汽車開門防撞預警技術研究進展*

孫會明，秦永法，張 純

(揚州大學 機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著汽車工業的不斷發展和城鄉居民生活水平的迅速提高，作為代步工具的小汽車在人們生活中越來越普及，據2016年國家統計局年度披露，交通事故所造成的直接財產損失高達12億多,且現在的交通事故發生類型也由傳統的汽車碰撞衍生到人、車、路的耦合事故。近幾年一種俗稱“開門死”的事故不斷涌入人們的視線，此類事故實際上是駐車時由于開門不當致使駐車車輛側后方的非機動車、行人撞上車門，造成人員傷亡及車輛的損壞。20世紀70年代在新西蘭僅有1%的此類交通事故被媒體報道，針對此現象Atkinson和Hurst在文獻中給出了一種解釋“可能是因為當時公眾對此類事故的重視程度還不夠[1]”；據英國STATS19數據顯示，在1991年～2008年的交通事故數據統計中，涉及自行車與機動車碰撞的案例共23 104起，其中因開門碰撞發生的事故有5 000起[2]；澳大利亞維多利亞州的墨爾本城市警察局提供的交通事故數據顯示，從2000年至2011年共發生14 888起自行車碰撞車事件，其中涉及開門碰撞的為1 247起，而醫院根據接收事故傷員的統計，在12 844起自行車碰撞車禍中，開門事故占據了401起，這些開門事故共造成342人重傷，其中尤為引人注目的是在2008年～2009年這一年中，開門事故急劇增加，并在后幾年一直維持在高位震蕩[3]；在加拿大的多倫多，車門碰撞事故是三種最常見的自行車事故之一，約占自行車事故的11.9%[4-6]；美國波斯頓警察局接收到的有關自行車事故的報案記錄中，開門碰撞事故占據了16%[7]；在瑞典的一項調查中，非機動與車門的碰撞事故占據非機動車總事故量的4.3%[8-9]；在英國的一些志愿者調查中同樣可以發現一個很嚴重的問題，非機動車駕乘人員為了避免與車門發生碰撞，有時會選擇逆向行駛[10]；在我國，人民網發布的南京2015年國慶期間的交通事故數據中，因開門發生的各類交通事故高達98起，其中僅10月9日一天就發生了17起。

大量的數據表明，“開門死”的事故已經不容忽視。在雨、雪、霧等道路交通情況惡化的極端天氣下，或是道路照明條件不佳的夜晚，視線的局限使得開門事故發生的可能性進一步上升。而遺憾的是目前市場少有預警側后方來車的主動安全技術。人們對于代步工具不僅要求舒適更要求安全，至于安全不僅要考慮自身安全同時也要考慮他人的安全，考慮行駛安全、駐車安全的同時更不能忽視開門的安全。因此將傳統的開門防撞由思想防范轉變為技術防范，進行移動障礙物的辨識，從而能夠使駕乘人員盡可能地察覺到危險，并通過危險預測提前發出預警信號，以引起注意，從根本上減少因此類事故造成的人員傷亡和財產損失。

1 開門防撞預警技術的研究現狀

1.1 國外研究現狀

汽車開門防撞安全預警技術源于車載倒車雷達系統和變道輔助系統。有關汽車開門事故最初由Dennerlein和Meeker在2002年提出，并將這類事故定義為“Doored”，即停在街道一側的汽車或卡車的門從車內被打開，車門侵入一個臨近非機動車道路造成的碰撞。三年后這一現象也同樣引起了倫敦交通局(Transport for London，TFL)的注意，但是這種交通事故類型并未引起廣泛的關注。

發生開門碰撞事故時，騎車人可能遭遇兩種類型傷害：摔倒或是摔倒后的二次傷害[11-13]。非機動車與汽車開門發生碰撞示意圖如圖1所示。

圖1 非機動車與汽車開門發生碰撞示意圖

圖2 汽車開門事故模型

圖2中，A為路邊停放的汽車，B為道路使用者，n為事故數量。其中581事故模型的發生概率較大，占189例，582事故模型占36例。研究還透露車輛前部車門的事故概率遠大于后門，其中左前門尤為嚴重。具體事故案例分布見圖3。

