金李揚(yáng) 吳迪 晏桂喜 李鑫 崔建國(guó)

合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院 安徽省合肥市 230009

1 引言

隨著智慧交通、無(wú)人駕駛的普及，汽車(chē)防撞系統(tǒng)的研究有重大的意義。毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)作為組成系統(tǒng)的重要部件已成為當(dāng)今世界汽車(chē)防撞控制系統(tǒng)的主流研究趨勢(shì)，擁有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

本文提出的毫米波雷達(dá)汽車(chē)預(yù)警系統(tǒng)方案，用工作體制為線性連續(xù)三角波的雷達(dá)和相應(yīng)的處理算法得到對(duì)當(dāng)前汽車(chē)安全狀態(tài)的評(píng)估，顯著提升了汽車(chē)的安全性能。

2 毫米波雷達(dá)汽車(chē)預(yù)警系統(tǒng)原理

2.1 毫米波雷達(dá)測(cè)距測(cè)速原理

毫米波雷達(dá)使用毫米波，其波長(zhǎng)較短為1mm到10mm。其中24GHz和77GHz毫米波雷達(dá)主要用于汽車(chē)防撞。毫米波波頻范圍很寬，波束很窄，分辨率較高，在其傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。相較于激光等光學(xué)傳感器，毫米波雷達(dá)受天氣影響較小，抗干擾能力強(qiáng)，具有全天候的特點(diǎn)[1]。

結(jié)合信號(hào)處理的難度、測(cè)量距離等情況綜合考量，LFMCW體制是汽車(chē)防撞雷達(dá)的首選。其在調(diào)制周期內(nèi)，雷達(dá)的載頻呈現(xiàn)線性變化，常見(jiàn)的變化方式有三角波、鋸齒波。其中三角波是最常用的調(diào)制方式。這種雷達(dá)調(diào)制方式濾波簡(jiǎn)單，沒(méi)有盲區(qū)。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)的差頻，得到本車(chē)與目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度，并且信號(hào)處理過(guò)程比較簡(jiǎn)單[2]。

本文以LFMCW為雷達(dá)工作體制，圖1中，三角波周期為T(mén)，調(diào)制帶寬為B，△t為回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔：

調(diào)制信號(hào)中心頻率為 ，則運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻移：

fb為靜止目標(biāo)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻差，fb+為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)在上掃頻段與發(fā)射信號(hào)的頻差，fb-為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)在下掃頻段與發(fā)射信號(hào)的頻差，則有：

圖1 LFMCW毫米波雷達(dá)原理圖

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系有：

由（1）、（2）、（3）、（4）、（5）式可得：

根據(jù)上文的分析，可以得出本車(chē)與目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)速度的公式，其對(duì)相對(duì)靜止和相對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)均適用。在實(shí)際應(yīng)用中，只需要對(duì)雷達(dá)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域上的分析得出fb+和fb-的值，即可得到相對(duì)距離和相對(duì)速度。

2.2 系統(tǒng)性能與參數(shù)設(shè)定

本次設(shè)計(jì)采用的是24GHz毫米波雷達(dá)傳感器KEH255，該傳感器內(nèi)置PLL型號(hào)為ADF4158，支持FMCW調(diào)制。根據(jù)汽車(chē)防撞系統(tǒng)測(cè)距120m測(cè)速35m/s的要求和雷達(dá)本身性能要求確定以下參數(shù)：三角波調(diào)制周期2ms、調(diào)制信號(hào)帶寬150MHz、信號(hào)中心頻率24.155GHz、抗混疊濾波器截止頻率為120KHz、單片機(jī)ADC采樣頻率為250KHz。對(duì)于1024點(diǎn)FFT，理論上距離分辨率為0.24m，速度分辨率為0.76m/s。

以上即為系統(tǒng)的性能和相關(guān)參數(shù)設(shè)定，涉及到雷達(dá)的參數(shù)設(shè)定需要操作雷達(dá)內(nèi)部的ADF4158，ADF4158是射頻帶寬6.1 GHz的具有調(diào)制和波形產(chǎn)生功能的數(shù)分頻頻率綜合器，在每次雷達(dá)開(kāi)機(jī)時(shí)單片機(jī)用SPI時(shí)序燒寫(xiě)調(diào)制的波形參數(shù)到ADF4158的寄存器中[3]，進(jìn)而可確保雷達(dá)正常運(yùn)行。

