膠輪壓路機施工防撞系統的分析及設計*

邱 欣， 徐文毅， 徐靜嫻， 洪皓玨， 林文巖

(1.浙江師范大學 道路與交通工程研究中心，浙江 金華 321004；2.金華市交通工程質量監督站，浙江 金華 321013)

0 引 言

膠輪壓路機是瀝青面層攤鋪施工作業中的常用裝備，存在設備質量大、行進速度快、往返操作頻繁、工作噪聲小、后側面視覺盲區大、需場地施工人員配合等作業特征，時常發生與施工作業人員的刮擦與碰撞事故，帶來無法挽回的經濟與生命代價.如何根據膠輪壓路機設備的技術特點，研發相關主動防撞系統，最大程度減小施工作業事故是道路工程界迫切關心的熱點技術問題之一.

自20世紀90年代，智能交通系統(intelligent transport system，ITS)計劃已在世界范圍內全面啟動，微波處理器及其電子元件集成水平得到了高度發展，微波雷達系統用于交通車輛的防撞預警也逐漸形成共識[1].在防撞雷達的研究熱潮中，德國、日本和美國等國家相繼研發出系列高性能防撞雷達產品，其中德國勞倫斯和奔馳公司聯合開發的車載防撞雷達系統，可以實現目標障礙物與車輛之間距離及本車相對速度的感知；日本伊頓科技公司研制的60 GHz防撞雷達較德國在功能范圍、數據精度及設備敏感度等方面有了較大突破，可有效探測速度、距離和方位角等信息，并能夠進行數據反饋，實現車輛的安全制動；美國福特公司開發的防撞微波雷達系統也較為先進，并已廣泛應用在無人駕駛車輛上.然而，上述防撞系統的研發成本一直居高不下，未能得到廣泛的推廣，目前只在極少部分的高檔汽車中得到應用[2].相對而言，國內防撞雷達系統的研究與應用起步較晚，現階段企業和科研院所主要針對防撞雷達的某一模塊進行研發，產品主要集中在以超聲波、激光和紅外檢測為控制方式的汽車防撞裝置中.李湘閩等[3]以毫米波作為發射波，通過發射固定頻率的周期三角波進行波譜調制分析，研發了毫米波雷達系統，可實現高精度感知與檢測目標障礙物的功能.江蘇賽博電子有限公司將毫米波雷達與數字信號處理器相結合，成功研制了汽車雷達防撞系統，能同時對20個探測器的信息進行處理分析，虛警率為1%，最小檢測距離為1 m[4].

事實上，膠輪壓路機的運行條件不同于一般路上的一般車輛，其所處的工地現場施工環境惡劣，噪聲干擾大，惡劣天氣帶來的影響也較為明顯.因此，對膠輪壓路機防撞預警系統的環境適應能力、測量范圍、響應時間等性能指標的要求也較高.然而，目前國內外對于壓路機綜合防撞系統的研究還遠遠不夠，還未開發出較為成熟、并能普遍推廣的施工機械防撞控制系統與裝置.膠輪壓路機防撞控制的關鍵在于能否實時準確地探測膠輪壓路機周圍的目標障礙物，能否在極短的時間內精確地測量障礙物與壓路機之間的距離和相對速度，而瓶頸問題就是系統如何抑制噪聲干擾，并加強回波信號，進而實施準確檢測，降低虛警概率.因此，研發設計效率高、體積小、成本低的膠輪壓路機綜合防撞系統是解決瀝青路面施工過程中高頻作業事故的有效技術保障.基于此，筆者在掌握膠輪壓路機施工作業特征及其工作環境的基礎之上，根據已有的毫米波雷達、三維掃描激光傳感器及對地雷達的工作原理，提出了適用于膠輪壓路機的毫米波雷達測速系統、三維掃描激光定位系統及對地雷達測速系統，構建了集毫米波雷達、三維掃描激光傳感器、對地雷達、信號處理器于一體的綜合防撞控制系統，并對各模塊的系統功能和工作原理進行深入分析.研究成果以期為膠輪壓路機綜合防撞系統平臺的研發提供理論支撐，為最大程度地減少膠輪壓路機施工碰撞事故提供技術保障.

