基于多普勒雷达的车辆开门预警系统

王陆林， 刘贵如

(1.奇瑞汽车股份有限公司前瞻技术研究院，安徽芜湖　241006；2.安徽工程大学计算机与信息学院，安徽芜湖　241000)



基于多普勒雷达的车辆开门预警系统

王陆林1， 刘贵如2

(1.奇瑞汽车股份有限公司前瞻技术研究院，安徽芜湖241006；2.安徽工程大学计算机与信息学院，安徽芜湖241000)

摘要：为解决驾乘人员开车门导致的车门和后方接近目标发生碰撞的问题，设计一种基于多普勒雷达的车辆开门预警系统。系统通过多普勒雷达对移动目标进行探测。采用雷达中频信号处理模块对前端返回的中频信号进行处理，并通过恒虚警检测算法根据噪声强度实时调整识别门限，保持恒定的目标探测概率。通过在奇瑞G6车上进行的标定和实际场景测试，该系统对机动车与非机动车的预警率均大于97.00%，表明系统能够实时检测进入车辆后方报警区域的动态目标并进行有效预警。

关键词：车辆；开门预警系统；多普勒雷达；目标探测

车辆驾乘人员开车门时，车门和后方接近的机动车与非机动车发生碰撞，对驾驶员尤其是对非机动车驾驶员造成严重伤害，甚至死亡。开门预警系统是为了避免该类事故发生而开发的一项主动安全技术，该系统在驾乘人员下车前，触动声光警示电路进行声、光的提醒，提醒其注意回头观测后方车况,同时也提醒车外行人、车辆注意停车开门车辆，从而避免交通事故的发生。

目前车辆开门预警技术主要采用两种方式实现，一种是通过视觉实现车辆后方区域目标的探测，这种方式探测距离有限、精度差，容易受各种环境因素影响，目前采用的比较少；另一种是采用调频雷达技术，探测距离远、精度高，不受外界环境因素的影响，但是控制系统设计复杂、成本高。

本文设计一种基于多普勒雷达[1]的车辆开门预警系统，通过多普勒雷达对后方区域接近目标进行探测，实现开门预警功能。

1系统总体设计

图1　系统结构

系统包括控制单元、发动机点火开关、车速传感器、车门门锁状态开关、车门开关信号、多普勒雷达探测模块、车内提醒装置和车外提醒装置等。

各个开关的状态信号由控制单元通过CAN总线从车身控制器BCM获取，并通过CAN总线和仪表控制单元与车载电脑通信，分别控制蜂鸣器和语音报警装置进行报警提醒，以及通过BCM控制转向灯对后方接近车辆进行提醒。系统的构架如图1所示。

图2　系统整车布置

系统利用多普勒雷达具有的多普勒效应对运动目标进行探测。针对车辆一般靠最右侧车道以及车道最右侧停车的场景需求，可以选择单雷达方案，系统控制器安装在车尾左后保险杠内侧，与车辆后轴平行，垂直仰角为2°～2.5°；系统LED提醒装置安装在车内左侧前后门把手位置。系统整车布置如图2所示。

当车辆减速停车，且车门锁处于允许开启状态时，系统报警功能开启。当车门未打开时，如果有运动目标接近并进入车辆后方报警区域，系统首先通过LED报警灯进行一级视觉报警，同时进行语音提醒；如果此时驾乘人员欲开启车门准备下车，当拨动门把手触发车门开关信号的瞬间，系统检测到车门打开状态，系统通过蜂鸣器进行二级声音报警或语音提醒，提醒驾乘人员此时开门可能有危险，要注意观测车辆后方车况，分段打开车门，在确保安全的情况下开门下车，从而避免碰撞事故的发生。

