基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統

石廣洋，張來紅，歐陽東哲，劉 超，黃國鵬

（1.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特 026000；2.北京中礦華沃科技股份有限公司，北京 100000）

露天煤礦環境下，已在運輸車輛、工程機械上安裝了防撞預警、抗疲勞預警、盲區監測、安全帶監測以及毫米波雷達自動剎車等系統。目前，我國企業信息化程度較低，部分系統技術已經被市場所淘汰。在車輛安全輔助系統中存在著大量的主機和顯示屏，會對駕駛員的駕駛體驗產生直接的影響。因此，解決煤礦信息化建設中存在的問題，是煤礦信息化建設的當務之急。為此，露天礦山規劃了車輛安全輔助系統的整合與更新。目前，文獻[1]提出的多目標捕獲算法的防撞自動剎車系統，在規定剎車制動空間內，設置輔助權限參數，簡化制動助力器，獲取不同工況下的助力值。同時，結合多目標捕獲算法捕獲障礙物，完成自動剎車系統設計；文獻[2]提出的基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統，首先將車輛行駛過程描述為一個時間序列過程，借助隱馬爾科夫模型構建駕駛人駕駛意圖與車輛相對行駛狀態序列之間的隱含關系模型，并結合避障預警算法，完成防撞自動剎車系統設計。然而，上述兩種方法對復雜目標識別結果不精準，導致剎車效果不佳，為此，提出了基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統。

1 系統硬件結構設計

研究并升級了原有的露天礦區卡車上的自動剎車系統主機，并在主機上添加毫米波雷達傳感器，通過主機對各種安全信息進行全面地研究和判斷，從而形成一個完整的車輛防撞自動剎車系統。

露天礦區車輛防撞自動剎車系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

由圖1 可知，利用毫米波雷達傳感器實現了對前方目標的準確定位與識別。通過CAN 總線將自動機和目標行為的信息傳遞給車輛防撞系統規避控制模塊。在采集到的數據基礎上，將信號輸入至防撞系統規避控制模塊，對被測對象的危險程度進行分級[3-5]。通過對不同危險程度的分析，可以對操作者進行三種不同程度的危險指示，對操作者進行警告和幫助，使其能夠正確地進行駕駛，以保證行車安全[6]。

1.1 毫米波雷達傳感器

毫米波雷達傳感器是一種傳感元件，該元件的毫米波波長介于光波與厘米波之間，具有易集成和空間分辨率較高的特點[7]。毫米波雷達的抗干擾性優于相機、紅外和激光等，圖2 中顯示了毫米波雷達傳感器的構造。

圖2 毫米波雷達傳感器結構

由圖2 可知，雷達傳感器包括射頻、接收機和各個傳感器，在天線的設計上，盡量保證波束寬度，實現不同設備的實時同步。由于低頻率成分所引起的噪音會使弱回波信號被掩蓋，從而成為影響雷達探測范圍的重要因素[8-10]，所以要盡量減少噪音參數。

1.2 集成顯示器

卡車駕駛室的防撞屏、盲區監測顯示系統包括多個顯示器，大量的顯示器占據較大的空間，大多數都是8 寸的普通顯示器，顯得雜亂無序[11]。此外，顯示屏的背光在夜晚也會對司機的視覺產生一定的影響。為此開發了汽車工業級多用途電容式觸摸屏，并將其屏幕提升到10.1寸，其可以顯示所有的安全影像，如防撞警告、毫米波雷達制動、360 度全景影像、右前、右前盲區監控和識別、駕駛員行為分析、駕駛室視頻監控等[12]。每一個功能模塊都會根據警報的情況自動進行屏幕的切換和彈出，本機采用感光元件，可根據周圍環境的不同而自動調整其背光源以及外置揚聲器，工作溫度通常設置為-40～75 ℃；采用工業設計航空插頭，其具有防塵、防水的功能；顯示屏上有多功能按鍵以及開關按鈕。機箱由鋁合金與鋼板組成，安裝方式為臺式及吊起方式[13]。

1.3 360度全景影像監控

該系統采用4-6 個超高分辨率的夜視攝像機，對電鏟和其他主要采掘設備進行實時拍攝。圖像處理機經過變形校正、透視變換、圖像拼接等技術，最后形成360 度立體影像，并在顯示屏上顯示，實現360 度全方位的駕駛輔助功能[14]。對電鏟進行戶外監控，并在電鏟左邊較大的死角處增加了一個雙方向的防爆照相機和一個照明充電器。

1.4 RTK北斗定位模塊

原卡車和工程機械防撞預警系統的定位模組精度一般，準確率在±2.5 m 左右。該研究對原卡車、工程機械防撞預警系統的定位和天線進行了改造，采用了高精度RTK 北斗定位模塊，并在電鏟上加裝了高精度定位模塊，實現了三維精準定位。通過精準定位，能夠精確地分辨出卡車所處臺階，防止車輛在不同的臺階間出現車輛誤報警，從而達到精確報警[15]。

