CN205826863U - 一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，所述装置包括电源***、阵列天线模块、射频模块、雷达数据处理模块、防撞雷达预警装置通信管理模块、交通数据处理器模块、输出通信模块。本实用新型通过实时检测与识别，能够对雷达检测区域内的各个目标以及本车进行轨迹预判，进行分析后计算存在危险的指数并进行告警，使防撞预警更加迅速、准确和有效；通过合理的算法与硬件设备配合使用，使雷达***能够全天候、高精度地进行科学、迅速的预警，大大提高了车辆行驶过程中的安全性，有效减少交通事故的发生。

Description

一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置

技术领域

本实用新型属于汽车电子技术中的雷达预警领域，更具体而言，本实用新型涉及一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置。

背景技术

道路交通事故每年给人民的生命财产和国民经济造成了巨大的损失，我们面临全球性的道路交通安全危机。从道路交通事故的成因和特点来看，绝大多数的道路交通事故是非自然因素造成的，在现代科学技术条件下，人们完全有能力通过采取相应的措施进行事先的干预，从而减少或者避免伤害。因此，汽车安全辅助驾驶技术的研究受到各国的普遍关注，通过分析防撞雷达预警装置及信号处理器获取的信息掌握车辆、道路、环境等驾驶信息，并在危机状态下实现为驾驶人提供劝告或预警信号，甚至对车辆实施控制，减轻驾驶人的操作强度，提高汽车的安全性，避免驾驶人因素造成的交通事故。

城市交通的特点一是行人较多，城市的人口密度很高，尤其在上、下班的交通高峰时段，道路十分拥挤。另外，个别行人的交通安全意识差，交通法规观念淡薄，经常违章行走，抢占机动车道。在无安全防护设施的路段和无交通信号、无交警指挥的交叉路口处，或者左转弯、直行、右转弯一起放行的路，经常会有行人随意地横穿公路或在车道上行走。城市交通的特点二是机动车多，由于我国经济的迅速发展，私家车、办公用车、出租车、公共汽车、运输车数量迅猛增加，城市道路负担越来越重，拥堵现象时有发生。尤其是个别机动车驾驶人交通意识差，无视交通法规，行驶无规律，争道抢行，任意停车，妨碍其他车辆行驶；摩托车快速、灵活、任意穿行、超车；电动车数量庞大，常常占道行驶。这种交通状况，致使机动车辆行驶速度减慢，道路通行能力降低，极易造成交通堵塞，甚至发生事故。城市交通的特点三是道路拥挤，道路是城市建设的基础设施，虽然各城市对道路进行了大量的建设和改造，但由于种种原因，城市的道路状况远远不能适应现代交通发展的需要。路少车多，道路拥挤始终是现代城市交通发展的一大矛盾，在一定程度上制约了经济发展的速度。另外，县级城镇道路网络布局不合理，交通信号设施不完善，违章建筑和占道摆摊设点，降低了现有道路的利用率，使车与路的矛盾更为突出。

从城市道路事故的主要形态来看，由于驾驶人未保持行车间距，导致尾随相撞的事故较多。为了减少类似交通事故的发生，汽车安全车距预警能够实时检测与识别前方车辆，判断本车与前车的距离，计算判断追尾的可能性，并在必要时进行预警报警，提醒驾驶人通过控制车速与前方目标保持安全距离，提醒驾驶人存在的潜在车辆追尾的交通事故，从而使驾驶人能及时做出正确处理，对减少类似车辆追尾碰撞的交通事故有着重要意义。

安全车距预警***作为汽车安全辅助驾驶的重要组成部分，长期以来一直受到高度重视。一些国家研究了可实用化的车载设备，这些车载设备在计算机的控制下，通过声音、图像等方式向驾驶人提供辅助驾驶信息，并可以自动或半自动控制车辆，从而有效的防止事故的发生。

国内外的车辆安全距离测量一般采用雷达测距、超声波测距、激光测距和视觉测距的方法。但是这些测距方法都存在着不同的缺点，超声波测距距离比较短，激光测距对器件和信号的处理要求高。前方车辆检测是判断安全车距的前提，车辆探测的准确与否不仅决定了测距的准确性，而且决定了是否能够及时发现一些潜在的交通事故。

