汽车开门防撞预警技术研究进展*

孙会明，秦永法，张 纯

(扬州大学 机械工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引言

随着汽车工业的不断发展和城乡居民生活水平的迅速提高，作为代步工具的小汽车在人们生活中越来越普及，据2016年国家统计局年度披露，交通事故所造成的直接财产损失高达12亿多,且现在的交通事故发生类型也由传统的汽车碰撞衍生到人、车、路的耦合事故。近几年一种俗称“开门死”的事故不断涌入人们的视线，此类事故实际上是驻车时由于开门不当致使驻车车辆侧后方的非机动车、行人撞上车门，造成人员伤亡及车辆的损坏。20世纪70年代在新西兰仅有1%的此类交通事故被媒体报道，针对此现象Atkinson和Hurst在文献中给出了一种解释“可能是因为当时公众对此类事故的重视程度还不够[1]”；据英国STATS19数据显示，在1991年～2008年的交通事故数据统计中，涉及自行车与机动车碰撞的案例共23 104起，其中因开门碰撞发生的事故有5 000起[2]；澳大利亚维多利亚州的墨尔本城市警察局提供的交通事故数据显示，从2000年至2011年共发生14 888起自行车碰撞车事件，其中涉及开门碰撞的为1 247起，而医院根据接收事故伤员的统计，在12 844起自行车碰撞车祸中，开门事故占据了401起，这些开门事故共造成342人重伤，其中尤为引人注目的是在2008年～2009年这一年中，开门事故急剧增加，并在后几年一直维持在高位震荡[3]；在加拿大的多伦多，车门碰撞事故是三种最常见的自行车事故之一，约占自行车事故的11.9%[4-6]；美国波斯顿警察局接收到的有关自行车事故的报案记录中，开门碰撞事故占据了16%[7]；在瑞典的一项调查中，非机动与车门的碰撞事故占据非机动车总事故量的4.3%[8-9]；在英国的一些志愿者调查中同样可以发现一个很严重的问题，非机动车驾乘人员为了避免与车门发生碰撞，有时会选择逆向行驶[10]；在我国，人民网发布的南京2015年国庆期间的交通事故数据中，因开门发生的各类交通事故高达98起，其中仅10月9日一天就发生了17起。

大量的数据表明，“开门死”的事故已经不容忽视。在雨、雪、雾等道路交通情况恶化的极端天气下，或是道路照明条件不佳的夜晚，视线的局限使得开门事故发生的可能性进一步上升。而遗憾的是目前市场少有预警侧后方来车的主动安全技术。人们对于代步工具不仅要求舒适更要求安全，至于安全不仅要考虑自身安全同时也要考虑他人的安全，考虑行驶安全、驻车安全的同时更不能忽视开门的安全。因此将传统的开门防撞由思想防范转变为技术防范，进行移动障碍物的辨识，从而能够使驾乘人员尽可能地察觉到危险，并通过危险预测提前发出预警信号，以引起注意，从根本上减少因此类事故造成的人员伤亡和财产损失。

1 开门防撞预警技术的研究现状

1.1 国外研究现状

汽车开门防撞安全预警技术源于车载倒车雷达系统和变道辅助系统。有关汽车开门事故最初由Dennerlein和Meeker在2002年提出，并将这类事故定义为“Doored”，即停在街道一侧的汽车或卡车的门从车内被打开，车门侵入一个临近非机动车道路造成的碰撞。三年后这一现象也同样引起了伦敦交通局(Transport for London，TFL)的注意，但是这种交通事故类型并未引起广泛的关注。

发生开门碰撞事故时，骑车人可能遭遇两种类型伤害：摔倒或是摔倒后的二次伤害[11-13]。非机动车与汽车开门发生碰撞示意图如图1所示。

图1 非机动车与汽车开门发生碰撞示意图

图2 汽车开门事故模型

图2中，A为路边停放的汽车，B为道路使用者，n为事故数量。其中581事故模型的发生概率较大，占189例，582事故模型占36例。研究还透露车辆前部车门的事故概率远大于后门，其中左前门尤为严重。具体事故案例分布见图3。

