孫會(huì)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(guó)家統(tǒng)計(jì)局年度披露，交通事故所造成的直接財(cái)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(shí)際上是駐車時(shí)由于開門不當(dāng)致使駐車車輛側(cè)后方的非機(jī)動(dòng)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(bào)道，針對(duì)此現(xiàn)象Atkinson和Hurst在文獻(xiàn)中給出了一種解釋“可能是因?yàn)楫?dāng)時(shí)公眾對(duì)此類事故的重視程度還不夠[1]”；據(jù)英國(guó)STATS19數(shù)據(jù)顯示，在1991年～2008年的交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，涉及自行車與機(jī)動(dòng)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(jì)，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(guó)波斯頓警察局接收到的有關(guān)自行車事故的報(bào)案記錄中，開門碰撞事故占據(jù)了16%[7]；在瑞典的一項(xiàng)調(diào)查中，非機(jī)動(dòng)與車門的碰撞事故占據(jù)非機(jī)動(dòng)車總事故量的4.3%[8-9]；在英國(guó)的一些志愿者調(diào)查中同樣可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)很嚴(yán)重的問題，非機(jī)動(dòng)車駕乘人員為了避免與車門發(fā)生碰撞，有時(shí)會(huì)選擇逆向行駛[10]；在我國(guó)，人民網(wǎng)發(fā)布的南京2015年國(guó)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(chǎng)少有預(yù)警側(cè)后方來車的主動(dòng)安全技術(shù)。人們對(duì)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(shí)也要考慮他人的安全，考慮行駛安全、駐車安全的同時(shí)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(dòng)障礙物的辨識(shí)，從而能夠使駕乘人員盡可能地察覺到危險(xiǎn)，并通過危險(xiǎn)預(yù)測(cè)提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，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(cái)產(chǎn)損失。

1 開門防撞預(yù)警技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)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(gè)臨近非機(jī)動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(hào)處理及電子技術(shù)等不斷發(fā)展，采用信號(hào)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(dòng)安全技術(shù)的研究熱點(diǎn)問題，國(guó)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(chǎng)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(cè)從奧迪車后面接近的其他車輛和行人等，如果存在風(fēng)險(xiǎn)，則在打開車門前就予以提醒，即當(dāng)車門打開時(shí)，門上燈帶以及后視鏡上的側(cè)向輔助警示性燈會(huì)點(diǎn)亮以提醒乘客(如圖4所示)，這項(xiàng)技術(shù)主要是基于盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖5是德國(guó)凱毅德公司開發(fā)的一種創(chuàng)新車門，可實(shí)現(xiàn)開門過程中的車門制動(dòng)。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(jì)的目的是減少車門金屬的額外損傷以及開門時(shí)撞擊附近物體造成的高額保險(xiǎn)索賠。通過在后視鏡的下端增加兩個(gè)攝像頭來監(jiān)測(cè)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(shí)行車門制動(dòng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)開門過程中車門制動(dòng)，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(shí)現(xiàn)的，采用燈光報(bào)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(cè)后方的運(yùn)動(dòng)障礙物，這點(diǎn)與凱毅德公司的技術(shù)相類似。

美國(guó)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(cè)后方有無障礙物的存在來觸發(fā)報(bào)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)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?？蒲袡C(jī)構(gòu)也相繼開展了汽車開門防撞預(yù)警的信號(hào)處理和控制原理研究工作，但目前國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)市場(chǎng)推廣的產(chǎn)品，均處于簡(jiǎn)單工況下的實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)算機(jī)圖像處理分析，涉及信號(hào)處理與融合等多方面的技術(shù)。攝像頭能實(shí)時(shí)地對(duì)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(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出目標(biāo)到達(dá)車門所需的最短時(shí)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(hào)及執(zhí)行相關(guān)的控制操作。視頻技術(shù)是國(guó)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(cè)運(yùn)動(dòng)物體，但對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)障礙物運(yùn)動(dòng)方向的掃描線建立時(shí)空信息圖，利用時(shí)空信息圖中邊緣線的斜率來判定運(yùn)動(dòng)障礙物的速度的大小，從而作出決策，局限在于是對(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化，該方法可實(shí)現(xiàn)背景相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)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(gè)超聲波傳感器或者集成其他測(cè)量傳感器形成的多傳感器融合系統(tǒng)通過對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量，依據(jù)其速度和距離進(jìn)行判斷，并發(fā)出報(bào)警。這種方式測(cè)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(cè)，其中超聲波檢測(cè)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(cè)距離過近，難以滿足設(shè)計(jì)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(shí)間，且無法安全有效地覆蓋所需監(jiān)測(cè)的區(qū)域，難以在實(shí)際中運(yùn)用。雖然利用超聲波陣列可解決測(cè)量范圍不足的問題，但是仍會(huì)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(shí)現(xiàn)對(duì)車輛后方預(yù)警區(qū)域內(nèi)物體的持續(xù)監(jiān)測(cè)。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(duì)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(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中來降低成本，這樣既可以極大地減小對(duì)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(hào)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(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模及仿真，可極大地提高設(shè)計(jì)效率和雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的性能。雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)大都采用數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)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(hào)處理的設(shè)計(jì)更加靈活。信號(hào)處理技術(shù)包含如下：

(1) 傅立葉變換：由于信號(hào)成分的頻率由目標(biāo)與雷達(dá)之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度等信號(hào)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(hào)，對(duì)接收到的模擬信號(hào)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(hào)，然后對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，從而獲得目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)距離、相對(duì)速度、相對(duì)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(shí)間間隔的信號(hào)值轉(zhuǎn)換為具有相同頻率間隔的頻譜功率密度值。

(2) 探測(cè)：由于雷達(dá)發(fā)射特定調(diào)制頻率的信號(hào)(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(duì)雷達(dá)信號(hào)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(hào)中應(yīng)該區(qū)分出是否為干擾信號(hào)或是噪聲信號(hào)，并設(shè)置相應(yīng)的恒虛警檢測(cè)門限。

(3) 目標(biāo)識(shí)別：依據(jù)FMCW體制雷達(dá)的測(cè)量原理，可以根據(jù)信號(hào)掃頻的差值來得出目標(biāo)的相對(duì)速度、相對(duì)距離以及相對(duì)角度。

(4) 跟蹤：目標(biāo)的跟蹤是將當(dāng)前堆棧中所儲(chǔ)存的目標(biāo)狀態(tài)信息與上一時(shí)刻所儲(chǔ)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(cè)目標(biāo)未來位置。

(5) 報(bào)警：報(bào)警是數(shù)字信號(hào)處理器將目標(biāo)的狀態(tài)量進(jìn)行安全距離或安全時(shí)間的計(jì)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(xiǎn)運(yùn)動(dòng)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(guó)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(shí)間等，但其蘊(yùn)藏的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)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(cè)，未能做到動(dòng)態(tài)地進(jìn)行碰撞危險(xiǎn)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(duì)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(duì)控制策略的改變來直接實(shí)現(xiàn)開門防撞預(yù)警功能。

(2) 如何準(zhǔn)確地獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，對(duì)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(dòng)的障礙物，同時(shí)移動(dòng)的障礙物也不一定會(huì)對(duì)本車的開門產(chǎn)生碰撞威脅，所以如何界定所探測(cè)到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是否會(huì)在開門過程中與車門發(fā)生碰撞值得深入探討。