張濤

（淮南聯(lián)合大學(xué) 智能制造學(xué)院，安徽淮南，232038）

0 引言

引發(fā)交通事故的一個重要原因是駕駛員疲勞駕駛或突發(fā)疾病而使車輛失控。疲勞后，以感知功能減弱、注意力下降、駕駛操作行為紊亂、反應(yīng)時間延長等表現(xiàn)為駕駛員生理上的變化和對駕駛行為的影響，極易造成判斷失誤和操作失誤，從而導(dǎo)致道路交通事故的發(fā)生。因此，應(yīng)積極利用人防、技防等手段加強對疲勞駕駛行為的監(jiān)測，以防此類問題引發(fā)的交通事故。

國內(nèi)外主要從駕駛員生理指標檢測、駕駛面部特征檢測、駕駛操作特征及車輛行駛狀態(tài)檢測等方面開展研究，各種方法均有一定的理論研究基礎(chǔ)和技術(shù)可行性，其中大部分方法已有產(chǎn)品應(yīng)用，目前國內(nèi)外已有相關(guān)技術(shù)同時，在應(yīng)用各種方法和技術(shù)方面也有局限性。雖然當前普及的大多數(shù)疲勞駕駛系統(tǒng)可以在一定程度上對駕駛疲勞進行監(jiān)測，但仍然存在一些缺欠和短板的地方。現(xiàn)有的方法大多采用接觸測量法，對監(jiān)測生理信息往往需要司機攜帶或安裝大量的設(shè)備，這對司機的正常行為會造成一定的困擾。同時，利用機器視覺技術(shù)單一地探測環(huán)境，使得駕駛員在白天的疲勞測試更為精確，而在夜間是駕駛疲勞的高峰期，駕駛員的疲勞監(jiān)測的精準度并不理想。基于毫米波雷達的駕駛員疲勞駕駛監(jiān)測技術(shù)可有效彌補現(xiàn)有技術(shù)手段的不足，以其非接觸性、高靈敏性、抗干擾能力強等特點逐漸成為未來主流技術(shù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

毫米波雷達是利用電磁波向外發(fā)射來探測障礙物，傳播時如果遇到障礙物就反射信號，通過雷達的接收天線接收回波信號，然后將障礙物的距離和徑向速度等物理信息提取出來，進行混頻和信號處理。除此之外，毫米波技術(shù)還帶來了優(yōu)勢，可對人體進行無接觸地持續(xù)監(jiān)視。通過捕獲和處理反射信號，雷達系統(tǒng)可以確定物體的距離、速度和角度。毫米波雷達在物體距離檢測中可以提供毫米級別的精度，因而成為生命體征信號的理想非接觸式監(jiān)測技術(shù)。毫米波雷達傳感器以體積小、質(zhì)量輕、精度高為特點，具有全天候全天時工作優(yōu)勢，對霧、煙、粉塵具有較強的抗干擾能力。

雷達核心部分采用了TI 公司的高性能毫米波雷達芯片AWR1843，該芯片是單芯片76GHz～81GHz 的汽車雷達傳感器，集成了DSP 子系統(tǒng)、MCU 和硬件加速模塊(HWA)。雷達采用3 發(fā)4 收MIMO 的設(shè)計方案，可在常規(guī)雷達的基礎(chǔ)上進一步提高角度分辨率，并且縮小雷達尺寸。信號處理算法的實現(xiàn)全部在AWR1843 芯片內(nèi)完成，并將檢測結(jié)果通過CAN 發(fā)送到車身控制器，進行目標特征提取和模式識別，決策出相應(yīng)區(qū)域有無目標，以及目標生命體征狀態(tài)信息。同時，通過UART 可以向上位機輸出調(diào)試狀態(tài)下的生命體征信息。

雷達支持的直流電壓范圍是6V～30V。在12V 電源下，工作電流為200mA 左右，峰值電流不超過350mA，系統(tǒng)的寄生電流不超過100μA。當雷達系統(tǒng)收到休眠指令，或從CAN 總線不能得到信息時，會進入休眠模式，休眠模式下，每個雷達傳感器的電流不超過50μA。它不受光線、溫度和灰塵的影響，相對于駕駛員生理指標檢測、駕駛面部特征檢測、駕駛操作特征和車輛行駛狀態(tài)檢測而言，具有極高的探測精度。