高精度的定位模塊是實現露天礦區車輛導航系統的關鍵技術，若在后期實現貨車裝載定位，則不需要額外的硬件費用。只有在主要礦用設備的車載終端上配置對應的定位系統軟件，才能達到裝載對齊的作用。

2 系統軟件部分設計

2.1 防撞預警自動剎車聯動決策算法

通過對已有的碰撞預警與毫米波雷達自動剎車系統進行分析，在保證其基本性能的基礎上，通過對多個傳感器的多個信息進行分析與評估，可將其與自動剎車系統相結合，使其具有較好的性能，有效地提高了報警的準確性，防止了誤報[16]。

引入無量綱量ω和中間比較因子λ，ω的計算公式為：

式中，d表示行車間距，d1表示預警臨界距離，d2表示制動臨界距離，由此得出防撞自動剎車系統連續三級預警與自動剎車形式，如下所示：

當ω＞1時，相當于行車間距大于制動臨界距離，此時車輛進入了預警區（100 m 左右），該范圍內實時顯示臨近車輛位置和距離；

當0 ＜ω＜λ時，相當于行車間距與預警臨界距離值非常接近，此時車輛進入了報警區（60 m 左右），顯示且語音提醒臨近車輛位置和距離；

當ω＜0時，相當于行車間距小于預警臨界距離，此時車輛進入了危險區（30 m 左右），顯示且語音提醒“危險”。

2.2 圖像動態識別算法

在礦用重型卡車和特種車輛車身上安裝4-6 個高清防爆攝像頭，能夠對車輛周邊進行實時監控，實現360 度全景輔助駕駛。同時，它還可以與毫米波雷達的自動剎車、碰撞警報等技術相結合，在碰撞即將來臨時，監視器會自動顯示并發出警報。

假設存在兩個n維向量W1×n和E1×n，將這兩個向量表示成如下形式：

充分考慮兩個向量端點之間的距離，計算結果越小，說明兩個動態圖像越相似，反之，則不相似。當采集到對應的圖像后，可以實時地顯示道路狀況，并與毫米波雷達碰撞預警形成聯動。在即將發生碰撞時，顯示屏會自動顯示并發出警告。

2.3 毫米波雷達防碰撞自動剎車功能

露天礦區車輛防撞信號的瞬時頻率隨著時間線性變換而發生改變，當前方有單目標回波時，將發射信號和反射信號混合后，得到的信號中含有目標相對距離和速度信息。在發射信號上升和下降階段，中頻輸出信號可表示為：

式中，η0表示發射信號中心頻率，V表示相對速度，c表示光速，B表示頻帶寬度，t表示從發射激光到接收激光的時間間隔，L表示兩車的距離。

忽視汽車與目標間的相對速度，可以計算出兩車的距離，測距計算公式為：

根據上述公式，能夠確定目標位置。當車輛減速后的距離超過安全距離時，系統會發出減速指令，當兩車繼續靠近時，剎車裝置的剎車命令（剎車動作）將被觸發，直至車輛停止。

3 實驗分析

3.1 實驗環境模擬

實驗環境模擬圖，如圖3 所示。

圖3 實驗環境模擬圖

由圖3（a）可知，對于同向行駛的車輛，車輛A 在中間車道，車輛C 為危險目標。由圖3（b）可知，車輛A 行駛方向沒有沿著公路前方行駛，而是出現偏離車道的行為，前方為護欄。由圖3（c）可知，車輛A 在中間車道，在同一車道的C 和行人是主要危險目標。

3.2 實驗結果與分析

在上述實驗環境下，分別使用多目標捕獲算法的防撞自動剎車系統、基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統和基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統，對比分析剎車距離，對比結果如圖4所示。

圖4 三種系統剎車距離對比分析

由圖4（a）可知，使用多目標捕獲算法的防撞自動剎車系統，與實際剎車距離不一致，在橫向也存在最多22 m 的剎車距離；使用基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統，與實際剎車距離不一致，其在橫向也存在最多16 m 的剎車距離；使用基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統，與實際剎車距離完全一致，且剎車線路完全符合，無橫向剎車軌跡。由圖4（b）可知，使用多目標捕獲算法的防撞自動剎車系統，與實際剎車曲線不符合，其中橫向最大剎車距離比實際剎車距離長25 m；使用基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統，與實際剎車曲線不符合，其中橫向最大剎車距離比實際剎車距離長40 m；使用基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統，與實際剎車曲線基本符合，但也存在2 m 的最大橫向誤差。由圖4（c）可知，使用多目標捕獲算法的防撞自動剎車系統，與實際剎車曲線不符合；使用基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統，與實際剎車曲線不符合；使用基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統，與實際剎車曲線基本符合，但也存在1.8 m 的最大橫向誤差。

4 結束語

針對露天礦重型卡車容易受到駕駛員疲勞、超速、惡劣天氣等因素影響，容易發生車輛追尾或碰撞事故的問題，提出了基于毫米波雷達的露天礦區車輛防撞自動剎車系統。結合圖像動態識別算法，建立了露天礦卡車防碰撞的自動剎車聯動機制，實現了礦用卡車的自動減速和剎車，解決了影響礦山車輛交通運輸安全的問題。