基于多普勒雷達的車輛開門預警系統

王陸林， 劉貴如

(1.奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術研究院，安徽蕪湖　241006；2.安徽工程大學計算機與信息學院，安徽蕪湖　241000)

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基于多普勒雷達的車輛開門預警系統

王陸林1， 劉貴如2

(1.奇瑞汽車股份有限公司前瞻技術研究院，安徽蕪湖241006；2.安徽工程大學計算機與信息學院，安徽蕪湖241000)

摘要：為解決駕乘人員開車門導致的車門和后方接近目標發生碰撞的問題，設計一種基于多普勒雷達的車輛開門預警系統。系統通過多普勒雷達對移動目標進行探測。采用雷達中頻信號處理模塊對前端返回的中頻信號進行處理，并通過恒虛警檢測算法根據噪聲強度實時調整識別門限，保持恒定的目標探測概率。通過在奇瑞G6車上進行的標定和實際場景測試，該系統對機動車與非機動車的預警率均大于97.00%，表明系統能夠實時檢測進入車輛后方報警區域的動態目標并進行有效預警。

關鍵詞：車輛；開門預警系統；多普勒雷達；目標探測

車輛駕乘人員開車門時，車門和后方接近的機動車與非機動車發生碰撞，對駕駛員尤其是對非機動車駕駛員造成嚴重傷害，甚至死亡。開門預警系統是為了避免該類事故發生而開發的一項主動安全技術，該系統在駕乘人員下車前，觸動聲光警示電路進行聲、光的提醒，提醒其注意回頭觀測后方車況,同時也提醒車外行人、車輛注意停車開門車輛，從而避免交通事故的發生。

目前車輛開門預警技術主要采用兩種方式實現，一種是通過視覺實現車輛后方區域目標的探測，這種方式探測距離有限、精度差，容易受各種環境因素影響，目前采用的比較少；另一種是采用調頻雷達技術，探測距離遠、精度高，不受外界環境因素的影響，但是控制系統設計復雜、成本高。

本文設計一種基于多普勒雷達[1]的車輛開門預警系統，通過多普勒雷達對后方區域接近目標進行探測，實現開門預警功能。

1系統總體設計

圖1　系統結構

系統包括控制單元、發動機點火開關、車速傳感器、車門門鎖狀態開關、車門開關信號、多普勒雷達探測模塊、車內提醒裝置和車外提醒裝置等。

各個開關的狀態信號由控制單元通過CAN總線從車身控制器BCM獲取，并通過CAN總線和儀表控制單元與車載電腦通信，分別控制蜂鳴器和語音報警裝置進行報警提醒，以及通過BCM控制轉向燈對后方接近車輛進行提醒。系統的構架如圖1所示。

圖2　系統整車布置

系統利用多普勒雷達具有的多普勒效應對運動目標進行探測。針對車輛一般靠最右側車道以及車道最右側停車的場景需求，可以選擇單雷達方案，系統控制器安裝在車尾左后保險杠內側，與車輛后軸平行，垂直仰角為2°～2.5°；系統LED提醒裝置安裝在車內左側前后門把手位置。系統整車布置如圖2所示。

當車輛減速停車，且車門鎖處于允許開啟狀態時，系統報警功能開啟。當車門未打開時，如果有運動目標接近并進入車輛后方報警區域，系統首先通過LED報警燈進行一級視覺報警，同時進行語音提醒；如果此時駕乘人員欲開啟車門準備下車，當撥動門把手觸發車門開關信號的瞬間，系統檢測到車門打開狀態，系統通過蜂鳴器進行二級聲音報警或語音提醒，提醒駕乘人員此時開門可能有危險，要注意觀測車輛后方車況，分段打開車門，在確保安全的情況下開門下車，從而避免碰撞事故的發生。

2系統硬件設計

2.1多普勒雷達前端設計

圖3　多普勒雷達前端結構

根據雷達方程和系統探測距離，設計一種高靈敏度、低成本的多普勒雷達前端[2]，結構如圖3所示，設計采用微帶無源結構，方案簡單，成本低。

圖3中5 V供電壓控振蕩器產生24 GHz的微波振蕩信號，由功分器分為兩路：一路經濾波器濾波后經平面微帶發射天線發射出去，另一路提供給接收通道作為混頻器本振源；接收天線接收回波信號經過低噪放處理后，再經過功分器一分為二提供給兩個混頻器，混頻器將回波信號與兩路本振信號進行混頻后輸出兩路相位相差90°的中頻信號[3]。

