高原，李建軍，王碧瑤

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基于車(chē)車(chē)通信的毫米波雷達(dá)主動(dòng)避障技術(shù)

高原，李建軍，王碧瑤

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

毫米波雷達(dá)是汽車(chē)主動(dòng)安全技術(shù)的重要感知器，其工作穩(wěn)定，不易受天氣影響，可探測(cè)距離長(zhǎng)，但會(huì)受金屬物體遮擋，所以實(shí)現(xiàn)大范圍障礙物探測(cè)很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)已經(jīng)逐步推向市場(chǎng)，在車(chē)車(chē)通信的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)的大范圍探測(cè)成為可能，文章將主要介紹基于車(chē)車(chē)通信的毫米波雷達(dá)主動(dòng)避障技術(shù)。

毫米波雷達(dá)；車(chē)車(chē)通信；主動(dòng)避障

前言

最近幾年來(lái)，汽車(chē)的智能化道路發(fā)展越來(lái)越快，已經(jīng)成為了當(dāng)今汽車(chē)發(fā)展的主要趨勢(shì)，汽車(chē)主動(dòng)安全領(lǐng)域更是如此，車(chē)輛主動(dòng)防撞系統(tǒng)已經(jīng)成為了熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。毫米波雷達(dá)之所以能在主動(dòng)防撞系統(tǒng)中成為不可或缺的部件，其原因是因?yàn)樗哂刑綔y(cè)距離遠(yuǎn)，分辨率高，體積小巧便于安裝，不易受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)。但是由于毫米波無(wú)法穿透金屬物體，極容易被遮擋，這會(huì)減小車(chē)輛在真實(shí)道路上的探測(cè)距離，影響其主動(dòng)防撞系統(tǒng)的性能。為了能提高其探測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)大范圍探測(cè)[2]，本文提出一種基于車(chē)車(chē)通信的毫米波雷達(dá)主動(dòng)避障技術(shù)。

1 毫米波雷達(dá)簡(jiǎn)介

毫米波雷達(dá)基本工作原理為車(chē)載雷達(dá)與目標(biāo)之間由于存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，毫米波雷達(dá)正是根據(jù)這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)計(jì)算反射波與發(fā)射波之間產(chǎn)生的多普勒頻移來(lái)測(cè)量本車(chē)與所測(cè)物體之間相對(duì)距離、相對(duì)速度以及方位角。毫米波雷達(dá)對(duì)外通過(guò)天線發(fā)射調(diào)制連續(xù)波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)（以發(fā)射信號(hào)為三角波為例）遇到目標(biāo)后，經(jīng)過(guò)目標(biāo)的反射會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，信號(hào)接收器接收到由車(chē)輛前方目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)在時(shí)間上存在差值，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)將同時(shí)接受雷達(dá)內(nèi)部的放大器的處理，隨后經(jīng)過(guò)混頻處理，就可以得到頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移。最后數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式即可計(jì)算出目標(biāo)與毫米波雷達(dá)之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度以及方位角信息[3]。相應(yīng)的計(jì)算公式如下：

—相對(duì)距離；—相對(duì)速度；—方位角；f—調(diào)制鋸齒波的負(fù)向差頻信號(hào)；f—調(diào)制鋸齒波的正向差頻信號(hào)；—光速；△—鋸齒波調(diào)制帶寬；0—發(fā)射波中心頻率；—電磁波波長(zhǎng)；△—相位差。

毫米波雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)：首先是表現(xiàn)在探測(cè)距離上，正常都可超過(guò)100m，并且可以獲得相對(duì)距離、相對(duì)速度以及方位角，受天氣等外界環(huán)境影響小。不過(guò)毫米波雷達(dá)相對(duì)于攝像頭傳感器來(lái)說(shuō)，成本會(huì)有很大增加。目前在汽車(chē)防撞方面的實(shí)際應(yīng)用上，毫米波雷達(dá)由于其大的測(cè)距范圍得到了汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的認(rèn)可[4]。下圖是毫米波雷達(dá)相對(duì)于其他類(lèi)型雷達(dá)的特點(diǎn)比較。

