毫米波非接觸式智能防撞輔助系統(tǒng)在 壓路機(jī)中的應(yīng)用

作者簡介：

江奎明（1987—），工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

由于壓路機(jī)視野盲區(qū)大、制動性差、施工環(huán)境復(fù)雜多變，作業(yè)時(shí)剮蹭及碾壓事故時(shí)有發(fā)生。文章提出將毫米波雷達(dá)應(yīng)用至壓路機(jī)作業(yè)，設(shè)計(jì)一種由環(huán)境監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及一體化執(zhí)行制動三個(gè)模塊組成的智能防撞輔助系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：毫米波非接觸式智能防撞輔助系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、預(yù)測精準(zhǔn)、安裝簡便、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是一款先進(jìn)高效的壓路機(jī)安全預(yù)警系統(tǒng)。

壓路機(jī)；毫米波；非接觸式；智能防撞輔助系統(tǒng)

中圖分類號：U415.52+1 A 56 177 3

0 引言

近年來，隨著公路建設(shè)的迅速發(fā)展和設(shè)備、材料、技術(shù)的不斷革新，工程施工的機(jī)械化程度逐年增高，施工環(huán)境也變得更加復(fù)雜［1-2］。壓路機(jī)作為道路施工的常用機(jī)械設(shè)備之一，因其質(zhì)量大、視野面窄及需要人工配合的特點(diǎn)［3］，在作業(yè)過程中常造成傷人事故，給施工區(qū)域帶來了嚴(yán)重的安全隱患。因此，加強(qiáng)壓路機(jī)安全性的智能化研究，研發(fā)壓路機(jī)作業(yè)智能防撞輔助系統(tǒng)，減少道路施工風(fēng)險(xiǎn)顯得尤為重要。

基于多功能識別的智能輔助系統(tǒng)在汽車交通領(lǐng)域的應(yīng)用已比較成熟，此類系統(tǒng)通過搭配不同的傳感器以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航、盲點(diǎn)監(jiān)測、碰撞預(yù)警等多種功能［4］。在已有的智能防撞系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)因具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)正逐漸成為應(yīng)用的主流［5］。然而不同于交通運(yùn)輸車輛，壓路機(jī)的工作環(huán)境惡劣、噪聲干擾大，受天氣的影響明顯，這對壓路機(jī)智能防撞系統(tǒng)提出了更高的精度及響應(yīng)要求［6］。因此，精確識別障礙物、降低誤報(bào)概率是目前毫米波雷達(dá)在壓路機(jī)智能防撞輔助系統(tǒng)中亟須解決的問題。

基于此，本文分析了毫米波防撞雷達(dá)的工作原理，設(shè)計(jì)了基于毫米波雷達(dá)的壓路機(jī)智能防撞輔助系統(tǒng)并進(jìn)行了參數(shù)的對比分析，為毫米波雷達(dá)在工程施工防撞預(yù)警中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 壓路機(jī)毫米波防撞雷達(dá)目標(biāo)識別原理分析

根據(jù)毫米波防撞雷達(dá)測量理論，通常以ka=2πa/λ作為目標(biāo)電尺寸，當(dāng)ka＞10時(shí)，散射目標(biāo)即處于光學(xué)區(qū)域內(nèi)。在該區(qū)域中，物體存在多個(gè)散射中心，目標(biāo)回波由目標(biāo)各局部位置散射中心的散射能量合成，可看作各點(diǎn)回波信號的矢量疊加，此現(xiàn)象與多散射中心理論研究內(nèi)容相似。因此，可以將光學(xué)區(qū)域內(nèi)復(fù)雜大尺度物體目標(biāo)識別的理論基礎(chǔ)看作多散射中心理論。防撞雷達(dá)的頻率取24 GHz，波長為毫米級。當(dāng)雷達(dá)目標(biāo)ka＞10時(shí)，雷達(dá)目標(biāo)特性具有光學(xué)特性，從而在毫米波雷達(dá)探測障礙物時(shí)，先將目標(biāo)的散射模型分離，再以各個(gè)散射中心進(jìn)行目標(biāo)信息求解。

