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

隨著車輛的增多，因孩子被遺留在車內(nèi)而中暑甚至窒息死亡的情況經(jīng)常發(fā)生，而這種情況在每年的5 月底到9 月初達(dá)到高峰。近年來(lái)，因?qū)和z留在轎車或校車內(nèi)而致兒童死亡的事件時(shí)有發(fā)生，在這些慘痛的教訓(xùn)面前，配置車內(nèi)人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)刻不容緩。當(dāng)前汽車制造商們已經(jīng)開(kāi)始著力解決這一問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，美國(guó)目前正在推動(dòng)立法，希望減少類似事故的發(fā)生，規(guī)定今后所有新出廠的汽車都必須配備這一功能。最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)壓力傳感器來(lái)判斷汽車后門的使用情況，以及在司機(jī)離開(kāi)車輛時(shí)，伴隨著提示司機(jī)檢查車內(nèi)情況的警告音來(lái)監(jiān)測(cè)車輛后門的使用情況[1]。

目前，我國(guó)車內(nèi)主要使用紅外探測(cè)器、超聲波雷達(dá)、攝像頭等探測(cè)傳感器，暫時(shí)還沒(méi)有很好地應(yīng)用毫米波雷達(dá)。紅外線易受熱源、陽(yáng)光源干擾，被動(dòng)紅外穿透力差，人體紅外輻射易被遮擋，不易被報(bào)警器接收，尤其當(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)靈敏度明顯下降，嚴(yán)重的甚至?xí)虝r(shí)失靈。超聲波雷達(dá)分辨率差，復(fù)雜環(huán)境下檢測(cè)效果變差，高溫時(shí)靈敏性下降。攝像頭對(duì)光線要求極高，易受灰塵等影響，且成本高。本設(shè)計(jì)方案所述車內(nèi)成員檢測(cè)雷達(dá)采用77 GHz 頻段大帶寬，探測(cè)精度極高，不受光線、溫度、灰塵等影響，利用MIMO 技術(shù)能有效剔除車內(nèi)靜止物雜波的干擾，準(zhǔn)確檢測(cè)出活體目標(biāo)，為解決車內(nèi)兒童遺留、駕駛員疲勞駕駛檢測(cè)等問(wèn)題提供了智能化解決方案[2-3]。

毫米波雷達(dá)是目前唯一能夠全天候工作的傳感器，其不受逆光、霧霾、雨雪和沙塵等惡劣天氣的影響，是科技和產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)的主流技術(shù)。采用毫米波雷達(dá)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于座椅上的傳感器，毫米波雷達(dá)可以區(qū)分座位上的兒童和物體，主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)人體呼吸過(guò)程中的身體細(xì)微起伏來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而降低了誤報(bào)的可能性。相比攝像頭，毫米波雷達(dá)還可以獲取人員的呼吸和心跳信息，有利于保護(hù)用戶的隱私。除了車內(nèi)人員監(jiān)測(cè)，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)也可用于其它安全功能應(yīng)用中，例如駕駛員疲勞駕駛檢測(cè)、安全帶未系提醒等，甚至在汽車發(fā)生碰撞時(shí)可以調(diào)節(jié)安全氣囊的響應(yīng)[4]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

毫米波雷達(dá)向外發(fā)射電磁波來(lái)探測(cè)障礙物，電磁波傳播時(shí)若遇到障礙物則反射信號(hào)，通過(guò)雷達(dá)的接收天線接收回波信號(hào)，再提取障礙物的距離和徑向速度等物理信息，進(jìn)行混頻和信號(hào)處理。毫米波雷達(dá)傳感器的特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、精度高，具有全天候全天時(shí)工作優(yōu)勢(shì)，對(duì)霧、煙、粉塵具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

雷達(dá)核心部分采用TI 公司出品的高性能毫米波雷達(dá)芯片AWR1843，它是集成了DSP 子系統(tǒng)、MCU 和硬件加速模塊（HWA）的單芯片76 ～81 GHz 汽車?yán)走_(dá)傳感器。DSP子系統(tǒng)采用TI 高性能C674xDSP 用于雷達(dá)信號(hào)處理，其硬件加速模塊不僅能幫助節(jié)省MIPS 以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的算法，還包含了負(fù)責(zé)無(wú)線電配置、控制和校準(zhǔn)的ARM-R4F 處理器子系統(tǒng)，其連續(xù)線性調(diào)頻高達(dá)5 GHz。

