汽車開門防撞預(yù)警技術(shù)研究進(jìn)展*

孫會明，秦永法，張 純

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和城鄉(xiāng)居民生活水平的迅速提高，作為代步工具的小汽車在人們生活中越來越普及，據(jù)2016年國家統(tǒng)計局年度披露，交通事故所造成的直接財產(chǎn)損失高達(dá)12億多,且現(xiàn)在的交通事故發(fā)生類型也由傳統(tǒng)的汽車碰撞衍生到人、車、路的耦合事故。近幾年一種俗稱“開門死”的事故不斷涌入人們的視線，此類事故實際上是駐車時由于開門不當(dāng)致使駐車車輛側(cè)后方的非機(jī)動車、行人撞上車門，造成人員傷亡及車輛的損壞。20世紀(jì)70年代在新西蘭僅有1%的此類交通事故被媒體報道，針對此現(xiàn)象Atkinson和Hurst在文獻(xiàn)中給出了一種解釋“可能是因為當(dāng)時公眾對此類事故的重視程度還不夠[1]”；據(jù)英國STATS19數(shù)據(jù)顯示，在1991年～2008年的交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，涉及自行車與機(jī)動車碰撞的案例共23 104起，其中因開門碰撞發(fā)生的事故有5 000起[2]；澳大利亞維多利亞州的墨爾本城市警察局提供的交通事故數(shù)據(jù)顯示，從2000年至2011年共發(fā)生14 888起自行車碰撞車事件，其中涉及開門碰撞的為1 247起，而醫(yī)院根據(jù)接收事故傷員的統(tǒng)計，在12 844起自行車碰撞車禍中，開門事故占據(jù)了401起，這些開門事故共造成342人重傷，其中尤為引人注目的是在2008年～2009年這一年中，開門事故急劇增加，并在后幾年一直維持在高位震蕩[3]；在加拿大的多倫多，車門碰撞事故是三種最常見的自行車事故之一，約占自行車事故的11.9%[4-6]；美國波斯頓警察局接收到的有關(guān)自行車事故的報案記錄中，開門碰撞事故占據(jù)了16%[7]；在瑞典的一項調(diào)查中，非機(jī)動與車門的碰撞事故占據(jù)非機(jī)動車總事故量的4.3%[8-9]；在英國的一些志愿者調(diào)查中同樣可以發(fā)現(xiàn)一個很嚴(yán)重的問題，非機(jī)動車駕乘人員為了避免與車門發(fā)生碰撞，有時會選擇逆向行駛[10]；在我國，人民網(wǎng)發(fā)布的南京2015年國慶期間的交通事故數(shù)據(jù)中，因開門發(fā)生的各類交通事故高達(dá)98起，其中僅10月9日一天就發(fā)生了17起。

大量的數(shù)據(jù)表明，“開門死”的事故已經(jīng)不容忽視。在雨、雪、霧等道路交通情況惡化的極端天氣下，或是道路照明條件不佳的夜晚，視線的局限使得開門事故發(fā)生的可能性進(jìn)一步上升。而遺憾的是目前市場少有預(yù)警側(cè)后方來車的主動安全技術(shù)。人們對于代步工具不僅要求舒適更要求安全，至于安全不僅要考慮自身安全同時也要考慮他人的安全，考慮行駛安全、駐車安全的同時更不能忽視開門的安全。因此將傳統(tǒng)的開門防撞由思想防范轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)防范，進(jìn)行移動障礙物的辨識，從而能夠使駕乘人員盡可能地察覺到危險，并通過危險預(yù)測提前發(fā)出預(yù)警信號，以引起注意，從根本上減少因此類事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1 開門防撞預(yù)警技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