2.2系統后端硬件設計

針對本系統需求設計一種后端硬件方案，結構如圖4所示。主要包括電源系統、點火開關信號采集電路、CAN通信電路、多普勒雷達信號采集處理電路、多普勒毫米波雷達前端、視覺和聲音報警輸出控制電路以及信號處理器最小系統電路。

眼睛也是如此，在長期的移動生活中，人類的眼睛也適應了變化的景觀和景物(這種適應可能還與一定的速度有關)，對持續不變的景物也是不適應的。這正如同眼睛不適應過強的光線、過暗的光線一樣。當然對于這種不適應，我們現代人發達的大腦把它美其名曰“審美疲勞”。

圖4　系統硬件結構

中頻處理電路主要針對連續毫米波雷達單個中頻回波信號采用帶通濾波器進行濾波放大處理，然后采用DSP內置的ADC轉換實現模數轉換，并通過模數轉換模塊的DMA傳輸通道在不占用CPU運行周期的情況下將數字信號存儲到DSP內置的SRAM存儲器中供算法處理。本方案成本低，且降低了系統設計的復雜度，系統可靠性更高。

模數轉換采樣率需按照中頻回波信號最高頻率計算，并根據采樣定理，按照5～10倍進行采樣，模數轉換模塊采樣率大于26 kHz；通信接口如果選擇并行接口則通信速度需大于26 kb/s，如果選擇串行通信接口則通信速度需大于416 kb/s；ADC轉換位數一般選擇12位即可，參考電壓采用內置參考電壓或者外置高精度的參考電壓。

內置SRAM的大小與模數轉換通道個數、采樣點數以及最高與最低頻率倍數有關。系統采用2個模數轉換采集通道，采樣點數為1 024個，最低頻率為200 Hz，最高與最低頻率倍數為14，故SRAM最小存儲空間為 56 kB?？紤]中間變量和程序運行空間，選擇內置64 kB的SRAM。

3系統軟件設計

3.1動態目標檢測算法

在運動目標的檢測過程中，為了獲得較高的目標檢測[4]概率，需要根據實時變化的背景噪聲強度動態調整功率識別門限[5]，常采用恒虛警檢測方法[6-7]，通過有限個參考單元估計雜波干擾的平均功率。單元平均恒虛警(CA-CFAR)[8]在均勻雜波環境下有較好的檢測性能，但是在雜波邊緣和有干擾目標的情況下，檢測性能明顯下降，而兩側單元平均選小和選大的檢測方法[9-11]雖然在雜波邊緣檢測有很高的檢測性能，但是在有目標干擾的情況下，檢測性能比CA-CFAR更差。基于排序的CFAR檢測器[12]先進行排序，然后選擇兩側最大或者最小值，與兩側單元平均選小和選大的方法相比，可以提高有目標干擾情況下的檢測性能，但是沒有充分利用CA-CFAR的優點[13-14]。

圖5　改進的恒虛警算法

實測應用場景為雷達處于靜止狀態，地平面相對于雷達靜止，不產生多普勒效應，背景噪聲分布比較均勻[15]，綜合以上檢測方法的優點，提出一種改進的CFAR檢測算法如圖5所示。先對n個檢測單元各自排序，然后選擇最大、最小值取均值得到雜波平均功率T，再結合門限因子β，得到檢測門限功率G，各個檢測單元功率xm與門限功率G進行比較，當xm≥G時認為有目標，否則認為無目標，該算法在噪聲、多目標干擾和雜波邊緣干擾的場景下，均有很好的檢測性能和魯棒性[16]。

