基于車車通信的毫米波雷達主動避障技術

高原，李建軍，王碧瑤

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基于車車通信的毫米波雷達主動避障技術

高原，李建軍，王碧瑤

（長安大學，陜西 西安 710064）

毫米波雷達是汽車主動安全技術的重要感知器，其工作穩定，不易受天氣影響，可探測距離長，但會受金屬物體遮擋，所以實現大范圍障礙物探測很難實現。現在智能網聯汽車已經逐步推向市場，在車車通信的基礎上實現毫米波雷達的大范圍探測成為可能，文章將主要介紹基于車車通信的毫米波雷達主動避障技術。

毫米波雷達；車車通信；主動避障

前言

最近幾年來，汽車的智能化道路發展越來越快，已經成為了當今汽車發展的主要趨勢，汽車主動安全領域更是如此，車輛主動防撞系統已經成為了熱點領域[1]。毫米波雷達之所以能在主動防撞系統中成為不可或缺的部件，其原因是因為它具有探測距離遠，分辨率高，體積小巧便于安裝，不易受天氣影響等優點。但是由于毫米波無法穿透金屬物體，極容易被遮擋，這會減小車輛在真實道路上的探測距離，影響其主動防撞系統的性能。為了能提高其探測距離，實現大范圍探測[2]，本文提出一種基于車車通信的毫米波雷達主動避障技術。

1 毫米波雷達簡介

毫米波雷達基本工作原理為車載雷達與目標之間由于存在相對運動，毫米波雷達正是根據這個相對運動計算反射波與發射波之間產生的多普勒頻移來測量本車與所測物體之間相對距離、相對速度以及方位角。毫米波雷達對外通過天線發射調制連續波信號，發射信號（以發射信號為三角波為例）遇到目標后，經過目標的反射會產生回波信號，信號接收器接收到由車輛前方目標反射回來的信號，發射信號與回波信號在時間上存在差值，發射信號與接收信號將同時接受雷達內部的放大器的處理，隨后經過混頻處理，就可以得到頻率差，這個頻率差就是多普勒頻移。最后數據處理單元根據相應的計算公式即可計算出目標與毫米波雷達之間的相對距離、相對速度以及方位角信息[3]。相應的計算公式如下：

—相對距離；—相對速度；—方位角；f—調制鋸齒波的負向差頻信號；f—調制鋸齒波的正向差頻信號；—光速；△—鋸齒波調制帶寬；0—發射波中心頻率；—電磁波波長；△—相位差。

毫米波雷達的優缺點：首先是表現在探測距離上，正常都可超過100m，并且可以獲得相對距離、相對速度以及方位角，受天氣等外界環境影響小。不過毫米波雷達相對于攝像頭傳感器來說，成本會有很大增加。目前在汽車防撞方面的實際應用上，毫米波雷達由于其大的測距范圍得到了汽車生產企業的認可[4]。下圖是毫米波雷達相對于其他類型雷達的特點比較。

表1 不同類型雷達的特點比較

2 基于車車通信的距離計算算法

目前的毫米波雷達因為自身工作原理的原因，無法對車輛前面的車輛進行探測，往往導致只能將前方的單一車輛狀態作為汽車避障算法中的輸入量，這雖然可以減少計算量但是因為輸入條件不夠全面，在前方車輛發生大規模追尾或者其他交通事故時，會造成多車相撞的危險情況，或者即使本車安裝有毫米波雷達傳感器，在探測到前方發生事故時突然停下來，后車也有可能追尾本車的情況。

這就需要綜合一定范圍內所有車輛超聲波雷達探測出的行車環境進行信息整合，然后再將這些綜合信息進行避障計算，才能更好地實現汽車主動避障停車或躲避。而多個車輛之間毫米波雷達的信息共享就需要多車通信才可以實現，每一個車輛都需要有信息接收和信息發送兩個模塊，信息發送模塊將本車的接收模塊接收其它車輛發送來的環境信息，傳遞給中央處理器供其計算，計算結果交由執行機構執行相應的動作。其中執行機構包括控制剎車踏板的電機和提醒駕駛員注意的蜂鳴器，以及控制節氣門開度的電機和控制方向盤轉角的電機[5]。

其中發射模塊除了需要發送出毫米波雷達探測到的障礙物的距離速度和方位角外，還需要將車輛當前的航向角以及毫米波雷達在本車上安裝的位置發送給其他車輛。在接收到其它車輛發送來的信息后，需要進行較普通單車算法復雜的避障算法，在本車建立的坐標系中將所有收到的車輛信息進行表示出來，當出現下圖所示的情況時，0車為本車，1車為正前方車輛，2車為被1車阻擋的車輛，本車可直接探測1車的運動狀態，1車將其探測到的2車的運動狀態發給本車，本車綜合計算2車運動狀態的算法如下：