■1.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)駕駛員生命體征信息監(jiān)測對傳感器性能的要求，構(gòu)建出駕駛員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成。根據(jù)硬件功能的不同，系統(tǒng)可以劃分為核心處理模塊AWR1843、FLASH 單元、電壓狀態(tài)采集單元、時鐘單元、狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲單元、電源單元、對外接口單元等若干模塊。其連接關(guān)系如圖1 毫米波雷達系統(tǒng)硬件框圖所示。雷達采用FMCW 技術(shù)，在天線陣列布局上，采用最小冗余陣列的設(shè)計方法，在陣元數(shù)量較少的情況下，可以忽略掉最小冗余陣列造成的柵瓣，因為采用了相對較少的3 發(fā)4 收通道數(shù)量，以增大天線陣列孔徑，僅能提高角度分辨率，同時提高了測角精度。

圖1 毫米波雷達系統(tǒng)硬件框圖

軟件系統(tǒng)是以TI官方開發(fā)軟件和開發(fā)語言開發(fā)為基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)輸出駕駛員生命體征信息檢測結(jié)果。雷達硬件設(shè)備與控制計算機之間通過CAN 實現(xiàn)通訊，向主芯片發(fā)送雷達參數(shù)配置程序。配置雷達參數(shù)：CHANNEL_CFG 命令將天線收發(fā)方式配置為3 發(fā)4 收模式；Profile_CFG 命令配置雷達工作頻率為77～81GHz，工作帶寬為4GHz，線性調(diào)頻脈沖數(shù)據(jù)率為6.25Hz，線性調(diào)頻脈沖斜率為70MHz/μs，ADC 點數(shù)為224，ADC 速率為4558Ksps。接收天線增益30dB；FRAME_CFG 命令配置幀周期為100ms，含線性FM 脈沖數(shù)為32/幀。Sensor_START 命令配置啟動式傳感器；Sensor_STOP 指令配置終止傳感器；FLUSH_CFG 命令刷新舊的配置，并在Sensor_STOP 命令之后提供新的配置，向傳感器發(fā)送配置命令，以備下一次啟動。采集雷達獲取的回波數(shù)據(jù)，形成帶時間戳的文件保用于算法處理。

■1.2 關(guān)鍵元器件

系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單如表1 所示，所有關(guān)鍵元器件均選用車規(guī)級別，阻容感等其他非關(guān)鍵元器件也均選用車規(guī)級別。其中DSP 處理器是所有數(shù)字信號處理、檢測、跟蹤、聚類和其他算法發(fā)生的處理單元。CAN 通信芯片用于完成車機互聯(lián)，為車輛提供駕駛員疲勞監(jiān)測數(shù)據(jù)，雷達系統(tǒng)能捕捉到異常時車輛發(fā)出提醒聲音以喚醒駕駛者或采取其他必要措施。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單

■1.3 對外接口與安裝

雷達對外接插件采用TE 公司的6pins 的專用接插件175506-2，定義如表2 所示。雷達由蓄電池供電，雷達采集信息通過CAN總線與車機相連，提供車機關(guān)鍵決策信息。雷達安裝在車輛頂部，左右居中，距駕駛員靠背的縱向距離推薦為1m，安裝時需確?？臻g足夠，需確保雷達接插件端口相對于車輛方向向左或向右，推薦雷達架設(shè)角度為向后傾斜30°，具體安裝位置及架設(shè)角度視車輛內(nèi)部空間而定。

表2 對外接插件定義

2 雷達檢測原理

毫米波雷達向人體胸部區(qū)域發(fā)射線性調(diào)頻脈沖，由于胸部的運動，反射信號是相位調(diào)制的，調(diào)制涵蓋運動的所有分量，包括心跳和呼吸引起的運動。三發(fā)射天線分時發(fā)射快掃線性調(diào)頻連續(xù)波信號，回波經(jīng)四路接收天線返回雷達接收機，經(jīng)混頻濾波等處理，由AD 進行中頻信號變?yōu)閿?shù)字信號，對四路正交I/Q 信號做乒乓緩存，分別進行距離到一維FFT處理，再進行CAPON 譜估計，形成距離角度的二維熱力圖，從熱力圖上進行目標特征提取和模式識別，決策出相應(yīng)區(qū)域成員的生命體征信息，信號處理流程如圖2 所示。

