基于毫米波雷達的車輛自動緊急制動安全系統研究

劉景鋒，李炎亮，沈駿，黃孝慈

（200093 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

為提高汽車行駛安全，各種主動安全技術出現，如碰撞預警、車道保持和車身穩定等，各種新型傳感器技術為主動安全提供了技術可行性。

目前，主動安全技術采用的傳感器方案有單傳感器和多傳感器數據融合等，通過傳感器探測目標并進行跟蹤。其中，毫米波雷達傳感器是基于多普勒效應，通過發出啁啾信號測量目標的距離、速度和方位角等狀態[1]。高振海[2]等人采用毫米波雷達并結合自適應卡爾曼濾波器，估計了前方車輛運動狀態，被測車輛在25 km/h 的速度下行駛，速度預測結果與實際值平均相對誤差在0.5 km/h 以內。其它研究則集中在融合視覺和雷達信號跟蹤車輛前方目標[3-5]，其先通過雷達獲取到車輛位置，再快速分割視覺圖像進行識別。其中，趙望宇[5]等人針對毫米波雷達信號，利用層次聚類方法區分了目標運動狀態。針對自動碰撞系統的控制策略，有安全距離控制模型和碰撞時間控制等[6-7]。其中，文獻[6]搭建了基于碰撞時間的倒數的控制模型并進行仿真；楊明亮[8]等人則融合多傳感器設計了車輛行駛時的換道策略。

針對車輛防碰撞中目標跟蹤和車輛的狀態控制，本文采用大陸集團的ARS408-21 車用77 GHz 前向毫米波雷達，并結合車輛控制器，設計并實現了雷達測距防碰撞安全系統。利用毫米波雷達進行測量追蹤多個目標物，在目標距離車輛較近時自動控制車輛進行制動。

1 自動制動系統方案

本文研發的自動緊急制動安全系統安裝在一臺非道路車輛上，該車輛運行在某企業的封閉園區環境下，且車輛行駛速度較慢。圖1 所示為整個系統架構圖。系統由毫米波雷達、工控機和車輛控制器等3 部分組成。一般汽車雷達主要使用24，77 GHz 兩個不同的信號頻段，前者雷達頻段需要使用至少是后者3 倍的信號天線，故使用77 GHz 的雷達，較小尺寸，更利于在車輛上安裝[1]。系統中ARS408 毫米波雷達用于感知前方目標狀態，并通過CAN 總線輸出目標信息至工控機。工控機根據毫米波雷達發送過來的信號，將信號進行處理并做出合理決策控制車輛。工控機做出的決策再由CAN 總線輸出至整車控制器，整車控制器收到控制信息后進而控制車輛執行加速、減速和制動等動作。

圖1 自動緊急制動系統框圖Fig.1 Block diagram of automatic emergency braking system

ARS408 毫米波雷達固定在車輛前保險杠的中間位置，在車輛后方看雷達的插接器朝向車輛左側，如圖2 所示。其它硬件設備安裝在車廂內，其中工控機的CPU 為Intel 的i5-6440，并搭載Ubuntu16.04 的Linux 操作系統，選用Linux 系統則是利用了其開源且穩定的特點。

圖2 實車測試平臺Fig.2 Real vehicle experimental platform

2 雷達信號采集及處理

2.1 雷達掃描范圍

采用ARS408 毫米波雷達是因為該雷達可以進行0.25～70 m 范圍內的近距離掃描和0.25～250 m 范圍內的遠距離掃描，其掃描角度分別為±60°和±9°。雷達在每50 ms 采樣周期內通過交替發送不同頻率的啁啾信號完成短距離和長距離掃描。該雷達實現遠近距離兩種掃描范圍依賴于信號發送（TX）天線和信號接收（RX）天線，天線數量分別有2 個TX 天線和6 個RX 天線。由毫米波雷達測距原理可知，當目標接近雷達平面時，反射信號頻率將高于發射信號頻率；反之，當目標遠離雷達平面時，反射信號頻率將低于發射頻率。經過計算差值信號可以得出目標物體速度、距離和方位角等信息。如圖3 所示，車輛A為裝有自動緊急制動系統的車輛，目標B 為雷達所能探測到的物體。

