王陸林，劉貴如，王 海

(1.奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術(shù)科學(xué)院，安徽蕪湖 241006;2.安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

當(dāng)前，車輛安全越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的重視，其中主動(dòng)安全技術(shù)在車輛安全方面發(fā)揮的作用越來(lái)越突出，不僅表現(xiàn)在對(duì)駕乘人員的保護(hù)方面，同時(shí)在對(duì)交通環(huán)境中的人和非機(jī)動(dòng)車輛的保護(hù)方面也在加強(qiáng)。近年來(lái)，屢屢發(fā)生車輛開門時(shí)車門和后方接近的自行車、摩托車發(fā)生碰撞的事故，對(duì)自行車、摩托車駕駛員造成致命傷害，甚至死亡，其原因就是由于駕乘人員開門下車時(shí)不注意觀測(cè)后方車況，也未分段打開車門，提醒后方接近車輛注意避讓，而是任性開門導(dǎo)致車門和后方來(lái)車發(fā)生碰撞。開門警示系統(tǒng)正是為了避免該類事故發(fā)生而開發(fā)的一項(xiàng)主動(dòng)安全技術(shù)。目前整車配置開門警示系統(tǒng)的車型還比較少。在國(guó)內(nèi)以及一些不發(fā)達(dá)國(guó)家，交通狀況差，大量非機(jī)動(dòng)車缺乏嚴(yán)格管理，在機(jī)動(dòng)車道上任意穿行，很容易導(dǎo)致非機(jī)動(dòng)車和打開的車門發(fā)生碰撞的事故。要有效降低由于開車門引發(fā)的交通事故概率，依靠改善交通狀況和規(guī)范駕乘人員開車門的習(xí)慣，在現(xiàn)實(shí)中很難在短時(shí)間內(nèi)取得成效，最有效的方式是在車輛上加裝車輛開門預(yù)警系統(tǒng)，在駕乘人員打開車門之前對(duì)其進(jìn)行有效提醒，使其注意觀測(cè)后方車況，并分段打開車門，從而有效避免此類交通事故的發(fā)生。

目前車輛開門預(yù)警技術(shù)主要采用2種方式實(shí)現(xiàn):一種是采用攝像頭通過(guò)視覺(jué)實(shí)現(xiàn)車輛后方區(qū)域探測(cè)，這種方式探測(cè)距離有限，精度差，容易受各種環(huán)境因素影響，采用這種技術(shù)的開門預(yù)警系統(tǒng)目前比較少;另外一種是采用調(diào)頻連續(xù)波毫米波雷達(dá)技術(shù)，該技術(shù)探測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高，不受環(huán)境因素的影響，但控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，采用這種技術(shù)的開門預(yù)警系統(tǒng)目前市場(chǎng)上還沒(méi)有批量配置于整車。

針對(duì)開門預(yù)警技術(shù)潛在的市場(chǎng)需求和現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方式存在的缺點(diǎn)和不足，本研究采用低成本的多普勒雷達(dá)對(duì)后方區(qū)域接近目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)開門預(yù)警功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，能滿足車輛開門預(yù)警實(shí)際場(chǎng)景和用戶需求，對(duì)輔助駕乘人員安全開門，降低開門風(fēng)險(xiǎn)有較大幫助。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開關(guān)、車速傳感器、車門門鎖狀態(tài)開關(guān)、車門開關(guān)信號(hào)、多普勒雷達(dá)探測(cè)模塊、車內(nèi)提醒裝置和車外提醒裝置等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在選擇雙雷達(dá)方案后，用戶可以根據(jù)需求靈活選擇配置。系統(tǒng)控制器安裝在車尾左/右后保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)，以及在車輛后軸平行安裝，垂直安裝仰角為2°～2.5°。系統(tǒng)LED提醒裝置安裝在車內(nèi)門把手位置，蜂鳴器安裝在儀表臺(tái)左側(cè)。系統(tǒng)利用多普勒雷達(dá)所具有的多普勒效應(yīng)原理對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)發(fā)射源和接收者之間有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)接收到的信號(hào)頻率將發(fā)生變化［1］。

針對(duì)一般靠最右車道以及車道最右側(cè)停車的場(chǎng)景需求，可以選擇單雷達(dá)方案，安裝在車輛后保險(xiǎn)杠左側(cè)內(nèi)，成本更低。整車布置見圖2所示。