圖3 開門事故的車門位置分布

近幾年開門事故愈發常見，自2010年起，伴隨著聲波、現代信號處理及電子技術等不斷發展，采用信號采集結合數據處理的系統結構來降低開門事故發生率成為了汽車主動安全技術的研究熱點問題，國際上不少汽車公司相繼關注并解決了開門防撞系統的技術難題。

目前已在市場銷售的奧迪高配車型如奧迪A42017款、奧迪Q7等具備有下車警示功能，當車輛停住后，系統將檢測從奧迪車后面接近的其他車輛和行人等，如果存在風險，則在打開車門前就予以提醒，即當車門打開時，門上燈帶以及后視鏡上的側向輔助警示性燈會點亮以提醒乘客(如圖4所示)，這項技術主要是基于盲點監測系統。

圖5是德國凱毅德公司開發的一種創新車門，可實現開門過程中的車門制動。這是一款基于傳感器的安全保護系統，是基于視頻技術并結合電磁技術的門鎖系統，設計的目的是減少車門金屬的額外損傷以及開門時撞擊附近物體造成的高額保險索賠。通過在后視鏡的下端增加兩個攝像頭來監測車門附近的障礙物，系統接收到障礙物的信息后作出指令，是否實行車門制動。該系統可以實現開門過程中車門制動，進一步提高了開門過程中的安全性。

圖4奧迪下車警示功能圖5凱毅德i-protect門鎖系統

澳大利亞墨爾本的一家名叫“Dooring Alert System”的公司，同樣研發了這樣一款用于開門防撞預警的裝置，第一代雛形DAS-Alpha系統的啟用是通過釋放任何安全帶來實現的，采用燈光報警來提醒車內外人員，其中車外提醒的閃光燈位于后風窗兩側中部。第二代產品DAS-Lambda現處于研發當中，主要技術是通過在后視鏡內集成攝像頭來探測后方的運動障礙物，這點與凱毅德公司的技術相類似。

美國德爾福曾經研制出一款被稱作是Safe Exit System的開門預警系統原理樣機，在樣機中將兩側車門全打開后所能覆蓋到的車輛后方兩側區域定義為預警區域，通過檢測后方有無障礙物的存在來觸發報警。2014年德爾福推出了雷達視頻集成系統RAcam和后部及側邊碰撞預警系統RSDS，其中集成了Safe Exit的功能。

1.2 國內研究現狀

國內如南京林業大學、上海交通大學、電子科技大學、重慶交通大學、安徽工程大學、北京信息科技大學等高?？蒲袡C構也相繼開展了汽車開門防撞預警的信號處理和控制原理研究工作，但目前國內尚未出現市場推廣的產品，均處于簡單工況下的實驗規律性描述和防碰撞算法的探索階段。

根據目前各高校研究中所采用的傳感器類型，可將開門防撞預警技術的設計方案分為以下幾類：

(1) 基于視頻技術：視頻技術主要利用攝像頭采集到的圖像進行計算機圖像處理分析，涉及信號處理與融合等多方面的技術。攝像頭能實時地對車輛周圍的環境進行拍攝，然后將所獲取的圖像數據傳遞給車載的ECU，ECU根據預先設定的算法分析得出周圍運動目標的運動狀態，在此基礎上計算出目標到達車門所需的最短時間，從而與預設的開門預警閥值進行比較判斷來輸出預警信號及執行相關的控制操作。視頻技術是國內最早開展汽車開門安全所采用的技術，重慶理工大學王明亮采用后視攝像頭，并應用光流法來監測運動物體，但對運動目標的狀態信息獲取不足；上海交通大學的王旱霖[15]提出的用于運動障礙物運動方向的掃描線建立時空信息圖，利用時空信息圖中邊緣線的斜率來判定運動障礙物的速度的大小，從而作出決策，局限在于是對實際情況的簡化，該方法可實現背景相對于觀測點靜止的環境中表現良好，有待于進一步改進。