圖6　系統控制流程圖

3.2系統控制算法

系統通過線束與整車進行信息交互，結合實際應用場景和用戶需求，系統控制算法流程如圖6所示。

如果此時有車速大于5 km/h的目標進入后方報警區域，系統首先通過車內門把手位置的LED燈對駕乘人員進行提醒，同時打開轉向燈對后方接近車輛進行提醒。

如果駕乘人員撥動了門把手準備打開車門時，系統通過蜂鳴器報警進行提醒或者預警提醒，提醒駕乘人員要注意回頭觀測后方的車況，分段打開車門，在確保安全的情況下開門下車。

如果車輛處于熄火狀態，且車門門鎖處于關閉狀態時，系統切斷自身電源，系統關閉。

4試驗與分析

圖7　定義系統探測區域

系統首先針對典型運動目標的雷達探測區域進行標定和測試，在測試和標定數據的基礎上結合實際應用場景，標定和定義系統報警區域。雷達安裝在后保險杠左側，以雷達的位置為基點，對于自行車，橫向向外和向內各1.5 m，縱向向后10 m的區域為報警區域；對于摩托車，橫向向外和向內各1.5 m，縱向向后13 m的區域為報警區域；對于機動車，橫向向外和向內各2 m，縱向向后17 m的區域為報警區域。系統最小報警區域如圖7所示。

系統在奇瑞G6車上進行標定和驗證，針對各個典型目標，在標定的報警區域內設定若干測試點，測試場景見圖8～10，虛線框內顯示目標進入路邊?？康能囕v后方報警區域，此時報警裝置LED點亮報警，轉向燈閃爍；當駕乘人員撥動門把手時，報警裝置蜂鳴器報警。

圖8　接近目標為自行車的測試場景　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9　接近目標為摩托車的測試場景

各個典型目標在各測試點的平均預警率見表1。由表1可知，自行車、摩托車、轎車的平均預警率均大于97.00%，測試結果滿足系統指標需求。

圖10　接近目標為轎車的測試場景

表1系統預警率測試結果

典型目標測試點距控制器的縱向距離/m試驗次數/次預警次數/次平均預警率/%自行車4,741740597.12摩托車4,8,1362260797.58轎車4,8,12,1781979897.43

5結論

1)設計一種基于多普勒雷達的車輛開門預警系統，系統通過LED、儀表內置的蜂鳴器和車載多媒體終端進行語音提醒等多種提醒方式相結合，完全能夠滿足車輛開門預警實際場景和用戶需求，對輔助駕乘人員安全開門，降低開門風險有極大幫助。

2)該系統在奇瑞G6車上進行了實際場景測試，系統運行穩定可靠，報警區域平均預警率大于97.00%，能夠有效減少因駕乘人員開門可能導致的碰撞事故的發生。

3)目前系統只針對常規測試場景進行了測試，后續研究需要在特殊或者極端場景下進行測試，如實際應用場景存在電磁干擾、不同雷達間的同頻干擾等環境下的測試，對系統進行改進。

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(責任編輯：楊秀紅)

Design and Implementation of a Vehicle Door Open Warning System

WANGLulin1，LIUGuiru2

(1.AcademyofScienceandAdvancedTechnology，CheryAutomobileCo.，Ltd.，Wuhu241000，China；

2.SchoolofComputerandInformationScience，AnhuiPolytechnicUniversity，Wuhu241000，China)

Abstract:To prevent collision of a car door suddenly opened and an onboard person and a target approaching from the backside,a vehicle door opening early-warning system is designed based on Doppler radar. The system detects moving targets by Doppler radar. IF signal processing module is used to process the signals from the front-end, and constant false alarm detection algorithm is used to set the threshold, to keep constant target detection. Calibration and site tests were carried out on a Chery G6 car. The system has an early warning rate of greater than 97.00%for motor vehicles and non-motor vehicles, and is effective to issue early warning for moving targets entering into the detection range behind the car.

Key words:vehicle;door open warning system；Doppler radar；target detection

文章編號：1672-0032(2015)04-0008-05

中圖分類號：U491.6

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.003

作者簡介：王陸林(1979—)，男，山西保德人，工程師，主要研究方向為車輛主動安全、智能車輛控制和汽車電控技術.

基金項目：國家自然科學 (91120307)；安徽省自然科學 (1408085MF124)

收稿日期：2015-11-20