图3 开门事故的车门位置分布

近几年开门事故愈发常见，自2010年起，伴随着声波、现代信号处理及电子技术等不断发展，采用信号采集结合数据处理的系统结构来降低开门事故发生率成为了汽车主动安全技术的研究热点问题，国际上不少汽车公司相继关注并解决了开门防撞系统的技术难题。

目前已在市场销售的奥迪高配车型如奥迪A42017款、奥迪Q7等具备有下车警示功能，当车辆停住后，系统将检测从奥迪车后面接近的其他车辆和行人等，如果存在风险，则在打开车门前就予以提醒，即当车门打开时，门上灯带以及后视镜上的侧向辅助警示性灯会点亮以提醒乘客(如图4所示)，这项技术主要是基于盲点监测系统。

图5是德国凯毅德公司开发的一种创新车门，可实现开门过程中的车门制动。这是一款基于传感器的安全保护系统，是基于视频技术并结合电磁技术的门锁系统，设计的目的是减少车门金属的额外损伤以及开门时撞击附近物体造成的高额保险索赔。通过在后视镜的下端增加两个摄像头来监测车门附近的障碍物，系统接收到障碍物的信息后作出指令，是否实行车门制动。该系统可以实现开门过程中车门制动，进一步提高了开门过程中的安全性。

图4奥迪下车警示功能图5凯毅德i-protect门锁系统

澳大利亚墨尔本的一家名叫“Dooring Alert System”的公司，同样研发了这样一款用于开门防撞预警的装置，第一代雏形DAS-Alpha系统的启用是通过释放任何安全带来实现的，采用灯光报警来提醒车内外人员，其中车外提醒的闪光灯位于后风窗两侧中部。第二代产品DAS-Lambda现处于研发当中，主要技术是通过在后视镜内集成摄像头来探测后方的运动障碍物，这点与凯毅德公司的技术相类似。

美国德尔福曾经研制出一款被称作是Safe Exit System的开门预警系统原理样机，在样机中将两侧车门全打开后所能覆盖到的车辆后方两侧区域定义为预警区域，通过检测后方有无障碍物的存在来触发报警。2014年德尔福推出了雷达视频集成系统RAcam和后部及侧边碰撞预警系统RSDS，其中集成了Safe Exit的功能。

1.2 国内研究现状

国内如南京林业大学、上海交通大学、电子科技大学、重庆交通大学、安徽工程大学、北京信息科技大学等高校科研机构也相继开展了汽车开门防撞预警的信号处理和控制原理研究工作，但目前国内尚未出现市场推广的产品，均处于简单工况下的实验规律性描述和防碰撞算法的探索阶段。

根据目前各高校研究中所采用的传感器类型，可将开门防撞预警技术的设计方案分为以下几类：

(1) 基于视频技术：视频技术主要利用摄像头采集到的图像进行计算机图像处理分析，涉及信号处理与融合等多方面的技术。摄像头能实时地对车辆周围的环境进行拍摄，然后将所获取的图像数据传递给车载的ECU，ECU根据预先设定的算法分析得出周围运动目标的运动状态，在此基础上计算出目标到达车门所需的最短时间，从而与预设的开门预警阀值进行比较判断来输出预警信号及执行相关的控制操作。视频技术是国内最早开展汽车开门安全所采用的技术，重庆理工大学王明亮采用后视摄像头，并应用光流法来监测运动物体，但对运动目标的状态信息获取不足；上海交通大学的王旱霖[15]提出的用于运动障碍物运动方向的扫描线建立时空信息图，利用时空信息图中边缘线的斜率来判定运动障碍物的速度的大小，从而作出决策，局限在于是对实际情况的简化，该方法可实现背景相对于观测点静止的环境中表现良好，有待于进一步改进。