表1 不同類(lèi)型雷達(dá)的特點(diǎn)比較

2 基于車(chē)車(chē)通信的距離計(jì)算算法

目前的毫米波雷達(dá)因?yàn)樽陨砉ぷ髟淼脑?，無(wú)法對(duì)車(chē)輛前面的車(chē)輛進(jìn)行探測(cè)，往往導(dǎo)致只能將前方的單一車(chē)輛狀態(tài)作為汽車(chē)避障算法中的輸入量，這雖然可以減少計(jì)算量但是因?yàn)檩斎霔l件不夠全面，在前方車(chē)輛發(fā)生大規(guī)模追尾或者其他交通事故時(shí)，會(huì)造成多車(chē)相撞的危險(xiǎn)情況，或者即使本車(chē)安裝有毫米波雷達(dá)傳感器，在探測(cè)到前方發(fā)生事故時(shí)突然停下來(lái)，后車(chē)也有可能追尾本車(chē)的情況。

這就需要綜合一定范圍內(nèi)所有車(chē)輛超聲波雷達(dá)探測(cè)出的行車(chē)環(huán)境進(jìn)行信息整合，然后再將這些綜合信息進(jìn)行避障計(jì)算，才能更好地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)主動(dòng)避障停車(chē)或躲避。而多個(gè)車(chē)輛之間毫米波雷達(dá)的信息共享就需要多車(chē)通信才可以實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)車(chē)輛都需要有信息接收和信息發(fā)送兩個(gè)模塊，信息發(fā)送模塊將本車(chē)的接收模塊接收其它車(chē)輛發(fā)送來(lái)的環(huán)境信息，傳遞給中央處理器供其計(jì)算，計(jì)算結(jié)果交由執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括控制剎車(chē)踏板的電機(jī)和提醒駕駛員注意的蜂鳴器，以及控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的電機(jī)和控制方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的電機(jī)[5]。

其中發(fā)射模塊除了需要發(fā)送出毫米波雷達(dá)探測(cè)到的障礙物的距離速度和方位角外，還需要將車(chē)輛當(dāng)前的航向角以及毫米波雷達(dá)在本車(chē)上安裝的位置發(fā)送給其他車(chē)輛。在接收到其它車(chē)輛發(fā)送來(lái)的信息后，需要進(jìn)行較普通單車(chē)算法復(fù)雜的避障算法，在本車(chē)建立的坐標(biāo)系中將所有收到的車(chē)輛信息進(jìn)行表示出來(lái)，當(dāng)出現(xiàn)下圖所示的情況時(shí)，0車(chē)為本車(chē)，1車(chē)為正前方車(chē)輛，2車(chē)為被1車(chē)阻擋的車(chē)輛，本車(chē)可直接探測(cè)1車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，1車(chē)將其探測(cè)到的2車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)給本車(chē)，本車(chē)綜合計(jì)算2車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的算法如下：

圖2 探測(cè)前車(chē)原理圖

其中1為0車(chē)探測(cè)到的與1車(chē)之間的距離，2為1車(chē)探測(cè)到的與2車(chē)之間的距離，0-2為0車(chē)計(jì)算出的與2車(chē)之間的距離，1為1車(chē)前端毫米波雷達(dá)與尾部的距離，為1車(chē)探測(cè)到的與2車(chē)之間的方位角，x-y為Y車(chē)相對(duì)于X車(chē)的速度，x-y為Y車(chē)相對(duì)于X車(chē)的方位角。

這樣就可以通過(guò)車(chē)輛之間的通信就可以把原本不在毫米波探測(cè)范圍內(nèi)的車(chē)輛的具體位置，速度及其方位角計(jì)算出來(lái)，之后在進(jìn)行碰撞計(jì)算，可以計(jì)算在一定閾值內(nèi)的危險(xiǎn)車(chē)輛，如其它車(chē)輛有碰撞的可能，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置以提醒駕駛員，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接進(jìn)行緊急制動(dòng)或調(diào)整行車(chē)方向躲避[6]。同理車(chē)輛也可以收集后車(chē)探測(cè)的信息。

3 基于車(chē)車(chē)通信的避障算法

根據(jù)基于車(chē)車(chē)通信的毫米波雷達(dá)探測(cè)方案獲取了多車(chē)相對(duì)距離相對(duì)速度以及相位角，需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立汽車(chē)防撞模型，進(jìn)行計(jì)算有無(wú)碰撞可能，若其中兩輛汽車(chē)之間存在碰撞可能性，則會(huì)提醒駕駛員。

汽車(chē)防撞模型：

汽車(chē)防撞算法主要是根據(jù)兩車(chē)間相對(duì)速度計(jì)算安全制動(dòng)距離，而且計(jì)算安全制動(dòng)距離時(shí)需要引入速度影響系數(shù)u，不同速度等級(jí)的速度影響因數(shù)應(yīng)不同，從而提高防撞算法的準(zhǔn)確性，減少虛報(bào)概率[7]。