汽車開門防撞安全預(yù)警技術(shù)源于車載倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)和變道輔助系統(tǒng)。有關(guān)汽車開門事故最初由Dennerlein和Meeker在2002年提出，并將這類事故定義為“Doored”，即停在街道一側(cè)的汽車或卡車的門從車內(nèi)被打開，車門侵入一個臨近非機(jī)動車道路造成的碰撞。三年后這一現(xiàn)象也同樣引起了倫敦交通局(Transport for London，TFL)的注意，但是這種交通事故類型并未引起廣泛的關(guān)注。

發(fā)生開門碰撞事故時，騎車人可能遭遇兩種類型傷害：摔倒或是摔倒后的二次傷害[11-13]。非機(jī)動車與汽車開門發(fā)生碰撞示意圖如圖1所示。

圖1 非機(jī)動車與汽車開門發(fā)生碰撞示意圖

圖2 汽車開門事故模型

圖2中，A為路邊停放的汽車，B為道路使用者，n為事故數(shù)量。其中581事故模型的發(fā)生概率較大，占189例，582事故模型占36例。研究還透露車輛前部車門的事故概率遠(yuǎn)大于后門，其中左前門尤為嚴(yán)重。具體事故案例分布見圖3。

圖3 開門事故的車門位置分布

近幾年開門事故愈發(fā)常見，自2010年起，伴隨著聲波、現(xiàn)代信號處理及電子技術(shù)等不斷發(fā)展，采用信號采集結(jié)合數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來降低開門事故發(fā)生率成為了汽車主動安全技術(shù)的研究熱點問題，國際上不少汽車公司相繼關(guān)注并解決了開門防撞系統(tǒng)的技術(shù)難題。

目前已在市場銷售的奧迪高配車型如奧迪A42017款、奧迪Q7等具備有下車警示功能，當(dāng)車輛停住后，系統(tǒng)將檢測從奧迪車后面接近的其他車輛和行人等，如果存在風(fēng)險，則在打開車門前就予以提醒，即當(dāng)車門打開時，門上燈帶以及后視鏡上的側(cè)向輔助警示性燈會點亮以提醒乘客(如圖4所示)，這項技術(shù)主要是基于盲點監(jiān)測系統(tǒng)。

圖5是德國凱毅德公司開發(fā)的一種創(chuàng)新車門，可實現(xiàn)開門過程中的車門制動。這是一款基于傳感器的安全保護(hù)系統(tǒng)，是基于視頻技術(shù)并結(jié)合電磁技術(shù)的門鎖系統(tǒng)，設(shè)計的目的是減少車門金屬的額外損傷以及開門時撞擊附近物體造成的高額保險索賠。通過在后視鏡的下端增加兩個攝像頭來監(jiān)測車門附近的障礙物，系統(tǒng)接收到障礙物的信息后作出指令，是否實行車門制動。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)開門過程中車門制動，進(jìn)一步提高了開門過程中的安全性。

圖4奧迪下車警示功能圖5凱毅德i-protect門鎖系統(tǒng)

澳大利亞墨爾本的一家名叫“Dooring Alert System”的公司，同樣研發(fā)了這樣一款用于開門防撞預(yù)警的裝置，第一代雛形DAS-Alpha系統(tǒng)的啟用是通過釋放任何安全帶來實現(xiàn)的，采用燈光報警來提醒車內(nèi)外人員，其中車外提醒的閃光燈位于后風(fēng)窗兩側(cè)中部。第二代產(chǎn)品DAS-Lambda現(xiàn)處于研發(fā)當(dāng)中，主要技術(shù)是通過在后視鏡內(nèi)集成攝像頭來探測后方的運(yùn)動障礙物，這點與凱毅德公司的技術(shù)相類似。

