陳偉杰 周浩 陳妃味

TCL空調(diào)器（中山）有限公司 廣東中山 528403

1 引言

近些年，隨著科技的不斷進(jìn)步和社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)家電的需求已經(jīng)不止于家電“原始功能”本身，而對(duì)家電的智能化功能有了更高的要求。空調(diào)器作為房屋不可缺少的家電之一，是智能化技術(shù)應(yīng)用最深入的，但是仍處于真正意義上智能化的半成熟階段。

采用各種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)而空調(diào)器執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，是空調(diào)器智能化發(fā)展必不可少的手段。當(dāng)前，也有個(gè)別空調(diào)器已搭載雷達(dá)傳感器，來采集房間內(nèi)人物的方位，從而實(shí)現(xiàn)“風(fēng)朝向人吹”和“風(fēng)避開人吹”的功能。然而，采集的環(huán)境數(shù)據(jù)要素少，實(shí)現(xiàn)的功能單一且效果并不明顯。本文采用60 GHz毫米波雷達(dá)傳感器，采集房間的面積、與墻夾角、空調(diào)器安裝位置、目標(biāo)人物位置以及睡眠狀態(tài)等，為了提高空調(diào)器的智能化水平，增強(qiáng)毫米波雷達(dá)在空調(diào)器上的深度應(yīng)用，特此開展毫米波雷達(dá)在空調(diào)器上的應(yīng)用研究。

2 毫米波雷達(dá)技術(shù)背景

2.1 毫米波雷達(dá)

工作在毫米波波段的雷達(dá)。工作頻率一般為30 GHz～300 GHz，波長(zhǎng)為1 mm～10 mm，介于微波和厘米波之間，兼具有微波雷達(dá)和光電雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 毫米波雷達(dá)工作原理

2.2.1 CW多普勒雷達(dá)傳感器多普勒雷達(dá)是一種專門的雷達(dá)，使用多普勒效應(yīng)原理，測(cè)量得出不同距離目標(biāo)的的速度。它向給定的目標(biāo)發(fā)射微波信號(hào)，然后分析反射回來的信號(hào)的頻率變化，發(fā)射頻率和反射回來的頻率的差異，可以精確測(cè)量出目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度等信息[3]。

2.2.2 FMCW毫米波雷達(dá)傳感器

發(fā)射波為調(diào)頻連續(xù)波，其頻率隨時(shí)間按照三角波規(guī)律變化。雷達(dá)接收的回波的頻率與發(fā)射的頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個(gè)時(shí)間差，利用這個(gè)微小的時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)距離。

①測(cè)距：通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送毫米波信號(hào)，然后用傳感器接收從物體返回的毫米波，通過探測(cè)毫米波的飛行（往返）時(shí)間來得到目標(biāo)物距離；

②測(cè)速：根據(jù)多普勒效應(yīng)，通過計(jì)算返回接收天線的雷達(dá)波的頻率變化就可以得到目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度，簡(jiǎn)單地說就是相對(duì)速度正比于頻率變化量；

③測(cè)角度：通過并列的接收天線收到同一目標(biāo)反射的雷達(dá)波的相位差計(jì)算得到目標(biāo)的方位角。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

基于60 GHz工業(yè)級(jí)毫米波雷達(dá)傳感器，4發(fā)4收天線，工作頻率60 GHz～64 GHz，可以同時(shí)測(cè)量距離、速度和方位角，實(shí)物如圖1所示。

圖1 毫米波雷達(dá)開發(fā)平臺(tái)

主控板采用瑞薩RL78/G13系列16位單片機(jī)，主板提供5 V電源，用UART口與雷達(dá)模塊通信獲取雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

IDE使用瑞薩自主開發(fā)的CS+ for CA，仿真器使用瑞薩E2 lite仿真器。

3.2 程序軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)模塊：串口數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)優(yōu)化和處理模塊、功能邏輯模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)處理

主板發(fā)送部分（控制雷達(dá)啟動(dòng)），待雷達(dá)初始化完畢，主板發(fā)送開啟雷達(dá)指令，待雷達(dá)掃描面積完畢后接著發(fā)送獲取房間坐標(biāo)信息指令，再發(fā)送開啟雷達(dá)串口發(fā)送指令，則雷達(dá)開始主動(dòng)發(fā)送追蹤人物目標(biāo)信息。

主板接收部分（接收雷達(dá)數(shù)據(jù)），雷達(dá)啟動(dòng)后，將雷達(dá)發(fā)送的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲取房間4個(gè)角落坐標(biāo)信息；開啟雷達(dá)串口發(fā)送后，解碼獲取雷達(dá)檢測(cè)到的追蹤目標(biāo)數(shù)、目標(biāo)坐標(biāo)、目標(biāo)高度、目標(biāo)速度等信息存入相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)組保存。