圖3 毫米波雷達測量范圍圖Fig.3 Millimeter wave radar measurement range map

2.2 目標物篩選方法

在毫米波雷達探測范圍內，單個測量周期雷達最多可通過CAN 總線傳輸255 個目標的狀態信息，被追蹤的目標雷達會在下一周期內再次發送，直到目標消失為止。每個目標雷達都可以給定ID 號。例如，檢測到的第一個目標ID 為0，則其它目標的ID 依次排序；如果其中某個目標在雷達掃描范圍內消失，則其ID 會重新分配給其它新出現目標并發出ID 變更報告。

如圖2 所示，雷達安裝在車輛前部中心位置，垂直于雷達前平面即車輛前進方向的設為縱向x；平行于雷達前平面設為橫向y，其中雷達左側為正數，右側為負數。本次研發的系統安裝的車輛運行速度不超過20 km/h，且車輛運行的車道寬度在的8 m 左右，雷達能夠掃描到的目標所在區域大于車輛行駛的范圍，故可通過橫向和縱向距離對目標進行約束以剔除不對車輛造成危險的目標。進行篩選后的目標應該滿足式（1）：

3 制動安全車距模型

在初步篩選出危險目標B 后，車輛A 與目標B 之間的前后距離是車輛行駛時需關注的問題，通過式（1）篩選出的目標在與車輛A 間的距離小于某值時將對車輛行駛構成威脅，車輛A 發現前方危險目標B 后進行緊急制動的制動安全距離模型為

式中：SA——車輛A 開始制動時與目標B 的臨界值；vA，vB——車輛A 和目標B 的速度；aA——車輛減速度；aB——毫米波雷達檢測到目標B 的加速度；vrel——車輛A 和目標B 的相對速度；ts——控制系統到執行系統的延遲時間；d0——車輛A 停車后與目標B 的距離，其保證了兩者之間的安全。

本次研發的系統所搭載的車輛A 行駛速度在20 km/h 左右，車輛的總質量、側偏剛度和轉動慣量等因素影響SA的大小，當SA小于雷達探測的目標B 的距離時，車輛會緊急制動。因受路況等其它因素影響，車輛停車后d0一般在4～6 m之間。

4 試驗結果與討論

4.1 雷達探測結果

為了驗證系統效果，在開放場地進行了實車試驗，獲取了毫米波雷達信號并記錄整車速度。如圖4 所示為通過CAN 監控工具采集的毫米波雷達的原始信號，包括目標ID、縱向距離x、橫向距離y、縱向相對速度和橫向相對速度等。

圖4 雷達單采樣周期信號Fig.4 Radar single sampling period signal

試驗時，為了更加直觀地看到毫米波雷達檢測到的目標，將雷達識別的目標在屏幕中進行顯示。通過將目標物體的相對車輛的縱向距離x 和橫向距離y 進行比例縮放，直觀地展示車輛與目標相對位置。通過50 ms 的刷新頻率，屏幕實時顯示雷達所能檢測到的目標。如圖5 和圖6 展示了從開始試驗至50 s 時雷達單采樣周期內目標物鳥瞰圖和分布狀況。

圖5 實車測量鳥瞰圖Fig.5 Aerial view of real vehicle survey

圖6 單采樣周期內目標分布圖Fig.6 Target distribution in a single sampling period

4.2 車速控制結果

如圖7 所示，曲線1 為車輛A 離目標B 的距離變化曲線，曲線2 為整車從啟動到制動停止后速度變化曲線，曲線3 為工控機根據目標B 距離變化輸出給整車控制器的期望車速。從圖7 可以看出，目標距離從50 m 左右逐漸減小，整車開始時刻先進行加速，在59.8 s 時，目標與車輛的距離小于20 m，此時，工控機輸出的期望車速為0，最終整車3 s 后距離目標5.5 m 時停車。從試驗結果可以看出系統達到了設計要求。

圖7 實車車速變化圖Fig.7 Change chart of real vehicle speed

5 結論

本文提出了一套用于非道路車輛的自動緊急制動安全系統。系統先對ARS408-21 毫米波雷達原始信號進行過濾，篩選出了對車輛可能產生影響的運動目標，然后通過目標物狀態判斷車輛是否進行緊急制動。測量結果表明，車輛在低于20 km/h 的時速下系統可以準確探測50 m 范圍內的目標，當目標對車輛行駛造成威脅時，自動緊急制動系統能夠進行工作，進而將車輛停止在安全距離范圍內。

本次研發的系統車輛行駛速度較慢，不能適用于更多工況，需進一步開發可用在時速高于50 km/h 車輛上的系統。