進行CFAR處理。它根據(jù)雜波強度自動調(diào)節(jié)檢測門限,使虛警概率保持恒定。

      3.3 特殊路況處理

      目標的距離、速度、角度等信息均是雷達坐標系數(shù)值,需要轉(zhuǎn)換成大地坐標,在特殊路況(彎道、坡道等)下,目標相對于軌道中心的垂直距離需要結(jié)合線路信息進行計算。

      采取將特殊路況信息預存的方法,如彎道情況預存直緩點、緩直點、彎道半徑、轉(zhuǎn)彎方向等,再用網(wǎng)絡通信獲得的車輛位置信息(所在路段、車輛上下行、車輛公里標等)進行查表,獲取車輛前方線路信息,從而進行目標縱向、橫向距離估算。

      3.4 預警等級劃分

      依據(jù)有軌電車制動率的不同將預警情況分為3類,分別是低等級預警、中等級預警(低制動率)及高等級預警(高制動率)。障礙物探測系統(tǒng)根據(jù)探測到的障礙物危險等級,進行預警提醒。雷達系統(tǒng)低等級預警時,司機應做好制動準備,車速較高則適當減速,直到報警解除,并加強瞭望;雷達系統(tǒng)中等級預警時,司機應立即減速慢行,直到報警解除,并加強瞭望;雷達系統(tǒng)高等級預警時,司機應緊急剎車,并加強瞭望。

      4 結(jié)束語

      有軌電車雷達防撞預警系統(tǒng)通過對電車前方危險目標的識別預警,能夠進一步保障電車運行安全,對交通安全建設具有重要意義。

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