美國德爾福曾經(jīng)研制出一款被稱作是Safe Exit System的開門預(yù)警系統(tǒng)原理樣機(jī)，在樣機(jī)中將兩側(cè)車門全打開后所能覆蓋到的車輛后方兩側(cè)區(qū)域定義為預(yù)警區(qū)域，通過檢測后方有無障礙物的存在來觸發(fā)報警。2014年德爾福推出了雷達(dá)視頻集成系統(tǒng)RAcam和后部及側(cè)邊碰撞預(yù)警系統(tǒng)RSDS，其中集成了Safe Exit的功能。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)如南京林業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、重慶交通大學(xué)、安徽工程大學(xué)、北京信息科技大學(xué)等高校科研機(jī)構(gòu)也相繼開展了汽車開門防撞預(yù)警的信號處理和控制原理研究工作，但目前國內(nèi)尚未出現(xiàn)市場推廣的產(chǎn)品，均處于簡單工況下的實驗規(guī)律性描述和防碰撞算法的探索階段。

根據(jù)目前各高校研究中所采用的傳感器類型，可將開門防撞預(yù)警技術(shù)的設(shè)計方案分為以下幾類：

(1) 基于視頻技術(shù)：視頻技術(shù)主要利用攝像頭采集到的圖像進(jìn)行計算機(jī)圖像處理分析，涉及信號處理與融合等多方面的技術(shù)。攝像頭能實時地對車輛周圍的環(huán)境進(jìn)行拍攝，然后將所獲取的圖像數(shù)據(jù)傳遞給車載的ECU，ECU根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法分析得出周圍運(yùn)動目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上計算出目標(biāo)到達(dá)車門所需的最短時間，從而與預(yù)設(shè)的開門預(yù)警閥值進(jìn)行比較判斷來輸出預(yù)警信號及執(zhí)行相關(guān)的控制操作。視頻技術(shù)是國內(nèi)最早開展汽車開門安全所采用的技術(shù)，重慶理工大學(xué)王明亮采用后視攝像頭，并應(yīng)用光流法來監(jiān)測運(yùn)動物體，但對運(yùn)動目標(biāo)的狀態(tài)信息獲取不足；上海交通大學(xué)的王旱霖[15]提出的用于運(yùn)動障礙物運(yùn)動方向的掃描線建立時空信息圖，利用時空信息圖中邊緣線的斜率來判定運(yùn)動障礙物的速度的大小，從而作出決策，局限在于是對實際情況的簡化，該方法可實現(xiàn)背景相對于觀測點靜止的環(huán)境中表現(xiàn)良好，有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

(2) 基于超聲波傳感器技術(shù)：由單個超聲波傳感器或者集成其他測量傳感器形成的多傳感器融合系統(tǒng)通過對目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的測量，依據(jù)其速度和距離進(jìn)行判斷，并發(fā)出報警。這種方式測量精度較高、成本低，但由于超聲波傳感器和激光傳感器[16]都是單方向直線式探測，其中超聲波檢測的目標(biāo)必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°以內(nèi)，且探測距離過近，難以滿足設(shè)計所需要的遠(yuǎn)距離預(yù)警及響應(yīng)速度，極大地削減了預(yù)警的時間，且無法安全有效地覆蓋所需監(jiān)測的區(qū)域，難以在實際中運(yùn)用。雖然利用超聲波陣列可解決測量范圍不足的問題，但是仍會存在部分盲區(qū)[17]。

(3) 基于微波雷達(dá)技術(shù)：基于微波雷達(dá)技術(shù)是通過采用毫米波雷達(dá)傳感器來實現(xiàn)對車輛后方預(yù)警區(qū)域內(nèi)物體的持續(xù)監(jiān)測。該技術(shù)可靠性強(qiáng)、精確度高、魯棒性好，也是到目前為止最成熟的技術(shù)，雖然該技術(shù)成本相對較高，但筆者認(rèn)為后期可通過技術(shù)將此功能融入汽車的盲點監(jiān)測系統(tǒng)中來降低成本，這樣既可以極大地減小對車輛自身結(jié)構(gòu)的改裝，又能節(jié)約應(yīng)用的成本[18-20]。