在毫米波測距時(shí)，發(fā)射波長1～10 mm、頻率30～300 GHz的電磁波，其接觸障礙物時(shí)產(chǎn)生反射，對反射波進(jìn)行接收即可測定障礙物的標(biāo)尺寸、形狀、表面粗糙程度等電磁信息。測量流程如圖1所示。

雷達(dá)對障礙物距離和速度參數(shù)的測量主要基于多普勒效應(yīng)原理，在混頻器中，發(fā)射信號與反射信號混合，生成一個(gè)穩(wěn)定的差頻信號。距離障礙物越遠(yuǎn)，則信號頻率越高。距離公式如式（1）所示：

R=C02·T·fDΔf（1）

式中：R——障礙物的距離；

fD——差頻；

T——三角波調(diào)制周期；

C0——光速；

Δf——信號發(fā)射器發(fā)射頻率的變化范圍。

2 壓路機(jī)智能防撞輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

毫米波非接觸式智能防撞輔助系統(tǒng)主要由施工路域環(huán)境監(jiān)測模塊、壓路風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊和壓路機(jī)一體化執(zhí)行制動模塊組成。該系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)收集施工區(qū)域障礙物信息，然后將信息發(fā)送給處理器，實(shí)現(xiàn)對障礙物的遠(yuǎn)距離定位，從而判斷施工路域環(huán)境的安全性。通過將數(shù)據(jù)發(fā)送至壓路機(jī)操作臺，可將不同距離障礙物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級劃分，利用HMI人機(jī)交互顯示單元傳遞給操作員，通過減速或剎車等控制從而完成防撞任務(wù)。該系統(tǒng)具有10 m監(jiān)測距離、五級安全預(yù)警和LED模組循環(huán)顯示警示語警示功能，安全系數(shù)更高更安全，可有效地減少人身傷害和設(shè)備損傷，提高工程機(jī)械作業(yè)安全性。

2.2 系統(tǒng)主要模塊功能

2.2.1 施工路域環(huán)境監(jiān)測模塊

施工路域環(huán)境監(jiān)測模塊主要通過毫米波雷達(dá)傳感器工作。毫米波雷達(dá)傳感器通過發(fā)射并收集電磁波信號，對反射信號進(jìn)行處理與分析，進(jìn)而得到采集壓路機(jī)施工區(qū)域障礙物（如彎道、機(jī)械設(shè)備和工作人員等）與壓路機(jī)的相對位置、相對速度和相對角度等信息。將長距離雷達(dá)的長距離優(yōu)勢與短距離雷達(dá)的廣角特性相結(jié)合，合理布置不同毫米波雷達(dá)傳感器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離與視野盲區(qū)全覆蓋的效果，以滿足對施工區(qū)域障礙物識別的要求。

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊

壓路機(jī)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊將毫米波雷達(dá)傳感器監(jiān)測到的施工路域環(huán)境信息進(jìn)行理論分析與算法設(shè)計(jì)，結(jié)合壓路機(jī)自身工作狀態(tài)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判斷。根據(jù)障礙物與壓路機(jī)的相對距離，將壓路機(jī)施工區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為5個(gè)等級。如圖2所示，當(dāng)障礙物與壓路機(jī)的相對距離＜2 m時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級為一級預(yù)警，當(dāng)障礙物與壓路機(jī)相對距離每增加2 m，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級隨之增加一級。經(jīng)計(jì)算后的風(fēng)險(xiǎn)等級會通過HMI人機(jī)交互顯示單元與LED模組循環(huán)，顯示不同顏色的危險(xiǎn)等級與警示語傳遞給駕駛員，同時(shí)伴隨著蜂鳴器鳴叫預(yù)警駕駛員和行人。