超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低。但是它对行驶中车辆的测速防撞雷达预警装置不可取，主要原因：一是超声波的速度受外界温度等因素影响较大，无法实现精确测距；而是由于超声波能量是与距离的二次方成正比而衰减的，只适用于较短距离的测量。目前国内外一般的超声波测距仪的理想测量距离为4～5m，因此，超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器，激光测距仪在工作时标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，由计时器激光束从反射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距的优点是在天气状况良好下，近距离水平方位角度测量精度较高，但激光测距的缺点是激光测距具有结构复杂、体积较大、质量重、功耗高、可靠性低、价格昂贵等缺点，且制作的难度较大，成本较高，而且光学***需要保持干净，否则将影响测量。

视觉测距是将摄像机作为机器视觉手段，可获得交通环境中的大量信息，如交通标志、交通信号、路面标记和车辆等。利用计算机视觉技术，在测距过程中利用采集的图像中包含的大量信息，实现其他辅助驾驶功能，如车辆偏离车道中心的偏离程度等，处理智能交通问题算法柔性大、适应能力强，有着广阔的应用前景。缺点是视频检测技术对于图像识别实时性要求非常高，复杂背景下车辆检测和视频的准确率非常低，例如，在夜晚和比较昏暗、雾霾严重情况下、下大雨、下大雪等恶劣天气下视频检测技术无法进行检测，所以此设备无法进行全天候进行检测。此类检测设备的经济效益费用比也非常低。

雷达测距是通过测试发射调频连续波和目标回波之间的时间差来测量目标距离的，雷达的工作原理与超声波的反射类似，差别在于其所使用波的频率比超声波高。但与超声波相比，雷达使用的电磁波波长短，可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰。另外，由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高，但是现有雷达只是简单的采用目标距离来判定车辆碰撞的危险，这对于复杂的城市交通条件下的防撞***要求是远远不够的。

而且在复杂的城市交通中，雷达的检测区域内的所有机动车、非机动车或者行人都有可能对本车造成威胁，自车与原目标车辆之间有车辆突然的驶入很有可能也是潜在的危险。

实用新型内容

本实用新型公开了一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，该装置能够更好地应用于交通条件更加复杂的城市交通并进行早期潜在碰撞危险的分析和告警。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，是针对于一种应用于城市交通的防撞雷达预警方法而设计的，所述装置包括电源***、阵列天线模块、射频模块、雷达数据处理模块、防撞雷达预警装置通信管理模块、交通数据处理器模块、输出通信模块，所述电源***分别与所述射频模块、所述雷达数据处理模块、所述防撞雷达预警装置通信管理模块、所述交通数据处理器模块连接并提供相应的电源，所述阵列天线模块与所述射频模块发射信号后接收回波信号，经过处理后传输给所述雷达数据处理模块，所述雷达数据处理模块连接有检测背景模型库，所述雷达数据处理模块将数据进行采样处理后将数据写入所述检测背景模型库中并随时读取相关数据；所述雷达数据处理模块与所述防撞雷达预警装置通信管理模块、所述交通数据处理器模块、所述输出通信模块依次连接，所述雷达数据处理模块将数据传输给所述防撞雷达预警装置通信管理模块，所述防撞雷达预警装置通信管理模块连接有交通模型库，所述防撞雷达预警装置通信管理模块将数据与所述交通模型库进行对照处理后发送给所述交通数据处理模块，最后所述交通数据处理模块把数据信号传输给所述输出通信模块进行告警。

进一步的，所述射频模块包括振动器、混频器、第一放大器、滤波器、第二放大器、移相器和信号处理单元，振动器以三角波周期Tx连续发射信号，信号的发射频率为对称三角波调制，数个目标的回波信号Rx经由所述阵列天线模块接收，第一放大器将接收到的回波信号Rx放大后传输给混频器，混频器将发射信号和回波信号进行混频并得出差频信号，差频信号经由滤波器、第二放大器、移相器处理后由信号处理单元进行处理。

采用上述技术方案后，本实用新型通过实时检测与识别，进行高分辨率大区域的雷达扫描，能够对雷达检测区域内的各个目标(机动车、非机动车、行人)以及本车进行轨迹预判，进行分析后计算存在危险的指数并进行告警，使防撞预警更加迅速、准确和有效；通过合理的算法与硬件设备配合使用，使雷达***能够全天候、高精度地进行科学、迅速的预警，大大提高了车辆行驶过程中的安全性，有效减少交通事故的发生。

