基于機(jī)器學(xué)習(xí)的車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)研究

張馨予

(西安文理學(xué)院 信息工程學(xué)院，西安 710065)

0 引言

交通事故發(fā)生次數(shù)有所減少，但趨勢發(fā)展緩慢，由此研究車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)裝置是具有必要性的[1]。該裝置能夠提前探測汽車前方的障礙物，提醒司機(jī)采取緊急措施，可以從根源上防止追尾及危險(xiǎn)事故發(fā)生[2-3]。車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)裝置是提高汽車安全行駛的主要技術(shù)，由該裝置發(fā)射出信號識別目標(biāo)，再對其分析，可精準(zhǔn)定位前方障礙物的位置信息。裝置根據(jù)得到的目標(biāo)信息，能夠輔助司機(jī)對危險(xiǎn)情況的判斷，以此提高汽車行駛安全性[4]。

目前，在車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)中，可用于信號識別的技術(shù)主要有激光掃描技術(shù)、紅外技術(shù)和超聲波技術(shù)，其中超聲波技術(shù)探測范圍較窄，響應(yīng)時(shí)間長，受到外界溫度影響較大，通常適用于倒車?yán)走_(dá)信號識別；激光掃描技術(shù)雖然探測距離較遠(yuǎn)，但探測頭需要光學(xué)窗口，容易被污染物遮蓋；紅外技術(shù)探測距離較短，受到溫度影響雷達(dá)信號識別不精準(zhǔn)。

針對上述問題，提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)研究。

1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信號識別系統(tǒng)硬件架構(gòu)

機(jī)器學(xué)習(xí)是一門交叉學(xué)科，專門研究計(jì)算機(jī)如何模擬人類學(xué)習(xí)行為，以此獲取新的技能[5]。在機(jī)器學(xué)習(xí)支持下，設(shè)計(jì)車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 識別系統(tǒng)硬件架構(gòu)

該系統(tǒng)主要是由信號采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、識別系統(tǒng)、接口電路及信號處理系統(tǒng)等部分組成的?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的雷達(dá)信號識別系統(tǒng)是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法模擬人工學(xué)習(xí)方式得到信號數(shù)字譜，根據(jù)匹配結(jié)果，分析識別速度，使得輸入信號可以同時(shí)與各個(gè)模板存放的雷達(dá)信號匹配識別，提高信號識別速度[6]。當(dāng)輸入雷達(dá)信號與模板信號種類一致時(shí)，不同雷達(dá)發(fā)射的信號，通過匹配識別，有可能受到外界噪聲干擾導(dǎo)致識別精準(zhǔn)度低[7]。因此，在信號處理系統(tǒng)支持下，結(jié)合信號處理技術(shù)，解決信號干擾問題。

1.1 信號采集系統(tǒng)

針對信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需采用BGT24MTR12E6327XUMA1型號原裝雷達(dá)收發(fā)器。

該收發(fā)器具有一個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器，完全集成VCO低相位噪聲，具有1.5 GHz和23 kHz輸出功率的可切換預(yù)分頻器[8]。低噪聲系數(shù)為12 dB、高轉(zhuǎn)換增益為26 dB，單電源電壓為3.3 V，全面ESD保護(hù)器件。使用BGT24MTR12E6327XUMA1型號原裝雷達(dá)收發(fā)器對特定無線電信號持續(xù)監(jiān)聽，當(dāng)出現(xiàn)威脅訊號時(shí)，雷達(dá)收發(fā)器會對司機(jī)發(fā)出預(yù)警信息[9]。

1.2 信號處理系統(tǒng)

將BGT24MTR12E6327XUMA1型號原裝雷達(dá)收發(fā)器輸出的混頻信號通過TendaA9信號放大器發(fā)送到信號處理系統(tǒng)之中，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)、放大處理、A/D轉(zhuǎn)換及頻率估計(jì)，并將結(jié)果通過CAN總線傳輸?shù)杰囉糜?jì)算機(jī)系統(tǒng)之中，以此控制汽車行駛速度[10]。

對于信號處理系統(tǒng)，選擇DSP處理器作為核心組件，整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)電路板上，如圖2所示。

圖2 信號處理系統(tǒng)

由圖2可知：該系統(tǒng)主要是由電源管理、CAN總線接口、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器、Flash、串口通訊等模塊組成[11]。