2系统硬件设计

2.1多普勒雷达前端设计

图3　多普勒雷达前端结构

根据雷达方程和系统探测距离，设计一种高灵敏度、低成本的多普勒雷达前端[2]，结构如图3所示，设计采用微带无源结构，方案简单，成本低。

图3中5 V供电压控振荡器产生24 GHz的微波振荡信号，由功分器分为两路：一路经滤波器滤波后经平面微带发射天线发射出去，另一路提供给接收通道作为混频器本振源；接收天线接收回波信号经过低噪放处理后，再经过功分器一分为二提供给两个混频器，混频器将回波信号与两路本振信号进行混频后输出两路相位相差90°的中频信号[3]。

2.2系统后端硬件设计

针对本系统需求设计一种后端硬件方案，结构如图4所示。主要包括电源系统、点火开关信号采集电路、CAN通信电路、多普勒雷达信号采集处理电路、多普勒毫米波雷达前端、视觉和声音报警输出控制电路以及信号处理器最小系统电路。

眼睛也是如此，在长期的移动生活中，人类的眼睛也适应了变化的景观和景物(这种适应可能还与一定的速度有关)，对持续不变的景物也是不适应的。这正如同眼睛不适应过强的光线、过暗的光线一样。当然对于这种不适应，我们现代人发达的大脑把它美其名曰“审美疲劳”。

图4　系统硬件结构

中频处理电路主要针对连续毫米波雷达单个中频回波信号采用带通滤波器进行滤波放大处理，然后采用DSP内置的ADC转换实现模数转换，并通过模数转换模块的DMA传输通道在不占用CPU运行周期的情况下将数字信号存储到DSP内置的SRAM存储器中供算法处理。本方案成本低，且降低了系统设计的复杂度，系统可靠性更高。

模数转换采样率需按照中频回波信号最高频率计算，并根据采样定理，按照5～10倍进行采样，模数转换模块采样率大于26 kHz；通信接口如果选择并行接口则通信速度需大于26 kb/s，如果选择串行通信接口则通信速度需大于416 kb/s；ADC转换位数一般选择12位即可，参考电压采用内置参考电压或者外置高精度的参考电压。

内置SRAM的大小与模数转换通道个数、采样点数以及最高与最低频率倍数有关。系统采用2个模数转换采集通道，采样点数为1 024个，最低频率为200 Hz，最高与最低频率倍数为14，故SRAM最小存储空间为 56 kB。考虑中间变量和程序运行空间，选择内置64 kB的SRAM。

3系统软件设计

3.1动态目标检测算法

在运动目标的检测过程中，为了获得较高的目标检测[4]概率，需要根据实时变化的背景噪声强度动态调整功率识别门限[5]，常采用恒虚警检测方法[6-7]，通过有限个参考单元估计杂波干扰的平均功率。单元平均恒虚警(CA-CFAR)[8]在均匀杂波环境下有较好的检测性能，但是在杂波边缘和有干扰目标的情况下，检测性能明显下降，而两侧单元平均选小和选大的检测方法[9-11]虽然在杂波边缘检测有很高的检测性能，但是在有目标干扰的情况下，检测性能比CA-CFAR更差。基于排序的CFAR检测器[12]先进行排序，然后选择两侧最大或者最小值，与两侧单元平均选小和选大的方法相比，可以提高有目标干扰情况下的检测性能，但是没有充分利用CA-CFAR的优点[13-14]。

图5　改进的恒虚警算法

实测应用场景为雷达处于静止状态，地平面相对于雷达静止，不产生多普勒效应，背景噪声分布比较均匀[15]，综合以上检测方法的优点，提出一种改进的CFAR检测算法如图5所示。先对n个检测单元各自排序，然后选择最大、最小值取均值得到杂波平均功率T，再结合门限因子β，得到检测门限功率G，各个检测单元功率xm与门限功率G进行比较，当xm≥G时认为有目标，否则认为无目标，该算法在噪声、多目标干扰和杂波边缘干扰的场景下，均有很好的检测性能和鲁棒性[16]。