附图说明

图1是大区域高分辨率雷达示意图；

图2是基于多目标轨迹跟踪与预判的早期碰撞预警的示意图；

图3是本实用新型一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置的示意图；

图4是射频模块的示意图。

图5是本实用新型一种应用于城市交通的防撞雷达预警方法的流程图；

图6是雷达扫描示意图；

图7是连续线性调频波原理图；

图8是目标移动时的回波信号示意图；

图9是对离散目标进行跟踪处理的流程示意图；

图10是将离散目标信号写入缓存的示意图；

图11是对当前目标制定目标下一周期预估区域的示意图；

图12是对第二周期离散目标进行跟踪匹配的示意图；

图13是对检测区域内的目标持续跟踪形成轨迹的示意图；

图14是对跟踪到的目标进行早期潜在危险分析的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型采用毫米波作为检测媒介，由于毫米波频段是介于电波和光波之间的特殊频段，具备光学的探测精度和电波的全天候工作特性，其环境适应性以及设备后期维护性要远远优于其他频段的检测设备，同时，防撞雷达预警装置本身由于采用毫米波段，所以天线尺寸很小，防撞雷达预警装置本身也很小，对以后装置在现场施工安装也很方便和简单。

如图3所示，本实用新型一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置的产品硬件模块组成如下：

包括电源***、阵列天线模块、射频模块、雷达数据处理模块、防撞雷达预警装置通信管理模块、交通数据处理器模块、输出通信模块，电源***分别与射频模块、雷达数据处理模块、防撞雷达预警装置通信管理模块、交通数据处理器模块连接并提供相应的电源，阵列天线模块与射频模块发射信号后接收回波信号，经过处理后传输给雷达数据处理模块，雷达数据处理模块连接有检测背景模型库，雷达数据处理模块将数据进行采样处理后将数据写入检测背景模型库中并随时读取相关数据；雷达数据处理模块与防撞雷达预警装置通信管理模块、交通数据处理器模块、输出通信模块依次连接，雷达数据处理模块将数据传输给防撞雷达预警装置通信管理模块，防撞雷达预警装置通信管理模块连接有交通模型库，防撞雷达预警装置通信管理模块将数据与交通模型库进行对照处理后发送给交通数据处理模块，最后交通数据处理模块把数据信号传输给输出通信模块进行告警。

阵列天线模块、射频模块的工作示意如图4所示，射频模块包括振动器、混频器、第一放大器、滤波器、第二放大器、移相器和信号处理单元，振动器以三角波周期Tx连续发射信号，信号的发射频率为对称三角波调制，数个目标的回波信号Rx经由阵列天线模块接收，第一放大器将接收到的回波信号Rx放大后传输给混频器，混频器将发射信号和回波信号进行混频并得出差频信号，差频信号经由滤波器、第二放大器、移相器处理后由信号处理单元进行处理。

如图5所示，本实用新型的使用方法包括以下流程：

第一步：雷达对检测覆盖区域进行扫描，雷达通过一个窄波束在检测区域内进行扫描，扫描示意图如图6所示；

第二步：雷达通过城市交通数据模型对检测环境背景进行学习：采用微波波束调制方式，雷达***采用对称三角波调制，其工作原理如图7所示，发射信号的频率为对称三角波调制，发射信号幅度不变，在一个周期T内，信号的频率为：

$f\left(t\right)=f_0+\frac{\mathrm{\&Delta;}F}{2}+ut,-\frac{T}{2}\&le;t<0;$

因此，在一个周期内，发射信号的上下扫频段可表示为：

其中，A为信号幅度(备注：表示回波的能量值)；f₀为信号有效中心频率；△F为信号有效带宽；u＝2△F/T为调频系数；T为三角波周期；ψ₀为初始相位；在有效的信号周期内，信号回波为：

其中，△T＝2R/C；R为目标距离；C为光速。

在有效信号周期内-(T/2-△T)≤t＜0&△T≤t＜T/2内，将公式2和公式3的瞬时相位相减，可得到发射信号与回波信号混频所得的差频信号的瞬时相位为：

对公式4求导即可得到差频信号频率为：

由公式5可以知道，目标的距离和差频信号频率成正比，因此只要测得输出中频信号的频率，就可以计算出目标的距离，以上为目标静止的情况，若目标以速度为v沿着雷达波束径向运动，将会使雷达回波增加多普勒频移f_d，该多普勒频移使得回波的频率-时间曲线升高或降低，从而导致一部分差频上增加了一个多普勒频移，另一部分差频上减少了一个多普勒频移，目标移动时的回波信号如图8所示。