當(dāng)車輛減速停止，且車門門鎖處于允許開啟狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警功能開啟。當(dāng)車門未打開時(shí)，如果有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)接近并進(jìn)入后方報(bào)警區(qū)域，系統(tǒng)首先通過(guò)LED報(bào)警燈進(jìn)行一級(jí)視覺(jué)報(bào)警。如果此時(shí)駕乘人員欲開啟車門準(zhǔn)備下車，當(dāng)撥動(dòng)門把手觸發(fā)車門開關(guān)信號(hào)的瞬間，系統(tǒng)檢測(cè)到車門打開狀態(tài)，通過(guò)蜂鳴器鳴進(jìn)行二級(jí)聲覺(jué)報(bào)警，提醒駕乘人員此時(shí)開門可能有危險(xiǎn)，需注意觀測(cè)車輛后方車況，分段打開車門，在確保安全的情況下開門下車，從而避免碰撞事故的發(fā)生。

圖2 單雷達(dá)方案的系統(tǒng)整車布置

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 多普勒雷達(dá)前端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)方程和系統(tǒng)探測(cè)距離，設(shè)計(jì)了一種高靈敏度、低成本的多普勒雷達(dá)前端［2］，其結(jié)構(gòu)見圖3。系統(tǒng)采用微帶無(wú)源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方案簡(jiǎn)單，成本低。

圖3中采用5 V供電給壓控振蕩器產(chǎn)生24 GHz的微波振蕩信號(hào)，由功率分配器分為兩路:一路經(jīng)濾波器濾波后經(jīng)平面微帶發(fā)射天線發(fā)射出去;另一路提供給接收通道作為混頻器本振源。接收天線接收回波信號(hào)并經(jīng)過(guò)低噪放處理后，再經(jīng)過(guò)功分器一分為二提供給2個(gè)混頻器?；祛l器將回波信號(hào)與兩路本振信號(hào)進(jìn)行混頻后輸出2路相位相差 90°的中頻信號(hào)［3］。

圖3 雷達(dá)前端結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)后端硬件設(shè)計(jì)

在充分研究對(duì)比目前毫米波雷達(dá)系統(tǒng)后端硬件方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了一種后端硬件方案，結(jié)構(gòu)見圖4。主要包括電源系統(tǒng)、車速信號(hào)采集電路、車門開關(guān)狀態(tài)采集電路、CAN通信電路、多普勒雷達(dá)信號(hào)采集處理電路、多普勒毫米波雷達(dá)前端、視覺(jué)和聲覺(jué)報(bào)警輸出控制電路以及DSP最小系統(tǒng)電路。

圖4 后端硬件結(jié)構(gòu)

中頻處理電路主要針對(duì)連續(xù)波毫米波雷達(dá)單個(gè)中頻回波信號(hào)，采用帶通濾波器進(jìn)行濾波放大處理，然后采用DSP內(nèi)置的ADC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的DMA傳輸通道在不占用CPU運(yùn)行周期的情況下將數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到DSP內(nèi)置的SRAM存儲(chǔ)器中供算法處理。與目前大部分的雷達(dá)系統(tǒng)采用的外置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和SRAM存儲(chǔ)器以及外加FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖的方案相比，本方案不僅成本低，而且降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，使得系統(tǒng)可靠性更高。

系統(tǒng)后端硬件方案設(shè)計(jì)主要考慮了兩類參數(shù):一是內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率、位數(shù)以及接口選擇;二是內(nèi)置SRAM大小。模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率需按照中頻回波信號(hào)最高頻率計(jì)算，并按照采樣定理5～10倍進(jìn)行采樣，故采樣率fadc=2.6 kHz×10=26 kHz。綜合考慮系統(tǒng)需求和成本，選擇內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采樣率大于26 ksps即可滿足需求。通信接口如果選擇并行接口則通信速率大于26 kbps即可，如果選擇串行通信接口則通信速度要大于26 kbps×16=416 kbps。ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)一般選擇12位即可。參考電壓采用內(nèi)置參考電壓或者外置高精度的參考電壓。內(nèi)置SRAM的大小則與模數(shù)轉(zhuǎn)換通道個(gè)數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)以及最高與最低頻率倍數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)采用2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換采集通道，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024，最低頻率為200 Hz，最高與最低頻率倍數(shù)N=2.6 kHz/200 Hz≈14，故SRAM最小存儲(chǔ)空間為2×1 024×14=28 k×16 bit=56 k字節(jié)?？紤]中間變量和程序運(yùn)行空間，選擇內(nèi)置64 k字節(jié)的 SRAM、主頻大于120 MHz的DSP或者M(jìn)CU即可滿足系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)算法