1.2.1 TMS320F206型號DSP

使用TMS320F206型號DSP芯片，具有高速定點(diǎn)數(shù)字處理功能，存入到該芯片中的信號通過串口以9 600 b/s速率進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)存儲到緩沖區(qū)域，通過A/D轉(zhuǎn)換器將結(jié)果顯示在顯示器上。

TMS320F206型號DSP結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 TMS320F206型號DSP結(jié)構(gòu)框圖

將TMS320F206數(shù)據(jù)發(fā)送給外部時(shí)鐘、內(nèi)部幀同步及連續(xù)模式，接收幀同步脈沖主要是由微控制單元MCU控制產(chǎn)生。當(dāng)調(diào)制調(diào)節(jié)器建立連接且微控制單元MCU接收到發(fā)射的第一個(gè)信號時(shí)，啟動數(shù)字信號處理器接收數(shù)據(jù)[12]。

根據(jù)信號處理要求，該芯片可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次加乘法運(yùn)算，分開程序和數(shù)據(jù)空間，可以同時(shí)訪問指令與數(shù)據(jù)。TMS320F206型號DSP芯片具有快速RAM，可通過獨(dú)立數(shù)據(jù)總線同時(shí)訪問數(shù)據(jù)，具有低成本及跳轉(zhuǎn)硬件支持功能。

1.2.2 TendaA9信號放大器

使用TendaA9信號放大器具有300 M信號擴(kuò)展器，信號放大200 m2，基于IEEE802.11n協(xié)議，通過軟件優(yōu)化后，兼容99%信號擴(kuò)展。

將混頻輸出信號放大至有效倍數(shù)，然后進(jìn)行濾波處理，再利用可調(diào)節(jié)增益放大器對不同位置接收到的雷達(dá)信號放大處理，并利用A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號形式。

1.3 接口電路

TMS320F206型號DSP通過CAN總線和UART接口連接外部設(shè)備，將TJA1041A作為CAN總線收發(fā)器，通過引腳TXD、RXD傳輸數(shù)據(jù)到TJA1041A之中，TJA1041A及部分外圍電路示意圖如圖4所示。

圖4 TJA1041A及部分外圍電路示意圖

UART 連接在發(fā)出兼容 RS232 信號的電路，RS232 標(biāo)準(zhǔn)定義與接地有關(guān)的邏輯“1”信號為-3 V到 -15 V，相對于接地的邏輯“0”為3 V到15 V。因此，當(dāng) DSP 的 UART 連接到 PC 時(shí)，它需要通過 RS232 驅(qū)動程序進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX3232是PC和DSP之間的驅(qū)動IC，采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，其作用是使PC和DSP之間能夠串行通信。

1.4 抗干擾模塊設(shè)計(jì)

為了避免同向和相向干擾信號對識別精準(zhǔn)度影響，設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 流水線結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式

使用如圖5所示的轉(zhuǎn)換方式，方便與TMS320F206型號DSP連接，當(dāng)輸出虛狀態(tài)信號時(shí)，即為同頻和雜波輻射信號，此時(shí)應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，在機(jī)器學(xué)習(xí)支持下獲取實(shí)狀態(tài)信號，利用該方式有效降低干擾信號對識別精準(zhǔn)度的影響。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

面向TMS320F206型號DSP處理器對軟件模塊設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法為實(shí)際車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)提供具體預(yù)警業(yè)務(wù)。

2.1 TMS320F206型號DSP工作流程

TMS320F206型號DSP程序流程如圖6所示。

具體工作流程如下所示：啟動系統(tǒng)后，TMS320F206型號DSP首次初始化，打開異步端，檢測調(diào)制調(diào)節(jié)器是否已經(jīng)準(zhǔn)備好。如果沒有準(zhǔn)備好，需復(fù)位調(diào)制調(diào)節(jié)器；反之，則需將AT指令傳送到調(diào)制調(diào)節(jié)器之中，并初始化調(diào)節(jié)器。調(diào)制調(diào)節(jié)器每次接收到正確指令且正確操作后，會通過異步串口傳送異常信號。因此，如果TMS320F206 DSP接收到該信號，就說明初始化成功，并開始同步信號傳輸。