數(shù)據(jù)優(yōu)化和處理部分（處理雷達(dá)數(shù)據(jù)），由于毫米波雷達(dá)對(duì)靜態(tài)目標(biāo)的檢測(cè)容易導(dǎo)致目標(biāo)消失，而目標(biāo)人物不會(huì)突然在一個(gè)點(diǎn)消失，在時(shí)間上和空間上具有關(guān)聯(lián)性，因此需要優(yōu)化數(shù)據(jù)，需要對(duì)每幀數(shù)據(jù)與上一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果若是有目標(biāo)消失，則判斷該人員數(shù)據(jù)消失前是否仍在房間內(nèi)，是則保留該數(shù)據(jù)信息，否則刪除該目標(biāo)數(shù)據(jù)。圖2為優(yōu)化“假消失”數(shù)據(jù)算法流程圖。

圖2 優(yōu)化“假消失”數(shù)據(jù)算法流程圖

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)雷達(dá)發(fā)送的房間角落坐標(biāo)計(jì)算房間面積。因?yàn)榉块g形狀的不確定性以及雷達(dá)放在不同位置有不同的坐標(biāo)框架，因此采用海倫公式計(jì)算任意四邊形的面積。

取房間4個(gè)角落X、Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算出4邊長(zhǎng)，設(shè)為a，b，c，d。房間面積為S，假設(shè)一個(gè)系數(shù)Z：

為了減少因?yàn)樵肼暩蓴_而導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，需要采用滑動(dòng)窗口算法進(jìn)行濾波優(yōu)化，計(jì)算每個(gè)窗口數(shù)據(jù)的和，再取其平均值。經(jīng)過滑窗濾波后，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，避免了較大波動(dòng)產(chǎn)生的誤判。

3.2.2 空調(diào)器功能設(shè)計(jì)（睡眠識(shí)別功能為例）

毫米波雷達(dá)能夠通過檢測(cè)目標(biāo)人物輪廓，根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)判斷是否為在床上躺臥和睡眠姿態(tài)，以及檢測(cè)呼吸和心率狀態(tài)等來檢測(cè)睡眠狀態(tài)。受限于空調(diào)器與目標(biāo)人物的距離，毫米波雷達(dá)通過檢測(cè)人體呼吸和心率狀態(tài)來判斷人體睡眠狀態(tài)結(jié)果可靠性較低，因此采用檢測(cè)人體是否在床上躺臥和睡眠姿態(tài)的方案來綜合判斷人物是否進(jìn)入睡眠。

毫米波雷達(dá)開啟檢測(cè)后，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)人物后，計(jì)算人體高度數(shù)據(jù)以及輪廓模型，判斷是否為在床上躺臥，進(jìn)而再通過提前訓(xùn)練的睡姿模型分析人物是否為睡眠姿態(tài)，判斷是否進(jìn)入睡眠，從而開啟空調(diào)器的智能睡眠模式。圖3為睡眠功能邏輯流程圖。

圖3 睡眠功能邏輯流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

測(cè)試環(huán)境：將毫米波雷達(dá)放在8 m×4.5 m會(huì)議室內(nèi)測(cè)試，高度調(diào)整為1.45 m，分別放置在角落和短邊進(jìn)行測(cè)試采集數(shù)據(jù)。如圖4所示。

圖4 毫米波雷達(dá)放置位置

如圖5所示，雷達(dá)法線作為y軸（空調(diào)器正向，基準(zhǔn)線），x軸與y軸垂直，形成房屋坐標(biāo)系。為了保證采集數(shù)據(jù)的一般性和全面性，將會(huì)議室分區(qū)，各區(qū)共設(shè)置9個(gè)采集測(cè)試點(diǎn)，驗(yàn)證程序和毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖5 房間分區(qū)點(diǎn)陣圖

首先是房間數(shù)據(jù)，將雷達(dá)放置在角落和短邊，各統(tǒng)計(jì)4次面積數(shù)據(jù)和左右夾角數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