AWR1843 傳感器采用低功耗45 nm RFCMOS 工藝制造，其包含了射頻前端和信號(hào)處理模塊，以及豐富外設(shè)接口的內(nèi)置PLL 的超精確FM 脈沖引擎，實(shí)現(xiàn)了超小外形的超高集成度，對(duì)于低功耗、自監(jiān)測(cè)、超精確的雷達(dá)系統(tǒng)都適用。雷達(dá)采用3 發(fā)4 收MIMO 設(shè)計(jì)方案，可在常規(guī)雷達(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高角度分辨率，并且縮小雷達(dá)尺寸。信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)全部在AWR1843 芯片內(nèi)完成，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)CAN發(fā)送到車身控制器。同時(shí)，在調(diào)試狀態(tài)下熱力圖信息也能通過(guò)UART 輸出至上位機(jī)[5-6]。

三發(fā)射天線分時(shí)發(fā)射快掃線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，回波經(jīng)四路接收天線返回雷達(dá)接收機(jī)，經(jīng)混頻濾波等處理，由A/D 進(jìn)行中頻信號(hào)的采樣變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，對(duì)四路正交的I/Q 信號(hào)做乒乓緩存，分別進(jìn)行距離向一維FFT 處理，之后進(jìn)行Capon 譜估計(jì)，形成距離角度二維熱力圖。從熱力圖上進(jìn)行目標(biāo)特征提取和模式識(shí)別，決策相應(yīng)區(qū)域有無(wú)目標(biāo)，以及目標(biāo)生命體征狀態(tài)信息[7]。

雷達(dá)支持的直流電壓范圍為6 ～30 V。在12 V 電源下，工作電流約為200 mA，峰值電流不超過(guò)350 mA，系統(tǒng)的寄生電流不超過(guò)100 μA。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)收到休眠指令，或從CAN 總線無(wú)法得到信息時(shí)，會(huì)進(jìn)入休眠模式。在休眠模式下，每個(gè)雷達(dá)傳感器的電流不超過(guò)50 μA。相比紅外探測(cè)器、超聲波雷達(dá)、攝像頭等，其不受光線、溫度、灰塵的影響，能有效剔除車內(nèi)靜止物雜波的干擾，準(zhǔn)確檢測(cè)出活體目標(biāo)，探測(cè)精度極高。雷達(dá)因其超低能耗、超高性能，能效比極高。

1.1 系統(tǒng)框架

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(shí)鐘單元、狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電源單元、對(duì)外接口單元等，其連接關(guān)系如圖1 所示。

圖1 毫米波雷達(dá)系統(tǒng)框圖

1.2 關(guān)鍵元器件

系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單見(jiàn)表1 所列。所有元器件均選用車規(guī)級(jí)別。

表1 系統(tǒng)關(guān)鍵元器件清單

1.3 對(duì)外接口

雷達(dá)對(duì)外接插件采用TE 公司的6pins 專用接插件175506-2，定義見(jiàn)表2 所列。

表2 對(duì)外接插件定義

1.4 安裝規(guī)范

雷達(dá)與車身控制器接口信息見(jiàn)表3 所列。

表3 雷達(dá)與車身控制器接口信息

安裝方式1：雷達(dá)安裝在車輛頂部，左右居中，距后座靠背的縱向距離推薦為1 m，安裝時(shí)需確保擁有足夠的空間，確保雷達(dá)接插件端口相對(duì)于車輛方向向左或向右，推薦雷達(dá)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。

安裝方式2：對(duì)于有全景天窗的車輛，雷達(dá)安裝在天窗后沿，波束范圍覆蓋完整后排座椅。具體安裝位置及架設(shè)角度視車輛內(nèi)部空間而定。

2 雷達(dá)檢測(cè)原理

三發(fā)射天線分時(shí)發(fā)射快掃線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，回波經(jīng)四路接收天線返回雷達(dá)接收機(jī)，經(jīng)混頻濾波等處理，由A/D 進(jìn)行中頻信號(hào)采樣，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，對(duì)四路正交的I/Q信號(hào)做乒乓緩存，分別進(jìn)行距離向一維FFT 處理，再進(jìn)行CAPON 譜估計(jì)，形成距離角度二維熱力圖。從熱力圖上進(jìn)行目標(biāo)特征提取和模式識(shí)別，決策出相應(yīng)區(qū)域有無(wú)目標(biāo)。信號(hào)處理流程如圖2 所示。