在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)過(guò)程中，為了獲得較高的目標(biāo)檢測(cè)［4-7］概率，需要根據(jù)實(shí)時(shí)變化的背景噪聲強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整功率識(shí)別門限。常采用恒虛警檢測(cè)方法［8-12］，通過(guò)有限個(gè)參考單元來(lái)估計(jì)雜波干擾的平均功率。單元平均恒虛警(CA-CFAR)［13］在均勻的雜波環(huán)境下有較好的檢測(cè)性能，但是在雜波邊緣和有干擾目標(biāo)的情況下檢測(cè)性能會(huì)明顯下降，而兩側(cè)單元平均選小和選大的檢測(cè)方法［14］雖然在雜波邊緣檢測(cè)中有很高的檢測(cè)性能，但是在有目標(biāo)干擾的情況下，檢測(cè)性能比CA-CFAR更差?；谂判虻腃FAR檢測(cè)器［15］先進(jìn)行排序，然后選擇兩側(cè)最大或最小值，與兩側(cè)單元平均選小和選大的方法相比，可以提高在有目標(biāo)干擾的情況下的檢測(cè)性能，但未能充分利用CA-CFAR的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景為雷達(dá)處于靜止?fàn)顟B(tài)，地平面相對(duì)于雷達(dá)靜止，不產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，背景噪聲分布比較均勻［7］。綜合以上檢測(cè)算法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的CFAR檢測(cè)算法，見圖5。

圖5 改進(jìn)的CFAR算法

先對(duì)n個(gè)檢測(cè)單元各自排序，然后選擇最大、最小值取均值得到雜波平均功率T，再結(jié)合門限因子β，得到檢測(cè)門限功率G，再將各個(gè)檢測(cè)單元功率xm與門限功率G進(jìn)行比較，當(dāng)xm≥G時(shí)認(rèn)為有目標(biāo)，否則認(rèn)為無(wú)目標(biāo)。該算法在噪聲、多目標(biāo)干擾［7］和雜波邊緣干擾的場(chǎng)景下均有很好的檢測(cè)性能和魯棒性。

3.2 系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)通過(guò)線束和整車進(jìn)行信息交互。系統(tǒng)控制算法流程見圖6。當(dāng)系統(tǒng)上電運(yùn)行后，實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛運(yùn)行速度和門鎖狀態(tài)。當(dāng)車速為0且門鎖開啟后，系統(tǒng)報(bào)警功能開啟。如果此時(shí)有車速大于5 km/h的目標(biāo)進(jìn)入后方報(bào)警區(qū)域，系統(tǒng)首先通過(guò)車內(nèi)門把手位置的LED燈對(duì)駕乘人員進(jìn)行提醒，同時(shí)打開轉(zhuǎn)向燈對(duì)后方接近車輛進(jìn)行提醒。如果駕乘人員撥動(dòng)了門把手準(zhǔn)備打開車門，則系統(tǒng)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警提醒駕乘人員要注意回頭觀測(cè)后方車況，分段打開車門，在確保安全的情況下開門下車。如果車輛處于熄火狀態(tài)，且車門門鎖處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)切斷自身電源并關(guān)閉。

圖6 系統(tǒng)控制算法流程

4 系統(tǒng)標(biāo)定與測(cè)試

系統(tǒng)首先針對(duì)典型運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行了標(biāo)定和測(cè)試，在測(cè)試和標(biāo)定數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)定和定義系統(tǒng)報(bào)警區(qū)域。系統(tǒng)除了考慮針對(duì)進(jìn)入車輛后方左側(cè)報(bào)警區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行報(bào)警外，還考慮到極端情況，即目標(biāo)從正后方跟隨本車，當(dāng)本車靜止后，后方目標(biāo)從本車左側(cè)變道突然進(jìn)入本車左后方區(qū)域，此時(shí)也有發(fā)生碰撞事故的風(fēng)險(xiǎn)。另外，還存在車輛在行駛過(guò)程中可能突然偏離行駛車道等隨機(jī)因素，所以系統(tǒng)除了定義常規(guī)的最小安全報(bào)警區(qū)域外，還定義了可能報(bào)警區(qū)域。最小報(bào)警區(qū)域保證系統(tǒng)能夠?qū)φＰ旭偛⒔咏哪繕?biāo)進(jìn)行報(bào)警，防止發(fā)生碰撞?？赡軋?bào)警區(qū)域則針對(duì)實(shí)際環(huán)境中可能存在的不確定因素或者極端情況采取報(bào)警。以后保險(xiǎn)杠左側(cè)安裝雷達(dá)的位置為基點(diǎn)，針對(duì)自行車:橫向向外和向內(nèi)1.5 m，向后縱向10 m的區(qū)域?yàn)閳?bào)警區(qū)域;橫向向外和向內(nèi)3 m，向后縱向20 m的區(qū)域?yàn)榭赡軋?bào)警區(qū)域。針對(duì)摩托車:橫向向外和向內(nèi)橫向1.5 m，向后縱向13 m的區(qū)域?yàn)閳?bào)警區(qū)域;橫向向外和向內(nèi)3.5 m，向后縱向25 m的區(qū)域?yàn)榭赡軋?bào)警區(qū)域。針對(duì)機(jī)動(dòng)車:橫向向外和向內(nèi)2 m，向后縱向17 m的區(qū)域?yàn)閳?bào)警區(qū)域;橫向向外和向內(nèi)4 m，向后縱向35 m的區(qū)域?yàn)榭赡軋?bào)警區(qū)域。系統(tǒng)最小報(bào)警區(qū)域定義見圖7。

