基于毫米波雷達的汽車開門防撞系統(tǒng)設(shè)計

費文玉，左付山，趙風(fēng)財，張 敏，張 鵬，李明桃

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037）

當(dāng)車輛靠邊停車后，車內(nèi)乘客由于視野盲區(qū)等因素?zé)o法準(zhǔn)確判斷車輛后方的危險情況，盲目打開車門后極易與后方駛來的危險物體發(fā)生碰撞。有關(guān)文獻指出，總的交通事故傷殘人數(shù)中，11.6%是該事故造成的。更嚴(yán)重的是，當(dāng)后續(xù)駛來的機動車無法及時制動時，非常容易碾壓受害者并對其造成二次傷害，上述情況的死亡人數(shù)在總的死亡人數(shù)中占比大約為5.4%。

目前，國內(nèi)一部分技術(shù)思路只設(shè)計了報警裝置，而沒有過多地設(shè)計緊急制動裝置?？紤]實際情況，該類事故一般發(fā)生在時間較短的情況下，事故雙方來不及做出躲避反應(yīng)。所以，僅有報警裝置無法盡可能地保證安全，還需要設(shè)計緊急制動裝置來強制避免事故的發(fā)生。另一部分技術(shù)思路設(shè)計了鎖止門鎖的緊急制動方式，利用傳感器探測到危險時，車內(nèi)乘客便無法將車門打開。實際生活中，高峰時段的路況十分復(fù)雜多變，來往的車流密集，此時，上述思路有可能造成車門始終無法打開的尷尬情形。即使在加裝了聲光報警裝置后，由于吵鬧的環(huán)境、不良的天氣，快速通過的電動車、行人等，也很難在短時間內(nèi)理解清楚車內(nèi)乘客的下車意圖。車內(nèi)乘客如果盲目按下緊急按鈕強行將車門打開或從車門虛掩的狀態(tài)下打開車門，上述思路便失去了保護功能，該事故依舊會發(fā)生。國外文獻大多分析了該事故原因和建立了事故數(shù)學(xué)模型，一些車企例如奧迪公司設(shè)計了防撞系統(tǒng)，但成本相對較高。因此，開發(fā)一種適用多場景的簡易汽車開門防撞系統(tǒng)十分重要。

1 汽車開門防撞系統(tǒng)設(shè)計總思路

本文總結(jié)了已有思路的弊端，創(chuàng)新性地提出在車內(nèi)乘客打開車門過程中實時探測危險并制動車門的思路。

汽車開門防撞系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和工作流程圖如圖1和圖2所示，其工作過程簡述如下：當(dāng)車內(nèi)乘客開啟車門時，安裝在車門側(cè)面鎖扣附近的毫米波雷達立即向車門后方探測。如果在車門打開一定的角度內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)危險物體，則本系統(tǒng)不影響車門的正常打開；如果雷達探測到危險物體，則制動裝置立即制動車門，使車門不能繼續(xù)開啟。同時，聲光報警裝置提醒車內(nèi)與車外人員。本系統(tǒng)設(shè)計與已有設(shè)計的核心不同在于，本系統(tǒng)采取過程防護的思想，使得車門可以打開，并實現(xiàn)開門中的連續(xù)保護。

圖1 汽車開門防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 汽車開門防撞系統(tǒng)工作流程圖

本系統(tǒng)核心在于毫米波雷達探測裝置的探測功能、數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)處理功能和車門制動裝置的制動功能，下面分別介紹其工作原理。

2 汽車開門防撞系統(tǒng)探測功能設(shè)計

根據(jù)參考文獻[1]，用于探測的傳感器有紅外線傳感器、毫米波雷達、激光雷達、視覺傳感器、超聲波傳感器等。紅外線傳感器受溫度影響較大，激光雷達和視覺傳感器受干濕度影響較大，且成本較高，超聲波傳感器探測距離較近。相較之下，毫米波雷達的各項性能良好且成本適中，故本文選擇此類傳感器來實現(xiàn)汽車開門防撞系統(tǒng)的探測功能。

毫米波雷達可以實現(xiàn)測距、測速、測角等基本功能。例如，雷達甲與目標(biāo)乙之間的距離可以利用測量得到的雷達電磁波往返所需的時間得到，如式（1）所示。

其中，為光速。

測速利用的原理主要是多普勒效應(yīng)，該原理是指，當(dāng)發(fā)射裝置和接收裝置之間有相對的位移時，接收到的回波信號的頻率將改變。多普勒頻率如式（2）所示，利用該式可求出目標(biāo)徑向速度。

測角的原理本文介紹相位法測角，假設(shè)在方位有一個物體，物體的回波信號與發(fā)射信號幾乎平行。兩接收天線收到的回波信號由于存在波程差Δ而產(chǎn)生了一個相位差為，由此可得式（3）。

其中，為雷達的波長，為兩天線基線間長度。利用相位計的比相，可以測得其相位差，就可以確定物體方向。

本文中的毫米波雷達安裝在車門側(cè)面鎖扣附近，如圖 3所示。這樣設(shè)計的好處是：車門剛剛打開微小的角度，雷達開始實時探測外界物體，數(shù)據(jù)處理模塊實時判斷危險情況，制動裝置可以隨時制動車門，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。