2 信號處理技術(shù)在開門防撞預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

用軟件進(jìn)行雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計、建模及仿真，可極大地提高設(shè)計效率和雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的性能。雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的電路設(shè)計大都采用數(shù)字信號處理芯片(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)等，這些器件的集成度高，包含大量的運(yùn)算單元或邏輯單元，使雷達(dá)信號處理的設(shè)計更加靈活。信號處理技術(shù)包含如下：

(1) 傅立葉變換：由于信號成分的頻率由目標(biāo)與雷達(dá)之間的相對距離、相對速度等信號成分的幅值混成，與發(fā)射頻率疊加之后就是雷達(dá)的回波信號，對接收到的模擬信號進(jìn)行濾波放大，再經(jīng)AD采樣得到可供DSP直接處理的數(shù)字信號，然后對該數(shù)字信號進(jìn)行頻譜分析，從而獲得目標(biāo)與雷達(dá)的相對距離、相對速度、相對角度等目標(biāo)狀態(tài)參量，因此要通過傅立葉變換算法將一系列具有相同掃描時間間隔的信號值轉(zhuǎn)換為具有相同頻率間隔的頻譜功率密度值。

(2) 探測：由于雷達(dá)發(fā)射特定調(diào)制頻率的信號(如毫米波雷達(dá)典型的24 GHz、77 GHz)，不同目標(biāo)以及同一目標(biāo)處于不同位置對雷達(dá)信號的反射強(qiáng)度都不一樣，為了減小雷達(dá)的虛警，在所有的回波信號中應(yīng)該區(qū)分出是否為干擾信號或是噪聲信號，并設(shè)置相應(yīng)的恒虛警檢測門限。

(3) 目標(biāo)識別：依據(jù)FMCW體制雷達(dá)的測量原理，可以根據(jù)信號掃頻的差值來得出目標(biāo)的相對速度、相對距離以及相對角度。

(4) 跟蹤：目標(biāo)的跟蹤是將當(dāng)前堆棧中所儲存的目標(biāo)狀態(tài)信息與上一時刻所儲存的狀態(tài)信息進(jìn)行分析比較，通過使用貝葉斯公式和卡爾曼濾波理論來推測目標(biāo)未來位置。

(5) 報警：報警是數(shù)字信號處理器將目標(biāo)的狀態(tài)量進(jìn)行安全距離或安全時間的計算與設(shè)定的預(yù)警門限進(jìn)行比較，從而獲知目標(biāo)是否為危險運(yùn)動目標(biāo)。

3 結(jié)束語

在汽車安全技術(shù)研究中，目前涉及防止行人與車輛開門發(fā)生碰撞的車門防撞預(yù)警系統(tǒng)在國內(nèi)外還不是很完善，這是由多種原因造成的，如成本、有效預(yù)警時間等，但其蘊(yùn)藏的市場應(yīng)用價值不可估量。

目前已經(jīng)或是尚處于研究階段的技術(shù)方案在數(shù)學(xué)模型和碰撞算法的建立尚不完善，僅僅停留在有無障礙物的檢測，未能做到動態(tài)地進(jìn)行碰撞危險的預(yù)警。

開門防撞關(guān)鍵技術(shù)還有待于深入研究和理解的問題有：

(1) 從節(jié)約成本和集成化的角度考慮，如何在不對現(xiàn)有車輛進(jìn)行大幅度改裝的情況下，在不干擾現(xiàn)有車載電子系統(tǒng)的穩(wěn)定工作的前提下，通過對控制策略的改變來直接實現(xiàn)開門防撞預(yù)警功能。

(2) 如何準(zhǔn)確地獲取運(yùn)動目標(biāo)的動態(tài)參數(shù)，對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

(3) 車后環(huán)境復(fù)雜，存在多種靜止和運(yùn)動的障礙物，同時移動的障礙物也不一定會對本車的開門產(chǎn)生碰撞威脅，所以如何界定所探測到的運(yùn)動目標(biāo)是否會在開門過程中與車門發(fā)生碰撞值得深入探討。