2.2 車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別

在TMS320F206 DSP程序流程支持下，跟蹤車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法識別信號。針對模糊雷達(dá)特征信號，使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法為信號模擬人類識別過程提供技術(shù)支持。當(dāng)獲取新的信號特征之后，應(yīng)先及時(shí)判斷信號優(yōu)先傳輸路徑是否被占用，并觀察不同雷達(dá)信號相似度。

雷達(dá)信號相似度計(jì)算公式如下所示：

(1)

公式(1)中：fi(x)為雷達(dá)信號相似度分析模型函數(shù)；ω為信號權(quán)重；m為雷達(dá)接收信號數(shù)量；i表示信號分量。依據(jù)上述公式可得到雷達(dá)信號相似度，依據(jù)該相似度能夠精準(zhǔn)判斷出雷達(dá)按信號傳輸路徑，分別是發(fā)送路徑、傳輸路徑和接收路徑，使用雷達(dá)信號相似度分析模型函數(shù)fi(x)識別這三條路徑中的信號，具體識別過程如下所示。

圖6 TMS320F206 DSP程序流程

1)雷達(dá)信號相似度分析模型函數(shù)fi(x)初始化；

2)將硬件設(shè)備接收到的信息傳送到硬件設(shè)備之中；

3)調(diào)用顯示子程序，并實(shí)時(shí)顯示接收到的雷達(dá)信號數(shù)量；

4)調(diào)用歷史接收到的雷達(dá)信號特征，判斷新接收到的雷達(dá)信號是否與歷史特征一致。

5)如果是，則開始識別。否則，清除該信號；

6)雷達(dá)信號特征應(yīng)具有最大可信度；

7)雷達(dá)信號特征最大可信度與其它信號特征可信度之差必須大于設(shè)定的閾值；

8)獲取可信度最高的雷達(dá)信號特征，該特征下的雷達(dá)信號為最終識別結(jié)果。

在TMS320F206型號DSP設(shè)備支持下，設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)流程，由此開始同步信號傳輸。跟蹤車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號，在獲取新特征之后，及時(shí)判斷并計(jì)算信號相似度。調(diào)用顯示子程序和歷史接收到的雷達(dá)信號特征，分析新接收到的雷達(dá)信號是否與歷史特征一致，獲取可信度最高的雷達(dá)信號特征，由此完成信號識別。

3 實(shí)驗(yàn)分析

防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別精準(zhǔn)將直接影響車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)測距性能，因此，結(jié)合汽車上雷達(dá)分部情況進(jìn)行基于機(jī)器學(xué)習(xí)的車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)性能測試。

3.1 汽車?yán)走_(dá)分布

各個(gè)子雷達(dá)在汽車上分布情況如圖7所示。

圖7 各個(gè)子雷達(dá)在汽車上分布情況

圖7中1號子雷達(dá)是遠(yuǎn)程Long range radar雷達(dá)，探測距離可達(dá)到250 m；2～7號子雷達(dá)是近程Short range radar雷達(dá)，探測距離小于35 m。1、2、3號雷達(dá)是對車輛前后測距；4、5、6、7號雷達(dá)是對車輛兩側(cè)盲點(diǎn)測距。遠(yuǎn)近程雷達(dá)探測性能指標(biāo)如表1所示。

表1 遠(yuǎn)近程雷達(dá)探測性能指標(biāo)

針對圖7所示的各個(gè)子雷達(dá)在汽車上分布情況，分析發(fā)現(xiàn)概率、信噪比及虛警概率之間的關(guān)系，在虛警概率一定情況下，雷達(dá)信號信噪比越高，那么發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號的概率也就越大。若要使虛警概率變低，就必須提高雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率，使匹配濾波器輸出足夠高的信噪比，這對于后續(xù)雷達(dá)信號識別驗(yàn)證極為重要。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 相向干擾

受到雷達(dá)天線設(shè)計(jì)影響，車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)掃描方位角較小，使得靠近的兩輛車反向行駛?cè)菀资艿礁蓴_，出現(xiàn)互擾現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 相向干擾雷達(dá)信號接收頻率變化情況

上半部分和下半部分分別表示車輛1和2，由圖8所示雷達(dá)信號接收頻率變化情況可知，兩輛車在相向干擾情況下，子雷達(dá)1、2都出現(xiàn)短時(shí)間接收頻率消失的情況下，且消失點(diǎn)基本一致。在該情況下，分別將激光掃描技術(shù)、紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)下的信號識別精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示。