1 綜合防撞系統的集成設計

遠距離目標探測、近距離目標識別、安全制動距離感知、聲光報警與車輛制動操作等功能的實現，是有效設計膠輪壓路機防撞集成系統的必要條件.最新研究成果表明，在車輛行駛過程中,中遠距離的判斷大多數使用毫米波雷達，車輛行進速度的測量一般采用對地雷達，而對于近距離障礙物的檢測通常采用三維掃描激光傳感器[5].因此，針對膠輪壓路機的特殊施工條件和作業區范圍，將毫米波雷達傳感器、三維掃描激光傳感器及對地雷達傳感器進行集成，結合信號處理系統(digital signal processor，DSP)信息反饋與識別算法，設計綜合防撞集成系統，實現動態預警與車輛制動，是有效幫助駕駛員最大程度保證施工安全、避免碰撞事故發生的有效方式.膠輪壓路機綜合防撞系統的集成構架如圖1所示.膠輪壓路機開始施工時，毫米波雷達、三維掃描激光傳感器和對地雷達同時開始工作，毫米波雷達實時檢測車輛后方障礙物的距離，三維掃描激光傳感器實時監測車輛兩側是否有人員闖入，對地雷達實時計算壓路機當前的行駛速度.

圖1 膠輪壓路機防撞系統的集成構架圖

雷達傳感器和激光傳感器將各自計算得出的信號傳入DSP系統進行處理，再將信號傳入防撞預警系統，進行危險等級判斷[6].當對地雷達計算出當前車輛行駛速度大于設定閾值，且毫米波雷達檢測出后方障礙物與壓路機之間的距離小于安全距離時，防撞預警系統就判定當前車輛處于危險狀態，進行聲光報警，提醒駕駛人員采取制動操作；當三維掃描激光傳感器檢測到壓路機的側方有人員闖入時，總控制系統強行制動車輛.膠輪壓路機集成防撞系統各傳感器安裝示意圖如圖2所示.

圖2 膠輪壓路機防撞系統傳感器安裝示意圖

2 毫米波雷達測距系統

2.1 測距系統的功能分析

在瀝青路面攤鋪施工過程中，嘈雜的施工環境或者機械故障等因素都會直接影響駕駛人員對施工危險的判斷，從而導致事故的發生.綜合防撞控制系統可以確保駕駛員在未及時制動的情況下，主動切斷控制電路及油路，強制進行車輛制動或轉向控制.其中，毫米波雷達系統實現的功能是實時發射雷達信號并計算施工車輛與障礙物之間的距離.當相對距離小于設定的閾值時立即進行制動，大于設定的閾值時，不進行制動，毫米波雷達繼續計算新的距離，直到施工結束.毫米波雷達由天線前端發射信號，當信號遇到障礙物目標后被目標表面反射，目標回波由天線接收并發送到混頻器.混頻器將發送的信號與回波信號進行混合，并將混合信號發送回數字處理電路[7].這些混合信號經過放大、濾波和轉換后，得到差分頻率信號.數字處理電路通過離散傅氏變換的快速算法(fast Fourier transformation，FFT)，計算車輛與目標的距離和方向，將結果送往終端.終端具有目標指示、聲光告警、人機接口和車輛接口等4項功能.人機接口主要用于設定預警條件，車輛接口一方面可以得到車輛的速度信息，另一方面還可以向駕駛員提供目標信息，其工作流程圖如圖3所示.

圖3 毫米波雷達工作流程圖

2.2 測距系統的工作原理

毫米波雷達測距是利用波長介于1～10 mm、頻率在30～300 GHz的電磁波，對障礙物表面進行反射來測定障礙物位置與相對速度[8].根據毫米波雷達探測系統的功能要求，要求雷達同時對障礙物目標的距離和方向進行測量，并進行坐標回傳.雷達系統由天線、發射器、接收器、信號處理系統及終端等部分組成，其中接收器與發射器稱為高頻組件，組成結構如圖4所示.

圖4 毫米波雷達組成結構

雷達對目標距離和速度的測量符合多普勒效應原理，某一靜止目標在某一t0時刻的瞬時反射信號如圖5所示.在混頻器中,混合發射信號與反射信號生成一個穩定的差頻信號.此頻率越高，目標的距離越遠，二者的關系如式(1)所示.