圖3 毫米波雷達安裝位置圖

3 汽車開門防撞系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模型建立與實現(xiàn)

波雷達探測到外界物體的回波信號后，經(jīng)過一系列信號處理算法，得到距離、速度等信息。這些信號處理算法的作用可以概括為抑制背景和干擾物的雜波，增強感興趣目標(biāo)的信號強度，從而提高探測精度。本文中，感興趣目標(biāo)指的是車道上運動中的可能造成危險的物體。常見的信號處理算法流程為：MTI（動目標(biāo)顯示，Moving Target Indication）—MTD（動目標(biāo)檢測，Moving Target Detection）—恒虛警檢測—聚類。MTI和MTD算法的主要作用是抑制外界靜止物體和干擾物的雜波，恒虛警檢測的目的是減小漏警和虛警的概率，聚類算法可以使得同屬于一個目標(biāo)的數(shù)據(jù)點集中起來，從而利用雷達點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)對多目標(biāo)的探測和追蹤，如圖4所示。

圖4 信號處理實現(xiàn)多目標(biāo)探測演示圖

當(dāng)雷達采集到多個外界物體的距離、速度等信息后，汽車開門防撞系統(tǒng)應(yīng)及時處理采集到的數(shù)據(jù)，判斷外界物體是否會對車門造成威脅，以此作為采取制動措施的依據(jù)。由于道路上物體的運動涉及到動力學(xué)、天氣狀況等多重因素的影響，其機理十分復(fù)雜，所以本文采用極限學(xué)習(xí)機模型來判斷外界物體危險等級。

根據(jù)式（5）計算，式中 是矩陣的Moore-Penrose增廣逆，是訓(xùn)練樣本標(biāo)簽t排列而成的矩陣。

在上述計算過程完成后，根據(jù)式（6）可以計算測試樣本的標(biāo)簽。

本文選取距離、角度、速度、速度變化率、角度變化率這五個特征值作為輸入值，選取危險等級作為輸出值，1為安全 2為危險。采用MATLAB軟件，導(dǎo)入模擬數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練。預(yù)測結(jié)果如圖 5所示，在少量預(yù)測樣本的情況下，測試結(jié)果可以達到100%的準(zhǔn)確率。

圖5 模擬預(yù)測樣本測試結(jié)果圖

4 汽車開門防撞系統(tǒng)制動功能設(shè)計

為了實現(xiàn)汽車開門防撞系統(tǒng)的制動功能，本文設(shè)計了限位器制動裝置，如圖6—圖8所示。

圖6 限位器制動裝置圖

圖7 制動桿壓縮狀態(tài)圖

圖8 制動桿伸長狀態(tài)圖

根據(jù)文獻[12-14]，目前國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚未對限位器作出充分描述。從部分車型的限位器參數(shù)可以看出，限位器一級限位凹槽處近似對應(yīng)車門開啟一半位置。并且根據(jù)限位器主臂的設(shè)計參數(shù)，一級限位凹槽之前滾柱在限位器主臂上的移動可以看作連續(xù)上坡。

限位盒安裝在限位器主臂上，當(dāng)車門逐漸開啟時，限位盒沿限位器主臂軸向相對移動。限位器主臂安裝在車門與車體之間，其形狀參數(shù)決定了限位級數(shù)與位置。制動擋塊為楔形擋塊，安裝在限位盒側(cè)壁上。制動桿兩端制成與制動擋塊配合的楔形，安裝在滾柱上，可以隨著滾柱移動。當(dāng)制動桿處于收縮狀態(tài)時，其長度不影響滾柱在限位盒內(nèi)的移動；當(dāng)制動桿處于伸長狀態(tài)時，由于其兩端的楔形形狀使制動桿無法向上移動，但可以向下移動。滾柱與限位器主臂直接接觸，沿限位器主臂軸線滾動并在限位盒內(nèi)沿垂直限位器主臂軸線方向移動。限位盒彈簧連接滾柱與限位盒頂部。制動桿導(dǎo)軌位于制動桿內(nèi)部，使得制動桿分離時沿軸向移動。電磁鐵位于制動桿中部，左右分離部分各一個，通電時具有磁性，斷電時不具有磁性。電磁鐵導(dǎo)線連接電磁鐵，用于給電磁鐵供電。制動桿彈簧位于制動桿內(nèi)部，連接制動桿兩端，在制動桿收縮狀態(tài)下保持壓縮。

車門逐漸開啟時，限位盒沿限位器主臂軸向相對移動，滾柱與制動桿在限位盒內(nèi)部向上移動。電磁鐵導(dǎo)線通電使電磁鐵具有磁性，從而使制動桿保持收縮狀態(tài)，不影響滾柱的移動。當(dāng)電磁鐵導(dǎo)線經(jīng)歷斷電又通電的過程后，電磁鐵由于導(dǎo)線斷電而失去磁性，使制動桿在制動桿彈簧的彈性力作用下沿制動桿導(dǎo)軌伸長。制動桿卡在制動擋塊下，使?jié)L輪無法繼續(xù)向上移動，從而使車門無法繼續(xù)開啟。并且，此時由于制動桿處于伸長狀態(tài)使電磁鐵無法吸合。此時關(guān)閉車門，滾柱連同制動桿向下移動，由于制動桿兩端與制動擋塊的楔形配合，使制動桿壓縮，其長度使電磁鐵可以吸合，制動桿恢復(fù)收縮狀態(tài)，不影響滾柱在限位盒內(nèi)的移動。