圖2 探測前車原理圖

其中1為0車探測到的與1車之間的距離，2為1車探測到的與2車之間的距離，0-2為0車計算出的與2車之間的距離，1為1車前端毫米波雷達與尾部的距離，為1車探測到的與2車之間的方位角，x-y為Y車相對于X車的速度，x-y為Y車相對于X車的方位角。

這樣就可以通過車輛之間的通信就可以把原本不在毫米波探測范圍內的車輛的具體位置，速度及其方位角計算出來，之后在進行碰撞計算，可以計算在一定閾值內的危險車輛，如其它車輛有碰撞的可能，則會觸發報警裝置以提醒駕駛員，嚴重時會直接進行緊急制動或調整行車方向躲避[6]。同理車輛也可以收集后車探測的信息。

3 基于車車通信的避障算法

根據基于車車通信的毫米波雷達探測方案獲取了多車相對距離相對速度以及相位角，需要根據這些數據建立汽車防撞模型，進行計算有無碰撞可能，若其中兩輛汽車之間存在碰撞可能性，則會提醒駕駛員。

汽車防撞模型：

汽車防撞算法主要是根據兩車間相對速度計算安全制動距離，而且計算安全制動距離時需要引入速度影響系數u，不同速度等級的速度影響因數應不同，從而提高防撞算法的準確性，減少虛報概率[7]。

如果毫米波雷達系統計算出的車輛安全制動距離小于當前距離時，就有發生事故的可能性，這時需要通過蜂鳴器提醒駕駛員注意危險；如果所測得距離繼續減小，直至車輛安全制動距離臨界值小于當前距離時，自動剎車裝置就會動作減速，直到兩車的相對速度V等于0為止[8]。表示兩車停車后保證不相撞的最小安全車距，S表示本車的制動距離，S示前車的制動距離，則在本車減速前兩車的最小安全車距可以表示為：

圖3 最小安全車距D示意圖

1為駕駛員反應時間，2為制動器克服制動間隙時間，2為制動器制動力增長時間，v為本車速度，v為前車速度，a為本車的制動減速度，a為前車的制動減速度。

表2 速度影響系數u

不同速度等級的速度影響因數應不同[9]，引入速度影響系數u計算安全制動距離，u的取值根據經驗公式確定，如表2所示。

臨界安全車距為D，計算公式如上，當實際距離小于D，處理系統則判定兩車之間存在碰撞可能，需要警報或制動機構動作[10]。

4 結論

采用車車通信的毫米波雷達方案可以很好地對該車附近的車輛進行實時探測，且可以探測到原來探測不到的車輛，使車輛具有很好的預見性，在防止事故發生方面具有比較大的作用，在交通安全領域具有很大的價值。

[1] 吳永存.汽車主動防撞毫米波雷達信號處理技術研究[D].西南科技大學,2016.

[2] 戴作寧.毫米波雷達高速運動目標精確測速研究[D].南京大學, 2016.

[3] 柯振宇.基于毫米波雷達的車輛縱向碰撞預警系統設計[D].武漢理工大學,2014.

[4] 韓星.基于毫米波雷達的汽車主動防撞預警目標識別[D].吉林大學,2013.

[5] 鄭銳.毫米波汽車防撞雷達的設計與實現[D].江蘇大學,2010.

[6] 于敬泉.汽車防撞雷達信號處理研究[D].江蘇大學,2006.

[7] 蔣飛.汽車主動避撞雷達系統的研究[D].武漢理工大學,2006.

[8] 徐濤.毫米波汽車防撞雷達實用化研究[D].中國科學院研究生院(上海微系統與信息技術研究所),2003.

[9] Signal detection in Gaussian noise of unknown level: An invariance application. L. Scharf, D. Lytle. IEEE Transactions on Information Theory. 1971.

[10] High performance automotive radar for automatic AICC. Eriksson, Lars H.,As,Bengt-Olof.IEEETransactions on Aerospace and Electr -onic Systems. 1995.

Active obstacle avoidance technology of millimeter wave radar based onvehicle and vehicle communication

Gao Yuan, Li Jianjun, Wang Biyao

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Millimeter wave radar is an important sensor of automobile active safety technology. Its work is stable, it is not easy to be affected by the weather. It can detect long distance, but it will be blocked by metal objects. Therefore, it is difficult to realize large-scale obstacle detection. Nowadays, intelligent networked vehicles have gradually been introduced to the market. It is possible to realize large-scale detection of millimeter-wave radar based on vehicle-to-vehicle communi -cation. This paper will mainly introduce the active obstacle avoidance technology of millimeter-wave radar based on vehicle-to-vehicle communication.

millimeter wave radar; vehicle and vehicle communication; active obstacle avoidance

U471.2

B

1671-7988(2019)08-55-03

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高原（1995-），就讀于長安大學車輛工程專業。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.017