圖5 毫米波雷達多普勒效應原理圖

(1)

式(1)中：fD為差頻；R為目標的距離；T為三角波調制周期；C0為光速；Δf為信號發射器發射頻率的變化范圍.多普勒頻率的計算公式如下：

(2)

式(2)中：f0為毫米波雷達的發射頻率；C0為光速；v為車輛運動速度；α為運動的實際方向與傳感器到目標連線之間夾角的角度.同時，由于存在延遲效應，將導致目標的接收信號出現時間延遲fy，計算公式如下：

(3)

延遲效應與多普勒效應的關系如下:

fD↑+fD↓=2fy.

(4)

式(4)中：fD↑為三角波上升區域與接收信號的延遲頻率；fD↓為三角波下降區域與接收信號的延遲頻率.由上述4個公式聯立可得出距離R的計算公式，即

(5)

計算分析時，參數C0,T,Δf,f0為已知值，fD↑,fD↓可通過FFT算法獲得，最終得到距離R的值.

3 三維掃描激光定位系統

3.1 定位系統的功能分析

膠輪壓路機車身較高，駕駛人員在駕駛室內對側方有無人員闖入的判斷存在視覺盲區，容易造成施工事故.因此，需要在膠輪壓路機側方增設三維掃描激光傳感器，以自動感應有無側方人員的進入[9].若三維掃描激光傳感器檢測到有人員進入，則傳感器將信號傳遞給總控制系統，控制系統將信號傳送給報警模塊，進行聲光報警并切斷油路，實現緊急制動，避免事故發生；若無人員進入，則不進行制動，車輛繼續正常工作.

綜合防撞集成系統內的三維掃描激光定位系統主要具有形狀檢測、圖形分析、無人搬運車導航、導航實時監控、物體位置測量等功能.三維掃描激光傳感器發射連續脈沖激光，通過照射高速旋轉立體鏡，在各個方向上形成反射脈沖激光，構成穩定的掃描區域.區域掃描主要實現以下2個功能：一是設置遠近多個帶狀區域性保護區，當有人員進入保護區時對駕駛員進行聲光報警以提醒駕駛人；二是掃描器將每個測量點的距離和高度坐標值傳送到信號處理系統，實現物體輪廓呈現[10].

3.2 定位系統的工作原理

基于飛行時間法，三維掃描激光傳感器進行測距分析，并獲取被測點在傳感器坐標系下的坐標值[11].在三維激光傳感器的光學系統中有2個激光器，其發出的光能夠被耦合成光束.一束光直接進入標準光纖，另一束光通過透射光學系統進入到掃描頭內.掃描頭設置有旋轉臺，可控制激光掃描頭的旋轉方向和幅度.測量光束經過旋轉臺后，照射在目標表面并同時被反射，成為回波光束.反射的回波光束再次進入接收系統，經過放大和轉換處理后，被傳送到電路控制系統進行信號處理[12].三維掃描激光器工作技術原理如圖6所示.

4 對地雷達測速系統

4.1 測速系統的功能分析

膠輪壓路機在工作過程中要保持一定的車速以避免自身的重力對瀝青攤鋪材料的影響，而在車速較高的情況下，若駕駛人員未能及時進行車輛制動，就會使施工事故發生的概率大幅度增加[13].因此，膠輪壓路機在施工過程中需要安裝對地雷達，以將對地雷達接收到的信號傳送到信號處理系統，計算本車車速，并結合毫米波雷達系統和三維掃描激光定位系統，判斷障礙物與本車之間是否存在危險及危險程度，進而選擇相應的制動措施，從而避免碰撞事故的發生.

圖6 三維激光雷達工作技術原理圖

一般來講，膠輪壓路機制動全過程由駕駛員反應時間tf(tf∈[0，t1])、制動系統協調時間tx(tx∈[t1，t2])、快速制動時間tk(tk∈[t2，t3])和穩定制動時間tw(tw∈[t3，t4])等4個部分組成，其對應的運動形式包括勻速運動、急劇制動、制動恒定等3個階段[14].制動全過程中的車速(v)和減速度(a)的變化規律如圖7和圖8所示.膠輪壓路機制動全過程安全距離(S)同時受到v和a的影響，可分別由對應的3個階段計算獲取.