圖7 系統(tǒng)最小報(bào)警區(qū)域定義

因?yàn)椴煌慕咏繕?biāo)反射面大小、最高限定車速、存在的風(fēng)險(xiǎn)等因素不同，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、報(bào)警響應(yīng)時(shí)間和最小探測(cè)區(qū)域，設(shè)定了3種典型目標(biāo)的適用車速范圍:自行車為0～35 km/h;摩托車為0～45 km/h;機(jī)動(dòng)車為0～60 km/h。不同目標(biāo)的橫向和縱向探測(cè)距離以及適用車速范圍之間的關(guān)系見表1。

表1 不同目標(biāo)的橫向和縱向探測(cè)距離以及適用車速范圍之間的關(guān)系

系統(tǒng)在奇瑞G5車上進(jìn)行了標(biāo)定和驗(yàn)證，針對(duì)各個(gè)典型目標(biāo)標(biāo)定的報(bào)警區(qū)域設(shè)定了若干測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試場(chǎng)景見圖8～10。

圖8 針對(duì)接近目標(biāo)為自行車的測(cè)試場(chǎng)景

圖9 針對(duì)接近目標(biāo)為摩托車的測(cè)試場(chǎng)景

圖10 針對(duì)接近目標(biāo)為轎車的測(cè)試場(chǎng)景

在圖8、9和10中，框內(nèi)及右圖顯示目標(biāo)進(jìn)入路邊?？康能囕v后方報(bào)警區(qū)域，此時(shí)報(bào)警裝置LED點(diǎn)亮報(bào)警，當(dāng)駕乘人員撥動(dòng)了門把手時(shí)，報(bào)警裝置蜂鳴器報(bào)警。各個(gè)典型目標(biāo)在各測(cè)試點(diǎn)的平均預(yù)警率:自行車在4，7 m測(cè)試點(diǎn)的平均預(yù)警率分別是97.20%，96.86%;摩托車在 4，8，13 m 測(cè)試點(diǎn)測(cè)試的平均預(yù)警率分別是97.10%，97.21%，96.78%;轎車在4，8，12和17 m測(cè)試點(diǎn)的平均預(yù)警率分別是97.50%，97.30%，96.70%，98.14%。各典型目標(biāo)平均預(yù)警率見表2。

自行車測(cè)試405次，預(yù)警率為97.03%;摩托車測(cè)試603次，預(yù)警率為97.01%;轎車測(cè)試812次，預(yù)警率為97.41%。預(yù)警率均大于97.00%，測(cè)試結(jié)果滿足系統(tǒng)指標(biāo)需求。

表2 系統(tǒng)預(yù)警率測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)不受光線、雨、霧、雪、霜、顏色和溫度等自然環(huán)境因素的影響，具有穿透力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、可靠性高、壽命長(zhǎng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然目前開門預(yù)警技術(shù)還未大批量應(yīng)用于量產(chǎn)車型，但該系統(tǒng)因其成本優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性有著廣闊的市場(chǎng)前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所開發(fā)的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)在奇瑞車型上進(jìn)行了集成測(cè)試與標(biāo)定，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，報(bào)警區(qū)域預(yù)警率大于97.00%，在現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)中98.5%以上的用戶表示系統(tǒng)非常實(shí)用、性價(jià)比高。本系統(tǒng)能夠有效減少因駕乘者在視線受限或者忘記觀測(cè)后方車況的情況下開門可能導(dǎo)致的碰撞事故的發(fā)生。

系統(tǒng)目前的報(bào)警方式比較單一，采用LED和外置蜂鳴器進(jìn)行提醒。后續(xù)可以和整車通過(guò)CAN通信進(jìn)行集成，通過(guò)儀表內(nèi)置的蜂鳴器進(jìn)行提醒或者通過(guò)車載多媒體終端進(jìn)行語(yǔ)音提醒，滿足客戶更人性化的需求。

目前，系統(tǒng)只針對(duì)常規(guī)測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試，后續(xù)需要在特殊或者極端場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試，如在存在電磁干擾、不同雷達(dá)間的同頻干擾等環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試和算法改進(jìn)提高預(yù)警率，降低虛警率。

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