(2) 基于超聲波傳感器技術：由單個超聲波傳感器或者集成其他測量傳感器形成的多傳感器融合系統通過對目標運動狀態的測量，依據其速度和距離進行判斷，并發出報警。這種方式測量精度較高、成本低，但由于超聲波傳感器和激光傳感器[16]都是單方向直線式探測，其中超聲波檢測的目標必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°以內，且探測距離過近，難以滿足設計所需要的遠距離預警及響應速度，極大地削減了預警的時間，且無法安全有效地覆蓋所需監測的區域，難以在實際中運用。雖然利用超聲波陣列可解決測量范圍不足的問題，但是仍會存在部分盲區[17]。

(3) 基于微波雷達技術：基于微波雷達技術是通過采用毫米波雷達傳感器來實現對車輛后方預警區域內物體的持續監測。該技術可靠性強、精確度高、魯棒性好，也是到目前為止最成熟的技術，雖然該技術成本相對較高，但筆者認為后期可通過技術將此功能融入汽車的盲點監測系統中來降低成本，這樣既可以極大地減小對車輛自身結構的改裝，又能節約應用的成本[18-20]。

2 信號處理技術在開門防撞預警系統中的應用

用軟件進行雷達信號處理系統的設計、建模及仿真，可極大地提高設計效率和雷達信號處理系統的性能。雷達信號處理系統的電路設計大都采用數字信號處理芯片(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)或復雜可編程邏輯器件(CPLD)等，這些器件的集成度高，包含大量的運算單元或邏輯單元，使雷達信號處理的設計更加靈活。信號處理技術包含如下：

(1) 傅立葉變換：由于信號成分的頻率由目標與雷達之間的相對距離、相對速度等信號成分的幅值混成，與發射頻率疊加之后就是雷達的回波信號，對接收到的模擬信號進行濾波放大，再經AD采樣得到可供DSP直接處理的數字信號，然后對該數字信號進行頻譜分析，從而獲得目標與雷達的相對距離、相對速度、相對角度等目標狀態參量，因此要通過傅立葉變換算法將一系列具有相同掃描時間間隔的信號值轉換為具有相同頻率間隔的頻譜功率密度值。

(2) 探測：由于雷達發射特定調制頻率的信號(如毫米波雷達典型的24 GHz、77 GHz)，不同目標以及同一目標處于不同位置對雷達信號的反射強度都不一樣，為了減小雷達的虛警，在所有的回波信號中應該區分出是否為干擾信號或是噪聲信號，并設置相應的恒虛警檢測門限。

(3) 目標識別：依據FMCW體制雷達的測量原理，可以根據信號掃頻的差值來得出目標的相對速度、相對距離以及相對角度。

(4) 跟蹤：目標的跟蹤是將當前堆棧中所儲存的目標狀態信息與上一時刻所儲存的狀態信息進行分析比較，通過使用貝葉斯公式和卡爾曼濾波理論來推測目標未來位置。

(5) 報警：報警是數字信號處理器將目標的狀態量進行安全距離或安全時間的計算與設定的預警門限進行比較，從而獲知目標是否為危險運動目標。

3 結束語

在汽車安全技術研究中，目前涉及防止行人與車輛開門發生碰撞的車門防撞預警系統在國內外還不是很完善，這是由多種原因造成的，如成本、有效預警時間等，但其蘊藏的市場應用價值不可估量。

目前已經或是尚處于研究階段的技術方案在數學模型和碰撞算法的建立尚不完善，僅僅停留在有無障礙物的檢測，未能做到動態地進行碰撞危險的預警。

開門防撞關鍵技術還有待于深入研究和理解的問題有：

(1) 從節約成本和集成化的角度考慮，如何在不對現有車輛進行大幅度改裝的情況下，在不干擾現有車載電子系統的穩定工作的前提下，通過對控制策略的改變來直接實現開門防撞預警功能。

(2) 如何準確地獲取運動目標的動態參數，對目標進行準確的定位。

(3) 車后環境復雜，存在多種靜止和運動的障礙物，同時移動的障礙物也不一定會對本車的開門產生碰撞威脅，所以如何界定所探測到的運動目標是否會在開門過程中與車門發生碰撞值得深入探討。