如果目标临近雷达，则在调频周期内的差频为：

上扫频段；

目标的距离和速度信息则可由公式7与公式8计算得到：

由公式7可见，只要测得输出差频信号的平均频率，即可得到目标距离。如果要测得目标速度，则须分别测得上下扫频段输出的差频信号，如公式8所示。

根据模糊函数推导，三角波调频连续波的距离分辨率和速度分辨率为：

第三步：根据第三步提到的根据差频值计算目标点径向速度与径向距离并计算各个目标的RCS值。

第四步：以雷达为中心点建立坐标系：

其中，设定：

平行于车道水平方向为Y轴方向(正方向为防撞雷达预警装置波束发射方向)；

垂直于车道水平方向为X轴方向(正方向为防撞雷达预警装置波束发射方向)；

防撞雷达预警装置被安装的车辆为坐标系原点O；

已知量：

1.通过防撞雷达预警装置安装时可以测量出的数据：

防撞雷达预警装置安装高度：H_Instan；

防撞雷达预警装置垂直俯仰角度：θ；

防撞雷达预警装置水平偏向角度：α；

2.防撞雷达预警装置工作时输出的数据：

被检测目标距离防撞雷达预警装置的径向距离：D_radial；

被检测目标相对于防撞雷达预警装置的径向速度：V_radial；

被检测目标相对于防撞雷达预警装置的径向加速度：a_radial；

被检测目标相对与防撞雷达预警装置的方位角度(备注：36个波束中哪个波束打中目标)：A_relative；

防撞雷达预警装置在每个输出数据周期为每一个检测目标定义的随机编号：ID_random；

被检测目标的雷达反射截面积值：ID_{random_RCS}；

求：通过以上已知参数计算以下参数：

以本车的雷达坐标点为原点，被检测目标在坐标系中的坐标

(ID_x_X_Coordinate,ID_x_Y_Coordinate)：

目标位于坐标系中X方向坐标值：

ID_x_X_Coordinate＝(D_radial*sinθ)*sin α；……………………公式11

目标位于坐标系中Y方向坐标值：

ID_x_Y_Coordinate＝(D_radial*sinθ)*cos α；……………………公式12

根据实际交通现场信息对车道进行划分：

车道0：0＜Lane0＜Y0；

车道1：0＜Lane1＜Y1；

车道X：0＜LaneX＜YX；

根据某个目标的X方向坐标值可以判定某个目标所在车道。

被检测目标在坐标系中的运动速度(ID_x_X_Velocity，ID_x_Y_Velocity)：

目标位于坐标系中X方向速度值：

ID_x_X_Velocity＝(V_radial*sinθ)*sin α；……………………公式13

目标位于坐标系中Y方向速度值：

ID_x_Y_Velocity＝(V_radial*sinθ)*cos α；……………………公式14

被检测目标在坐标系中的运动速度(ID_x_X_Acceleration,ID_x_Y_Acceleration)：

目标位于坐标系中X方向加速度值：

ID_x_X_Acceleration＝(a_radial*sinθ)*sin α；……………………公式15

目标位于坐标系中Y方向加速度值：

ID_x_Y_Acceleration＝(a_radial*sinθ)*cos d；……………………公式16

根据被检测目标的雷达反射截面积RCS进行目标分类：

通过雷达输出的目标反射截面积判断出目标的长度(Obj_Length)与宽度(Obj_Width)；

第五步：对检测区域内各个离散目标点进行跟踪处理：

如图9所示，对离散目标进行跟踪处理的步骤如下：

步骤一：跟踪起始，在第一个周期将防撞雷达预警装置输出的离散坐标进行录入，图10是将离散目标信号写入缓存的示意图，每个离散目标所具备的信息包含(离散目标的X方向坐标，Y方向坐标，X方向速度，Y方向速度，目标所在车道，目标的车长，目标编号ID)；

步骤二：在第一个周期，针对防撞雷达预警装置输出离散坐标点进行下一周期目标点存在预估区域设定Δi，如图11所示的对当前目标制定目标下一周期预估区域的示意图；

步骤三：在第二个周期，对各个离散点进行目标寻找，将离散的坐标点根据判定要求与现有ID号进行匹配，对第二周期离散目标进行跟踪匹配的示意图如图12所示，匹配成功，将更新现有ID所包含的信息(离散目标的X方向坐标，Y方向坐标，X方向速度，Y方向速度，目标所在车道，目标的车长)：

当两个或者多个目标存在一个预估区域内时，距离此预估区域起始点距离最近的点为此刻目标点，将此坐标点的信息更新给此ID号，一般在城市交通中，假如一个目标的移动速度为120km/h，其轨迹门大小约为1.6米的圆，目标的移动速度为40km/h，其轨迹门大小约为0.5米的圆，这样车辆行驶轨迹被雷达实时捕捉，对检测区域内的目标持续跟踪形成轨迹如图13所示。如果目标离开检测区域，将此目标的ID号信息初始化，此ID号将空闲出来，将给予新进入的离散目标。