2.2.3 一體化執(zhí)行制動模塊

在壓路機(jī)工作時(shí)，一體化執(zhí)行制動模塊會根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級做出不同的響應(yīng)。如表1所示，當(dāng)壓路機(jī)處于一級風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會立即啟動一體化制動模塊，蜂鳴器開始預(yù)警駕駛員和行人，并使壓路機(jī)立即停止工作。當(dāng)處于二級風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，一體化制動模塊立即采取減速措施，并進(jìn)行蜂鳴報(bào)警。當(dāng)處于三級與四級風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)，壓路機(jī)會顯示不同程度危險(xiǎn)等級給駕駛員，并顯示警示語，當(dāng)與障礙物距離在逐漸縮短時(shí)，啟動警示伴隨著蜂鳴聲提醒駕駛員。當(dāng)壓路機(jī)處于五級風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，一體化執(zhí)行模塊不采取措施，壓路機(jī)正常工作。

3 壓路機(jī)智能防撞輔助系統(tǒng)性能參數(shù)分析

3.1 防撞系統(tǒng)性能對比

防撞系統(tǒng)技術(shù)性能通常分為防撞類別、安裝方法、剎車距離、預(yù)警功能、施工運(yùn)輸便捷性、使用壽命和常見故障等7個(gè)技術(shù)參數(shù)。對比分析現(xiàn)階段國內(nèi)常見接觸式防撞系統(tǒng)與毫米波非接觸式防撞系統(tǒng)各技術(shù)性能參數(shù)，如表2所示［7］。

根據(jù)表2中各項(xiàng)技術(shù)性能對比可知，毫米波非接觸式防撞系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)接觸式防撞系統(tǒng)，具有多項(xiàng)優(yōu)勢。在剎車方式方面，主動式剎車相對于被動式剎車更為智能先進(jìn)，能夠提前預(yù)知危險(xiǎn)并有足夠的反應(yīng)時(shí)間；便捷的安裝方式減少了對原車機(jī)械結(jié)構(gòu)及車漆的破壞，安裝速度更快，整體更美觀，在保證安全的前提下，減少了對施工質(zhì)量和轉(zhuǎn)場運(yùn)輸?shù)挠绊?；機(jī)械結(jié)構(gòu)上沒有與障礙物剛性接觸，減少了機(jī)械損壞；具有提前預(yù)警功能，減少80%的危險(xiǎn)系數(shù)，并可設(shè)置剎車距離，保證車輛有足夠的剎車緩沖距離。相反，機(jī)械防撞剎車觸發(fā)距離偏近，無法保證車輛有足夠的緩沖時(shí)間。

3.2 非接觸式防撞系統(tǒng)功能對比

在非接觸式防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器主要采用超聲波雷達(dá)、視覺傳感器、激光雷達(dá)傳感器和毫米波雷達(dá)傳感器，各類傳感器技術(shù)性能如表3所示［8］。

根據(jù)不同類型的傳感器性能分析，每種傳感器均有利弊。從性能、成本、市場普及率等因素來看，毫米波傳感器是最佳選擇，因?yàn)楹撩撞▊鞲衅饕彩悄壳捌嚋y距、避障上的專用傳感器。從對比結(jié)果來看，毫米波非接觸式防撞系統(tǒng)功能先進(jìn)、外觀新穎，具有超前預(yù)警、自動切換檢測方向和適時(shí)剎車等功能，可根據(jù)不同施工環(huán)境設(shè)置合適的剎車距離，增加產(chǎn)品適用性。

4 結(jié)語

（1）毫米波雷達(dá)具有高分辨率、穿透性和抗干擾能力，能夠進(jìn)行全天候工作，具有良好的應(yīng)用前景。

（2）毫米波非接觸式智能防撞系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測模塊、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊和一體化執(zhí)行制動模塊，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)障礙物的遠(yuǎn)距離精確判定，有效提升工程機(jī)械作業(yè)及人員安全。

（3）毫米波非接觸式智能防撞系統(tǒng)響應(yīng)快、精度高、安裝簡便且抗干擾能力強(qiáng)，具有超前預(yù)警、自動切換檢測方向和適時(shí)剎車功能，適用于復(fù)雜施工環(huán)境下的防撞預(yù)警。

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收稿日期：2022-10-20