2.3 距離安全模型

如圖2道路中行駛的兩輛汽車(chē)，其中本車(chē)表示裝有毫米波雷達(dá)汽車(chē)預(yù)警系統(tǒng)的車(chē)輛，前車(chē)表示前方目標(biāo)車(chē)輛。如果本車(chē)車(chē)速大于前車(chē)，則可能會(huì)相撞。下圖中 表示兩車(chē)相撞的臨界距離， 表示本車(chē)從提示減速開(kāi)始到與前車(chē)車(chē)速相等時(shí)本車(chē)行駛的距離， 表示前車(chē)從提示減速開(kāi)始到兩車(chē)車(chē)速相等時(shí)前車(chē)行駛的距離， 表示本車(chē)提示減速前的行駛速度，表示前車(chē)的行駛速度，其速度一直不變， 表示本車(chē)從提示減速開(kāi)始到開(kāi)始剎車(chē)的時(shí)間，即為駕駛員反應(yīng)時(shí)間和剎車(chē)系統(tǒng)延時(shí)， 表示本車(chē)從開(kāi)始剎車(chē)到與前車(chē)車(chē)速相同的時(shí)間。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有：

在（12）式中，t1可根據(jù)實(shí)際情況估計(jì)為1.6s，汽車(chē)在平直路面上剎車(chē)時(shí)加速度范圍正常在0.6g到0.8g之間，式中a取-6m/s2，即 。將 與汽車(chē)間相對(duì)距離比較，若相對(duì)距離小于臨界距離則報(bào)警提示減速。

3 毫米波雷達(dá)汽車(chē)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)介紹

本設(shè)計(jì)采用基于毫米波雷達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)。采用STM32F1作為主控單元，搭建有毫米波雷達(dá)、低通濾波器、電源、屏幕、LED、存儲(chǔ)等硬件。其中主控單元主要用來(lái)處理中頻信號(hào)的算法和實(shí)現(xiàn)其它邏輯功能；毫米波雷達(dá)是檢測(cè)相對(duì)速度和相對(duì)距離；低通濾波器進(jìn)行抗混疊濾波；屏幕和LED模塊進(jìn)行危險(xiǎn)時(shí)的報(bào)警。通過(guò)算法來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理，其中包括ADC采樣、FFT、恒虛警檢測(cè)、頻率匹配等算法。ADC采樣算法和FFT算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換；恒虛警檢測(cè)保證檢測(cè)概率和虛警概率在性能上達(dá)到一個(gè)平衡；頻率匹配對(duì)恒虛警檢測(cè)后的頻譜進(jìn)行匹配，得出目標(biāo)相對(duì)速度距離。最后利用安全模型對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行判別，有撞擊的可能則利用屏幕和LED進(jìn)行提示。

圖2 汽車(chē)預(yù)警系統(tǒng)距離安全模型

3.2 中頻信號(hào)處理

毫米波雷達(dá)傳感器中頻信號(hào)的前級(jí)處理的好壞對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)距測(cè)速的準(zhǔn)確性和測(cè)距范圍有很大的影響。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣頻率必須大于信號(hào)中最大頻率的兩倍，得到的數(shù)字信號(hào)才能完整的保存原始信息[4]。遠(yuǎn)距離（大于120m）汽車(chē)的反射信號(hào)衰減較大，此時(shí)雷達(dá)輸出的中頻信號(hào)很難處理，而且環(huán)境和雷達(dá)中包含高頻噪聲。由于ADC采樣頻率的限制，需要截止頻率為120KHz的低通濾波器在采樣前濾除中頻信號(hào)中的高頻信號(hào)。

為了采樣頻率大于信號(hào)中最大頻率兩倍的條件，設(shè)置ADC采樣頻率為250KHz。在設(shè)計(jì)單片機(jī)程序時(shí)采用的是DMA傳輸ADC數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，并利用DMA中斷進(jìn)行1024點(diǎn)FFT以及后續(xù)的中頻信號(hào)處理。