圖7 制動速度和時間關系圖 圖8 制動減速度和時間關系圖

1)勻速運動階段.勻速運動階段包括tf和tx時間段，此時壓路機沒有發生制動操作，仍以初速度v保持運動，故行駛距離S1為

S1=v(tf+tx)=vt2.

(6)

2)急劇制動階段.在急劇制動階段，減速度基本呈線性增長，由圖8可以得出，任一時刻的減速度為

(7)

tk時間段內任一時刻的速度為

(8)

制動距離Sk為

(9)

當tk=t3時，急劇制動階段的行駛距離S2為

(10)

3)制動恒定階段.在制動恒定階段，減速度為固定值，可得tw時段的初速度等于tk時段的末速度,即當tk=t3時,

(11)

穩定制動階段tw時段的末速度v2為

(12)

由于tw時間段的末速度為零，所以

(13)

可得出制動距離S3為

(14)

由式(6)～式(14)可以得出制動距離S為

(15)

值得一提的是，速度和減速度可根據安裝的對地雷達測得，各反應時間可根據制動系統及駕駛人員的特征取不同的值，由此可確定防撞系統的最小報警距離.

4.2 測速系統的工作原理

對地雷達測速過程符合多普勒效應原理，其組成主要有天線、發射機、接收機、數字信號處理系統和數據總線等，其組成框圖如圖9所示.在膠輪壓路機行進過程中，安裝在車底的對地雷達將發射電磁波，其與地面接觸后，將形成具有一定振幅和頻率的反射電磁波[15].多普勒雷達測速示意圖如圖10所示.

圖9 對地雷達組成框圖 圖10 多普勒雷達測速示意圖

多普勒頻率與車速的關系如式(2)所示，據此可以推導出壓路機速度的表達式為

(16)

5 信號處理系統

膠輪壓路機集成防撞系統優勢發揮的關鍵在于DSP的穩定性與精確性[16].在膠輪壓路機集成防撞系統中，DSP主要處理的是各傳感器接收的回波信號.然而，回波信號信息復雜，除了含有目標障礙物的反射信號外，還包括各種干擾信號[17].為了提高信號處理的精度，膠輪壓路機集成防撞系統中的DSP模塊首先對回波信號進行濾波處理，剔除不平穩的信號；然后對固定地物雜波、運動雜波及無規則噪聲進行降噪處理.實際分析中，可分別采用固定對消法和門限法削弱施工現場的地物雜波和不規則熱噪聲，同時采用累加處理法提高信噪比，從而提高施工現場噪聲抑制率，提高檢測精度.

系統集成過程中采用的處理器為嵌入式處理器，主要由供電、信息采集、報警及制動4個模塊組成.供電模塊保證處理器能正常工作，信息采集模塊負責將雷達系統探測的信息進行信號處理，并傳輸至處理器，處理器根據危險源的距離，啟動報警模塊或者制動模塊.嵌入式處理器組成結構如圖11所示.

圖11 嵌入式處理器組成結構框圖

6 結 論

本文從膠輪壓路機實際施工環境、作業特征及事故原因等因素出發，構建集毫米波雷達、三維掃描激光傳感器、對地雷達、信號處理系統于一體的綜合防撞控制系統，并對各模塊的系統功能和工作原理進行了系統分析，主要成果如下：

1)綜合分析了膠輪壓路機施工作業特點及產生碰撞事故的原因，根據膠輪壓路機設備的技術特點，提出了膠輪壓路機由遠及近的二級防撞控制策略，闡明了毫米波雷達遠距離偵測、三維掃描激光傳感器近距離感知的防撞預警條件.

2)系統地分析了毫米波雷達傳感器、三維掃描激光傳感器、對地雷達傳感器及信號處理系統的功能與工作原理，為膠輪壓路機綜合防撞集成系統的開發提供技術支撐.

3)提出了膠輪壓路機施工過程中安全制動距離的確定方法，明確了壓路機防撞雷達與激光信號處理的重點是減少干擾，準確檢測回波信號；而測速和測距的關鍵是差頻信號的計算.