图6　系统控制流程图

3.2系统控制算法

系统通过线束与整车进行信息交互，结合实际应用场景和用户需求，系统控制算法流程如图6所示。

如果此时有车速大于5 km/h的目标进入后方报警区域，系统首先通过车内门把手位置的LED灯对驾乘人员进行提醒，同时打开转向灯对后方接近车辆进行提醒。

如果驾乘人员拨动了门把手准备打开车门时，系统通过蜂鸣器报警进行提醒或者预警提醒，提醒驾乘人员要注意回头观测后方的车况，分段打开车门，在确保安全的情况下开门下车。

如果车辆处于熄火状态，且车门门锁处于关闭状态时，系统切断自身电源，系统关闭。

4试验与分析

图7　定义系统探测区域

系统首先针对典型运动目标的雷达探测区域进行标定和测试，在测试和标定数据的基础上结合实际应用场景，标定和定义系统报警区域。雷达安装在后保险杠左侧，以雷达的位置为基点，对于自行车，横向向外和向内各1.5 m，纵向向后10 m的区域为报警区域；对于摩托车，横向向外和向内各1.5 m，纵向向后13 m的区域为报警区域；对于机动车，横向向外和向内各2 m，纵向向后17 m的区域为报警区域。系统最小报警区域如图7所示。

系统在奇瑞G6车上进行标定和验证，针对各个典型目标，在标定的报警区域内设定若干测试点，测试场景见图8～10，虚线框内显示目标进入路边停靠的车辆后方报警区域，此时报警装置LED点亮报警，转向灯闪烁；当驾乘人员拨动门把手时，报警装置蜂鸣器报警。

图8　接近目标为自行车的测试场景　　　　　　　　　　　　　　　　　图9　接近目标为摩托车的测试场景

各个典型目标在各测试点的平均预警率见表1。由表1可知，自行车、摩托车、轿车的平均预警率均大于97.00%，测试结果满足系统指标需求。

图10　接近目标为轿车的测试场景

表1系统预警率测试结果

典型目标测试点距控制器的纵向距离/m试验次数/次预警次数/次平均预警率/%自行车4,741740597.12摩托车4,8,1362260797.58轿车4,8,12,1781979897.43

5结论

1)设计一种基于多普勒雷达的车辆开门预警系统，系统通过LED、仪表内置的蜂鸣器和车载多媒体终端进行语音提醒等多种提醒方式相结合，完全能够满足车辆开门预警实际场景和用户需求，对辅助驾乘人员安全开门，降低开门风险有极大帮助。

2)该系统在奇瑞G6车上进行了实际场景测试，系统运行稳定可靠，报警区域平均预警率大于97.00%，能够有效减少因驾乘人员开门可能导致的碰撞事故的发生。

3)目前系统只针对常规测试场景进行了测试，后续研究需要在特殊或者极端场景下进行测试，如实际应用场景存在电磁干扰、不同雷达间的同频干扰等环境下的测试，对系统进行改进。

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(责任编辑：杨秀红)

Design and Implementation of a Vehicle Door Open Warning System

WANGLulin1，LIUGuiru2

(1.AcademyofScienceandAdvancedTechnology，CheryAutomobileCo.，Ltd.，Wuhu241000，China；

2.SchoolofComputerandInformationScience，AnhuiPolytechnicUniversity，Wuhu241000，China)

Abstract:To prevent collision of a car door suddenly opened and an onboard person and a target approaching from the backside,a vehicle door opening early-warning system is designed based on Doppler radar. The system detects moving targets by Doppler radar. IF signal processing module is used to process the signals from the front-end, and constant false alarm detection algorithm is used to set the threshold, to keep constant target detection. Calibration and site tests were carried out on a Chery G6 car. The system has an early warning rate of greater than 97.00%for motor vehicles and non-motor vehicles, and is effective to issue early warning for moving targets entering into the detection range behind the car.

Key words:vehicle;door open warning system；Doppler radar；target detection

文章编号：1672-0032(2015)04-0008-05

中图分类号：U491.6

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.003

作者简介：王陆林(1979—)，男，山西保德人，工程师，主要研究方向为车辆主动安全、智能车辆控制和汽车电控技术.

基金项目：国家自然科学 (91120307)；安徽省自然科学 (1408085MF124)

收稿日期：2015-11-20