(2) 基于超声波传感器技术：由单个超声波传感器或者集成其他测量传感器形成的多传感器融合系统通过对目标运动状态的测量，依据其速度和距离进行判断，并发出报警。这种方式测量精度较高、成本低，但由于超声波传感器和激光传感器[16]都是单方向直线式探测，其中超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°以内，且探测距离过近，难以满足设计所需要的远距离预警及响应速度，极大地削减了预警的时间，且无法安全有效地覆盖所需监测的区域，难以在实际中运用。虽然利用超声波阵列可解决测量范围不足的问题，但是仍会存在部分盲区[17]。

(3) 基于微波雷达技术：基于微波雷达技术是通过采用毫米波雷达传感器来实现对车辆后方预警区域内物体的持续监测。该技术可靠性强、精确度高、鲁棒性好，也是到目前为止最成熟的技术，虽然该技术成本相对较高，但笔者认为后期可通过技术将此功能融入汽车的盲点监测系统中来降低成本，这样既可以极大地减小对车辆自身结构的改装，又能节约应用的成本[18-20]。

2 信号处理技术在开门防撞预警系统中的应用

用软件进行雷达信号处理系统的设计、建模及仿真，可极大地提高设计效率和雷达信号处理系统的性能。雷达信号处理系统的电路设计大都采用数字信号处理芯片(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)等，这些器件的集成度高，包含大量的运算单元或逻辑单元，使雷达信号处理的设计更加灵活。信号处理技术包含如下：

(1) 傅立叶变换：由于信号成分的频率由目标与雷达之间的相对距离、相对速度等信号成分的幅值混成，与发射频率叠加之后就是雷达的回波信号，对接收到的模拟信号进行滤波放大，再经AD采样得到可供DSP直接处理的数字信号，然后对该数字信号进行频谱分析，从而获得目标与雷达的相对距离、相对速度、相对角度等目标状态参量，因此要通过傅立叶变换算法将一系列具有相同扫描时间间隔的信号值转换为具有相同频率间隔的频谱功率密度值。

(2) 探测：由于雷达发射特定调制频率的信号(如毫米波雷达典型的24 GHz、77 GHz)，不同目标以及同一目标处于不同位置对雷达信号的反射强度都不一样，为了减小雷达的虚警，在所有的回波信号中应该区分出是否为干扰信号或是噪声信号，并设置相应的恒虚警检测门限。

(3) 目标识别：依据FMCW体制雷达的测量原理，可以根据信号扫频的差值来得出目标的相对速度、相对距离以及相对角度。

(4) 跟踪：目标的跟踪是将当前堆栈中所储存的目标状态信息与上一时刻所储存的状态信息进行分析比较，通过使用贝叶斯公式和卡尔曼滤波理论来推测目标未来位置。

(5) 报警：报警是数字信号处理器将目标的状态量进行安全距离或安全时间的计算与设定的预警门限进行比较，从而获知目标是否为危险运动目标。

3 结束语

在汽车安全技术研究中，目前涉及防止行人与车辆开门发生碰撞的车门防撞预警系统在国内外还不是很完善，这是由多种原因造成的，如成本、有效预警时间等，但其蕴藏的市场应用价值不可估量。

目前已经或是尚处于研究阶段的技术方案在数学模型和碰撞算法的建立尚不完善，仅仅停留在有无障碍物的检测，未能做到动态地进行碰撞危险的预警。

开门防撞关键技术还有待于深入研究和理解的问题有：

(1) 从节约成本和集成化的角度考虑，如何在不对现有车辆进行大幅度改装的情况下，在不干扰现有车载电子系统的稳定工作的前提下，通过对控制策略的改变来直接实现开门防撞预警功能。

(2) 如何准确地获取运动目标的动态参数，对目标进行准确的定位。

(3) 车后环境复杂，存在多种静止和运动的障碍物，同时移动的障碍物也不一定会对本车的开门产生碰撞威胁，所以如何界定所探测到的运动目标是否会在开门过程中与车门发生碰撞值得深入探讨。