表1 雷達(dá)測(cè)量房屋面積數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)分析：房間面積最大偏差率為14.14%，最小偏差率為0.65%，綜合偏差率為9.34%，放在角落偏差率大于放在短邊偏差率。對(duì)空調(diào)器而言，10%以內(nèi)的偏差率認(rèn)為合格。房間面積的檢測(cè)可以為空調(diào)器自適應(yīng)制冷量、制熱量和送風(fēng)量提供一個(gè)有力參考，降低功耗，減少電能浪費(fèi)。根據(jù)用戶調(diào)研，用戶對(duì)空調(diào)器的能耗關(guān)注度較高，如何降低能耗，做到節(jié)能，是空調(diào)器企業(yè)思考的方向。采集房間面積的大小，可以根據(jù)不同房間大小為空調(diào)器自適應(yīng)制冷量、制熱量和送風(fēng)量等提供一個(gè)重要參數(shù)，有效降低能耗損失。表2為雷達(dá)在角落測(cè)量空調(diào)器與左右墻夾角的數(shù)據(jù)表。

表2 雷達(dá)測(cè)量空調(diào)器左右夾角數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)分析：雷達(dá)放置在角落，檢測(cè)左右夾角，左夾角綜合偏差率為3.47%，右夾角綜合偏差率為2.21%，左右夾角綜合偏差率為2.84%，數(shù)據(jù)可靠性高。左右夾角的檢測(cè)可以讓空調(diào)器左右導(dǎo)風(fēng)板規(guī)避無用風(fēng)，提高送風(fēng)利用率。例如一些用戶將掛式空調(diào)器緊靠墻壁安裝，左右掃風(fēng)會(huì)對(duì)墻吹；柜式空調(diào)器出風(fēng)口朝向偏靠墻同樣會(huì)對(duì)墻吹，產(chǎn)生大量無用風(fēng)。表3、表4為檢測(cè)的人物目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的距離數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)。

表3 人物相對(duì)雷達(dá)的距離數(shù)據(jù)表

表4 人物相對(duì)雷達(dá)的角度數(shù)據(jù)表

表3數(shù)據(jù)分析：距離最大偏差率為6.45%，最小偏差率為0%，綜合偏差率為2.01%，數(shù)據(jù)檢測(cè)可靠性極高。如今流行的圓柱體空調(diào)器，出風(fēng)口較低，兒童容易觸及，門板在關(guān)閉時(shí)容易夾傷手，因此對(duì)人物與空調(diào)器的距離檢測(cè)，可以在人物與空調(diào)器距離很近時(shí)停止門板和掃風(fēng)板的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)防夾手功能，提高空調(diào)器的安全性。

表4數(shù)據(jù)分析：角度最大偏差率為13%，最小偏差率為0%，綜合偏差率為6.17%，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠性高。檢測(cè)人物角度數(shù)據(jù)，可以調(diào)整空調(diào)器左右掃風(fēng)角度，實(shí)現(xiàn)“風(fēng)吹人”“風(fēng)避人”等功能，提高空調(diào)器的舒適性。

最后，測(cè)試識(shí)別人物睡眠功能的可靠性，本次測(cè)試僅測(cè)單人睡眠情景。人物在房間內(nèi)左墻和右墻各躺下模擬睡眠50次，測(cè)試程序設(shè)置檢測(cè)到躺下姿態(tài)，持續(xù)檢測(cè)超過5秒后判斷為進(jìn)入睡眠狀態(tài)。圖6為模擬睡眠測(cè)試圖。

測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)位于圖6b）位置睡眠測(cè)試時(shí)，測(cè)試50次中，共有15次檢測(cè)失敗，成功率僅為70%，而位于圖6a）位置睡眠測(cè)試時(shí)，成功47次，僅3次失敗，成功率達(dá)94%。經(jīng)分析，右墻反光寫字板對(duì)雷達(dá)檢測(cè)產(chǎn)生了干擾，產(chǎn)生的人物目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)異常，因此檢測(cè)失敗?？傮w而言，在雷達(dá)不受干擾的情況下，睡眠識(shí)別功能可靠性高，可進(jìn)一步研究應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品投入。

圖6 人物模擬睡眠

5 結(jié)論

本文通過研究60 GHz毫米波雷達(dá)在空調(diào)器上的應(yīng)用。根據(jù)毫米波雷達(dá)測(cè)距、測(cè)角度、測(cè)速度的功能特性，使空調(diào)器對(duì)環(huán)境感知能力進(jìn)一步增強(qiáng)。通過對(duì)房間面積、空調(diào)器夾角的檢測(cè)以及對(duì)人物的追蹤，實(shí)現(xiàn)空調(diào)器更加智能化的制冷、制熱、送風(fēng)等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，面積檢測(cè)偏差率低于10%，人物的距離偏差率為2.01%、角度偏差率為6.17%，數(shù)據(jù)可靠性高，可以作為空調(diào)器環(huán)境感知的數(shù)據(jù)重要參考。毫米波雷達(dá)在空調(diào)器領(lǐng)域還有更多可能性，下一步將作進(jìn)一步地深入研究。