通過上述工作流程，限位器制動裝置可以在毫米波雷達探測到危險物體時及時鎖止車門，避免嚴(yán)重事故的發(fā)生。限位器制動裝置的安裝位置如圖 9所示，在限位器處設(shè)計制動裝置而不是鎖止門鎖的好處是讓車門打開微小角度，使得車外人員可以理解車內(nèi)乘客的下車意圖。采用了過程防護的思路，在開門過程中具有連續(xù)保護功能。當(dāng)車門從虛掩狀態(tài)下打開時，本文設(shè)計的制動裝置依舊可以起到保護作用，而已有思路的緊急制動功能在車門打開后無法起作用。

圖9 限位器制動裝置安裝位置圖

5 實物模型驗證

硬件部分，本文購買的雷達型號為納雷科技SP25毫米波雷達，該雷達實物連接圖如圖 10所示。雷達由5 V電源驅(qū)動，通過雷達信號轉(zhuǎn)USB連接線與計算機相連。

圖10 雷達實物連接圖

軟件部分，通過MATLAB R2018b軟件實現(xiàn)極限學(xué)習(xí)機算法，再用 LabVIEW 2018軟件搭建汽車開門防撞系統(tǒng)，實現(xiàn)雷達串口通信、雷達數(shù)據(jù)解析、調(diào)用MATLAB極限學(xué)習(xí)機算法、輸出危險判斷結(jié)果等功能，汽車開門防撞系統(tǒng)主界面和程序框圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 汽車開門防撞系統(tǒng)主界面圖

圖12 汽車開門防撞系統(tǒng)程序框圖

在采集訓(xùn)練算法的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)時，理想情況下，可以用真實試驗或仿真試驗的結(jié)果來判斷數(shù)據(jù)是否危險。即如果發(fā)生碰撞，就是危險數(shù)據(jù)，反之則是安全數(shù)據(jù)?？紤]到試驗的危險性，在主要采集速度和距離的情況下，可以選用最小安全距離模型來進行危險判斷。當(dāng)前速度對應(yīng)的安全距離如果小于當(dāng)前實際距離，就是安全數(shù)據(jù)，反之則是危險數(shù)據(jù)，具體公式如式（7）所示。

式中，為最小安全車距，單位為 m；為自車速度，單位為m/s；為前車速度，單位為m/s；為駕駛員反應(yīng)時間，通常取0.4 s；為制動器延遲時間，通常取 0.6 s；為增加到最大減速度所需時間，通常取0.1 s～0.2 s；為車輛最大減速度，本文取7.5 m/s。

根據(jù)式（7）判斷模擬數(shù)據(jù)是否危險，并打上標(biāo)簽，作為極限學(xué)習(xí)機算法的初始數(shù)據(jù)集。試驗開始時，電動車離雷達距離較遠，為7.4 m，如圖13所示。此時系統(tǒng)判斷為安全，系統(tǒng)界面如圖14所示。隨著電動車逐漸靠近，系統(tǒng)的探測和危險判斷準(zhǔn)確且靈敏。當(dāng)電動車距離雷達較近時，此時距離為2.36 m，如圖15所示。這時系統(tǒng)判斷為危險，系統(tǒng)界面如圖16所示。

圖13 電動車距離較遠時實拍圖

圖14 電動車距離較遠時系統(tǒng)界面圖

圖15 電動車距離較近時實拍圖

圖16 電動車距離較近時系統(tǒng)界面圖

本試驗證明實物模型與算法的銜接可靠，汽車開門防撞系統(tǒng)可以準(zhǔn)確且靈敏地實現(xiàn)雷達探測、數(shù)據(jù)處理、危險判斷的各個流程，從而正常工作。由于試驗條件限制，本文采用的SP25雷達只能跟蹤一個目標(biāo)，只能采集距離、速度數(shù)據(jù)。但是，從測試結(jié)果可以看出，在本試驗條件下該雷達較完美地實現(xiàn)了目標(biāo)。

6 結(jié)論

本文研究的創(chuàng)新之處在于采取過程防護的思想，車門開啟全過程都具有保護功能。使得車門可以打開微小角度，便于車外人員理解車內(nèi)乘客的下車意圖。本文采用極限學(xué)習(xí)機模型處理數(shù)據(jù)，避開復(fù)雜的動力學(xué)原理，判斷外界物體造成危險的等級。本文的研究在交通安全領(lǐng)域具有一定意義，可應(yīng)用在汽車安全防護系統(tǒng)和智能駕駛系統(tǒng)中，對降低“開門殺”事故發(fā)生概率、保障人民的生命財產(chǎn)安全具有一定作用。