通过对防撞雷达预警装置输出的离散坐标进行的跟踪处理，在每个周期(60ms)可以得到检测区域内各个目标(IDx)的坐标信息P(X_i，Y_i)，速度信息(V_x，V_y)，车辆类型信息(大车，小车，行人，摩托车，自行车)信息。

第六步：对跟踪到的目标进行早期潜在危险分析。

根据雷达检测到的目标坐标(X_i，Y_i)，目标的速度坐标(V_x，V_y)，加速度坐标(a_x,a_y)求得在T_m时间后，目标的坐标值(X_i′，Y_i′)。

本车的速度可以根据本车***知道，本车速度为V_本，本车加速度为a；

以本车起始位置作为坐标原点即本车的坐标为(0,0)，

T_m时间后，本车的坐标为(0，Y_车‘)：

T_m时间后，目标的坐标为(X_i‘，Y_i‘)：

根据公式11、公式13、公式15，可求得公式18：

根据公式12，公式14，公式16，可求得公式19：

根据目标的起始坐标(X_i，Y_i)和T_m时间后的坐标(X_i‘，Y_i‘)，可得一线性方程，设目标行驶的线性方程为y＝cx+b：

***对求得的b跟Y_车‘和Y_i‘进行分析，如图14所示。其中(0，b)为目标的行驶方向与本车行驶方向在车道上可能相交的点。先比较Y_i‘和b：

如果Y_i‘＜b，不用担心，此目标不会对本车造成威胁；

如果Y_i‘＞b，此时比较Y_车‘和b：

如果Y_车‘＜b，此目标不会对本车造成威胁，否则，此目标将有可能撞上本车，***进行告警。

相比于传统防撞雷达只能够在单一车道根据目标距离来进行防撞预警，只能应用在环境简单的高速公路上；本实用新型可以应用于交通条件更加复杂的城市交通防撞***，能够对复杂的城市交通中可能出现的机动车、非机动车或行人以及本车的轨迹进行预判，雷达***能够进行全天候、高精度的扫描，安全性好，稳定性高，如图1所示，本实用新型具备大区域、高分辨率雷达扫描，能对潜在的危险进行全方位扫描，而且具备如图2所示的能够基于多目标轨迹跟踪与预判的早期碰撞预警的功能，作为应用于复杂交通状况的主动防撞雷达预警，能够对雷达检测区域内的各个目标(机动车、非机动车&行人)以及本车进行轨迹预判，进行分析后计算存在危险的指数并进行告警。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，其特征在于：所述装置包括电源***、阵列天线模块、射频模块、雷达数据处理模块、防撞雷达预警装置通信管理模块、交通数据处理器模块、输出通信模块，所述电源***分别与所述射频模块、所述雷达数据处理模块、所述防撞雷达预警装置通信管理模块、所述交通数据处理器模块连接并提供相应的电源，所述阵列天线模块与所述射频模块发射信号后接收回波信号，经过处理后传输给所述雷达数据处理模块；所述雷达数据处理模块与所述防撞雷达预警装置通信管理模块、所述交通数据处理器模块、所述输出通信模块依次连接，所述雷达数据处理模块将数据传输给所述防撞雷达预警装置通信管理模块，最后所述交通数据处理模块把数据信号传输给所述输出通信模块进行告警。

2.根据权利要求1所述的一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，其特征在于：所述雷达数据处理模块连接有检测背景模型库，所述雷达数据处理模块将数据进行采样处理后将数据写入所述检测背景模型库中并随时读取相关数据。

3.根据权利要求1所述的一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，其特征在于：所述防撞雷达预警装置通信管理模块连接有交通模型库，所述防撞雷达预警装置通信管理模块将数据与所述交通模型库进行对照处理后发送给所述交通数据处理模块。

4.根据权利要求1所述的一种应用于城市交通的防撞雷达预警装置，其特征在于：所述射频模块包括振动器、混频器、第一放大器、滤波器、第二放大器、移相器和信号处理单元，所述振动器以三角波周期Tx连续发射信号，数个目标的回波信号Rx经由所述阵列天线模块接收，所述第一放大器将接收到的回波信号Rx放大后传输给所述混频器，所述混频器将发射信号和回波信号进行混频并得出差频信号，差频信号经由所述滤波器、第二放大器、所述移相器处理后由所述信号处理单元进行处理。