下面以一個(gè)目標(biāo)為例，其以約10m/s的速度遠(yuǎn)離靜止的預(yù)警系統(tǒng)，記錄相距40m時(shí)的數(shù)據(jù)，并用MATLAB繪圖。

ADC采樣的信號(hào)圖形如圖3，其橫軸為時(shí)間，縱軸為ADC采樣數(shù)值?？梢?jiàn)雷達(dá)輸出的中頻信號(hào)在時(shí)域上是近似方波，通過(guò)波的頻率記錄距離和速度信息。單片機(jī)ADC的有效位是12位，參考電壓為3.3v，故采樣數(shù)值范圍為0-4095，電壓范圍為0-3.3v。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT，其頻譜圖如圖4，其橫軸為頻率，縱軸為幅值。圖中有兩個(gè)較大幅值的波峰，即為有效數(shù)據(jù)，求出有效數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的頻率即可求出相對(duì)距離和相對(duì)速度。

3.3 恒虛警檢測(cè)

恒虛警檢測(cè)是通過(guò)確定閾值來(lái)濾除FFT后幅值小于閾值的頻率。閾值的確定有多種方法，本設(shè)計(jì)采用的是自適應(yīng)閾值的恒虛警檢測(cè)。FFT后每個(gè)數(shù)據(jù)的閾值y是根據(jù)其前后8個(gè)數(shù)據(jù)的平均值v確定，結(jié)合實(shí)際情況其關(guān)系是一次函數(shù)為y= v+500。當(dāng)數(shù)據(jù)值大于閾值時(shí)，則當(dāng)前數(shù)據(jù)有效，反之則無(wú)效，并將該數(shù)據(jù)值設(shè)為0。

3.4 頻率匹配及顯示

對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，其上下掃頻段的兩個(gè)頻率值不同，相對(duì)靜止的目標(biāo)則相同。頻率匹配的原理是同一目標(biāo)上下掃頻段的兩個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的幅值具有最大相似性[5]。程序設(shè)計(jì)時(shí)，先用結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)恒虛警檢測(cè)后每一個(gè)波峰的最大值和其對(duì)應(yīng)的頻率，再根據(jù)幅值的大小進(jìn)行排序。另外，由于多普勒頻移較小，可對(duì)排序后幅值對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行校驗(yàn)?？赏ㄟ^(guò)以上方式確定目標(biāo)。

圖3 ADC采樣圖形

圖4 FFT頻譜圖

在測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)是通過(guò)單片機(jī)的串口顯示的，圖7為串口顯示的是目標(biāo)的頻率、相對(duì)距離以及相對(duì)速度。在圖5中可以看到目標(biāo)相對(duì)距離為40.4m，相對(duì)速度為8.3m/s，本車(chē)速度慢于前車(chē)，當(dāng)前距離安全。結(jié)合上文，其距離較準(zhǔn)確，速度誤差約1.7m/s。理論上速度分辨率為0.76m/s，但是由于雷達(dá)傳感器的性能、系統(tǒng)算法以及系統(tǒng)電氣特性等問(wèn)題很難達(dá)到理論上的分辨率。故系統(tǒng)的結(jié)論可以認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于毫米波雷達(dá)的汽車(chē)預(yù)警系統(tǒng)，在STM32F1平臺(tái)上搭建，完成了該系統(tǒng)硬件和軟件測(cè)試，基本實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)預(yù)警的功能。系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)傳感器獲取目標(biāo)的距離和速度信息并以頻率信息表示，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域處理，獲得目標(biāo)相對(duì)距離和相對(duì)速度，再結(jié)合距離安全模型判斷當(dāng)前安全狀態(tài)，若危險(xiǎn)則提醒司機(jī)減速。但由于技術(shù)能力和時(shí)間的限制，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仍然存在一些問(wèn)題，比如測(cè)距短、多目標(biāo)識(shí)別誤差大、無(wú)測(cè)角功能、速度分辨率低等。隨著智能交通和無(wú)人駕駛的發(fā)展，該研究領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

圖5 串口顯示圖

基金項(xiàng)目：合肥工業(yè)大學(xué)2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：201610359014）