圖2 信號(hào)處理流程

2.1 測(cè)距原理

測(cè)量與目標(biāo)的距離是雷達(dá)的基本任務(wù)之一。如圖3 所示，發(fā)射的快速掃描線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)FMCW 電磁波在空氣中向前方傳播，經(jīng)障礙物反射，往返一次所需時(shí)間延遲τ。在這段時(shí)間內(nèi)，發(fā)射機(jī)頻率較之回波頻率有了變化，因此在混頻器輸出端產(chǎn)生了頻差f，該中頻信號(hào)的頻率由頻率調(diào)制規(guī)律和回波延遲共同決定。通過(guò)頻差f可求取延遲時(shí)間τ，進(jìn)而得知目標(biāo)距離[8-10]。

圖3 頻差法測(cè)距示意圖

2.2 測(cè)角原理

由于電磁波沿直線傳播，目標(biāo)散射或反射電磁波波前到達(dá)的方向，即為目標(biāo)所在方向。一般采用相位法測(cè)量目標(biāo)角度，即利用多個(gè)天線接收回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角。如圖4 所示，設(shè)在θ方向有一遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)，則到達(dá)接收點(diǎn)的目標(biāo)所反射的電磁波近似為平面波。設(shè)兩天線間距為d，故它們所接收的信號(hào)存在波程差ΔR，波程差導(dǎo)致相位差φ。通過(guò)求取該相位差而得到目標(biāo)回波方向θ。

圖4 相位法測(cè)角示意圖

通過(guò)上述方法可獲得距離和方位信息，通過(guò)軟件設(shè)置有效的距離范圍、角度范圍，從而限定檢測(cè)區(qū)域的邊界，滿足不同車型成員區(qū)域的完整覆蓋[11-13]。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

毫米波雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4 所列。

表4 毫米波雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)

2.4 功能測(cè)試

該系統(tǒng)除能精確檢測(cè)出活體目標(biāo)外，更進(jìn)一步可實(shí)時(shí)測(cè)得特定成員的生命體征狀態(tài)信息，可用于駕駛員疲勞駕駛判斷等[14-15]。圖5 所示為上位機(jī)顯示的車內(nèi)成員的心跳與呼吸信息。

圖5 上位機(jī)顯示界面

3 結(jié) 語(yǔ)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，毫米波雷達(dá)將會(huì)成為感知系統(tǒng)的重要組成部分，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的傳感器很難感知到生理信號(hào)，而且從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，攝像頭鏡頭必須裸露在外而且很難避免被遮擋，而毫米波雷達(dá)可以安裝在塑料遮蔽物的后面且對(duì)于遮擋并不敏感，因此對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)更友好。車內(nèi)生理信號(hào)識(shí)別將是未來(lái)毫米波雷達(dá)的一塊增量市場(chǎng)，雖然現(xiàn)在具體頻段還沒(méi)有規(guī)定，但是諸多半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)在積極準(zhǔn)備。當(dāng)毫米波雷達(dá)在車載生理信號(hào)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中得到驗(yàn)證后，將有機(jī)會(huì)推廣到醫(yī)院和家庭健康護(hù)理領(lǐng)域，這些應(yīng)用值得期待。

綜合考慮現(xiàn)階段該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展情況，我國(guó)在這一領(lǐng)域仍處于起步階段，基于毫米波雷達(dá)的車內(nèi)成員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)靈敏感知輕微呼吸的胸部運(yùn)動(dòng)幅度，探測(cè)兒童是否存在，并強(qiáng)制采取必要的動(dòng)作（如開(kāi)啟車窗）或發(fā)出警告信息（如向車主發(fā)出短信），避免遺忘在車內(nèi)的兒童由于窒息導(dǎo)致死亡。這套系統(tǒng)方案中提到的車內(nèi)成員探測(cè)毫米波雷達(dá)，利用FMCW、MIMO 等技術(shù)，以及高達(dá)5G 的可用帶寬，不受光線、溫度、灰塵等影響，解決了車內(nèi)多路徑導(dǎo)致的虛標(biāo)問(wèn)題，并對(duì)車內(nèi)靜止物進(jìn)行了有效分類，排除了雜波干擾，對(duì)活體目標(biāo)具有極高的探測(cè)精度，為解決車內(nèi)人員探測(cè)難題提供了智能化解決方案。