如果毫米波雷達(dá)系統(tǒng)計(jì)算出的車(chē)輛安全制動(dòng)距離小于當(dāng)前距離時(shí)，就有發(fā)生事故的可能性，這時(shí)需要通過(guò)蜂鳴器提醒駕駛員注意危險(xiǎn)；如果所測(cè)得距離繼續(xù)減小，直至車(chē)輛安全制動(dòng)距離臨界值小于當(dāng)前距離時(shí)，自動(dòng)剎車(chē)裝置就會(huì)動(dòng)作減速，直到兩車(chē)的相對(duì)速度V等于0為止[8]。表示兩車(chē)停車(chē)后保證不相撞的最小安全車(chē)距，S表示本車(chē)的制動(dòng)距離，S示前車(chē)的制動(dòng)距離，則在本車(chē)減速前兩車(chē)的最小安全車(chē)距可以表示為：

圖3 最小安全車(chē)距D示意圖

1為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，2為制動(dòng)器克服制動(dòng)間隙時(shí)間，2為制動(dòng)器制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間，v為本車(chē)速度，v為前車(chē)速度，a為本車(chē)的制動(dòng)減速度，a為前車(chē)的制動(dòng)減速度。

表2 速度影響系數(shù)u

不同速度等級(jí)的速度影響因數(shù)應(yīng)不同[9]，引入速度影響系數(shù)u計(jì)算安全制動(dòng)距離，u的取值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，如表2所示。

臨界安全車(chē)距為D，計(jì)算公式如上，當(dāng)實(shí)際距離小于D，處理系統(tǒng)則判定兩車(chē)之間存在碰撞可能，需要警報(bào)或制動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作[10]。

4 結(jié)論

采用車(chē)車(chē)通信的毫米波雷達(dá)方案可以很好地對(duì)該車(chē)附近的車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，且可以探測(cè)到原來(lái)探測(cè)不到的車(chē)輛，使車(chē)輛具有很好的預(yù)見(jiàn)性，在防止事故發(fā)生方面具有比較大的作用，在交通安全領(lǐng)域具有很大的價(jià)值。

[1] 吳永存.汽車(chē)主動(dòng)防撞毫米波雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)研究[D].西南科技大學(xué),2016.

[2] 戴作寧.毫米波雷達(dá)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)精確測(cè)速研究[D].南京大學(xué), 2016.

[3] 柯振宇.基于毫米波雷達(dá)的車(chē)輛縱向碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué),2014.

[4] 韓星.基于毫米波雷達(dá)的汽車(chē)主動(dòng)防撞預(yù)警目標(biāo)識(shí)別[D].吉林大學(xué),2013.

[5] 鄭銳.毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇大學(xué),2010.

[6] 于敬泉.汽車(chē)防撞雷達(dá)信號(hào)處理研究[D].江蘇大學(xué),2006.

[7] 蔣飛.汽車(chē)主動(dòng)避撞雷達(dá)系統(tǒng)的研究[D].武漢理工大學(xué),2006.

[8] 徐濤.毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)實(shí)用化研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所),2003.

[9] Signal detection in Gaussian noise of unknown level: An invariance application. L. Scharf, D. Lytle. IEEE Transactions on Information Theory. 1971.

[10] High performance automotive radar for automatic AICC. Eriksson, Lars H.,As,Bengt-Olof.IEEETransactions on Aerospace and Electr -onic Systems. 1995.

Active obstacle avoidance technology of millimeter wave radar based onvehicle and vehicle communication

Gao Yuan, Li Jianjun, Wang Biyao

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Millimeter wave radar is an important sensor of automobile active safety technology. Its work is stable, it is not easy to be affected by the weather. It can detect long distance, but it will be blocked by metal objects. Therefore, it is difficult to realize large-scale obstacle detection. Nowadays, intelligent networked vehicles have gradually been introduced to the market. It is possible to realize large-scale detection of millimeter-wave radar based on vehicle-to-vehicle communi -cation. This paper will mainly introduce the active obstacle avoidance technology of millimeter-wave radar based on vehicle-to-vehicle communication.

millimeter wave radar; vehicle and vehicle communication; active obstacle avoidance

U471.2

B

1671-7988(2019)08-55-03

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B

1671-7988(2019)08-55-03

高原（1995-），就讀于長(zhǎng)安大學(xué)車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.017