圖2 信號處理流程

■2.1 測距原理

雷達的基本工作之一就是測量目標的距離。如圖3 頻差法測距示意圖，發(fā)射的快速掃描線性調(diào)頻連續(xù)波信號FMCW 電磁波在空氣中向前方傳播，經(jīng)障礙物反射，往返一次所需的時間延遲τ，其頻率與回波頻率相比在這段時間內(nèi)發(fā)生了變化，因而在調(diào)頻規(guī)律和回波延遲共同決定了這個中頻信號在混頻器輸出端的頻率差f。通過頻差f 可求取延遲時間τ，進而得知目標距離。目標距離由計算公式(1)得，延時時間由計算公式(2)得。

圖3 頻差法測距示意圖

■2.2 測角原理

由于電磁波沿直線傳播，目標散射或反射電磁波波前到達的方向，即為目標所在方向。一般情況下，目標角度的測量采用相位法，即利用多根天線所接收的回波信號之間的相位差來測量角度。如圖4 所示，設(shè)在θ 方向有一遠區(qū)目標，則到達接收點的目標所反射的電磁波近似為平面波。設(shè)兩天線的間距為d，所以它們接收到的信號有波程差?R，而波程差又造成了與其相位差φ 的現(xiàn)象。通過求取該相位差而得到目標回波方向θ，波程差?R由計算公式(3)得。

圖4 相位法測角示意圖

通過上述方法可獲得距離和方位信息，通過軟件設(shè)置有效的距離范圍、角度范圍，從而限定檢測區(qū)域的邊界，滿足不同車型駕駛員區(qū)域的完整覆蓋。

■2.3 技術(shù)指標

毫米波雷達技術(shù)指示如表3 所示。

表3 毫米波雷達技術(shù)指標

■2.4 功能測試

當車輛啟動后，雷達被喚醒，開始自動檢測，從模塊收到探測請求，到完成探測、發(fā)送探測結(jié)果，一般耗時小于1s。一旦發(fā)現(xiàn)駕駛員有疲勞駕駛的行為，迅速發(fā)出報警信號，同時汽車中控系統(tǒng)還可以強制啟動輔助救助裝置，從而達到保障車內(nèi)人員人身安全的目的，減少交通事故發(fā)生的概率。該系統(tǒng)除能精確檢測出駕駛員的生命體征狀態(tài)信息，實時監(jiān)測駕駛員是否疲勞駕駛，另可用于車內(nèi)成員檢測，避免兒童或?qū)櫸锉贿z留在車內(nèi)而引發(fā)的安全事故發(fā)生。如圖5 上位機顯示所示為駕駛員的心跳與呼吸信息。

圖5 心跳與呼吸信息

3 總結(jié)

在這樣的系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)的相機等傳感器難以感知到生理信號，且從設(shè)計角度來說，攝像頭必須裸露在外，視野被遮擋難以避免。而在塑料遮擋物背后可以安裝毫米波雷達，且對遮擋并不敏感，因此，毫米波雷達將成為感知系統(tǒng)的重要一環(huán)。雖然現(xiàn)在還沒有具體規(guī)定，但眾多半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)在積極準備中，車內(nèi)生理信號識別將是未來毫米波雷達的增量市場。而當車載毫米波雷達在生理信號監(jiān)測應(yīng)用中驗證了之后，就有機會向健康護理相關(guān)應(yīng)用的醫(yī)院和家庭推廣，值得我們期待這些更深入的應(yīng)用?；诤撩撞ɡ走_的駕駛員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏感知輕微呼吸的胸部運動幅度變化探測，快速判斷駕駛員是否疲勞駕駛，必要時可發(fā)出警告提醒或采取緊急制動等措施，綜合考慮該領(lǐng)域現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展情況，我國在該領(lǐng)域尚處于起步階段。本系統(tǒng)為解決駕駛員疲勞探測問題提供了智能解決方案，避免了駕駛員疲勞駕駛導(dǎo)致的事故和傷亡。