表2 相向干擾下不同技術(shù)信號識別精準(zhǔn)度/%

系統(tǒng)信噪比越高，雜音就越少。因此，在信噪比為70 dB時(shí)，四種技術(shù)信號識別精準(zhǔn)度都達(dá)到最高，其中激光掃描技術(shù)比紅外技術(shù)和超聲波技術(shù)要高，識別精準(zhǔn)度保持在60%以上，而機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)識別精準(zhǔn)度保持90%以上。由此可得出結(jié)論：相向干擾下機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)信號識別精準(zhǔn)度較高，最高可達(dá)到96%。

3.2.2 同向干擾

同時(shí)裝有防撞雷達(dá)裝置的汽車同向行駛時(shí)，如果兩輛車行駛距離過近，那么離得較近的兩輛車?yán)走_(dá)掃描范圍就會落到對方掃描范圍內(nèi)，該車干擾系統(tǒng)的反射信號就會被另一輛車所接收，造成車輛誤判，提高了雷達(dá)系統(tǒng)虛警概率，如圖9所示。

圖9 同向干擾雷達(dá)信號接收頻率變化情況

圖9中的上半部分和下半部分分別表示車輛1和2，由圖9所示雷達(dá)信號接收頻率變化情況可知，兩輛車在同向干擾情況下，子雷達(dá)4、5、6、7都出現(xiàn)接收頻率較低的情況，在該情況下，分別將激光掃描技術(shù)、紅外技術(shù)、超聲波技術(shù)和基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)下的信號識別精準(zhǔn)度進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 同向干擾下不同技術(shù)信號識別精準(zhǔn)度/%

由表3對比結(jié)果可知，使用激光掃描技術(shù)在不同信噪比下，兩輛車?yán)走_(dá)信號識別精準(zhǔn)度最高為73%；使用紅外技術(shù)在信噪比為70 dB下，兩輛車?yán)走_(dá)信號識別精準(zhǔn)度最高為58；使用超聲波技術(shù)雷達(dá)信號識別精準(zhǔn)度最高為63%；使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)雷達(dá)信號識別精準(zhǔn)度最高為94%。由此可得出結(jié)論：同向干擾下機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)信號識別精準(zhǔn)度較高，最高可達(dá)到94%。

4 結(jié)束語

4.1 結(jié)論

近幾年，隨著汽車在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占?，交通事故時(shí)有發(fā)生，為了防止該事故給人們生命安全帶來的威脅，提出了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)研究。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的同時(shí)，干擾問題也成為雷達(dá)信號識別系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題，因此，提高系統(tǒng)抗噪性對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說是具有重要意義的。針對雷達(dá)信號識別過程中的干擾問題，需根據(jù)數(shù)據(jù)集分布特征形成復(fù)雜聚類邊界，具有良好推廣能力，打破了傳統(tǒng)系統(tǒng)識別精準(zhǔn)度低的問題。

4.2 展望

由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境受到限制，有關(guān)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還有一些后續(xù)工作問題要做，主要有以下幾個(gè)方面：

1)將主動防撞預(yù)警雷達(dá)信號識別系統(tǒng)安裝在汽車上，結(jié)合天線模塊現(xiàn)場測試，并校準(zhǔn)處理。

2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是針對單個(gè)信號識別，而在實(shí)際工作環(huán)境中，雷達(dá)需要檢測多個(gè)目標(biāo)信號，由此引發(fā)雷達(dá)上、下差頻配對問題。然而，由于車用主動防撞預(yù)警雷達(dá)掃頻時(shí)間較長，信號識別會出現(xiàn)多目標(biāo)跨越多個(gè)目標(biāo)單元現(xiàn)象，從而導(dǎo)致雷達(dá)上、下差頻無法配對。當(dāng)前使用迭代算法雖然能夠解決該問題，但耗費(fèi)成本較高，這也是后續(xù)需要解決的問題。

3)設(shè)計(jì)的基于機(jī)器學(xué)習(xí)雷達(dá)信號識別系統(tǒng)除了探測雷達(dá)與探測目標(biāo)之間距離外，還需測量多個(gè)方位角度。