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[应用相关] 基于FMCW雷达的汽车主动防撞预警系统研究

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 楼主 | 2019-4-20 14:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
    近几年,我国汽车保有量急剧增加,虽然汽车方便了人们的出行,但也带来了很
多的交通事故,威肋、到人们的安全。由于汽车车身结构的限制,导致驾驶员在汽车中
存在很多视野盲区,驾驶员不易观测到或者经常忽略了汽车盲区内的行人或者障碍物,
从而容易导致交通事故。本文针对这种情况提出一种解决这一问题的汽车防撞预警系
统。
    本文主要针对汽车立柱造成视觉盲区这种情况,提出采用毫米波雷达来检测视觉
盲区内的障碍物。当前主要采用超声波传感器来实现这种检测。但超声波的测量距离
很短,在很多情况下无法有效检测到障碍物。本文拟采用具有一定检钡(距离的毫米波
雷达来解决这一视觉盲区内障碍物检测的问题。当实际检测到车辆与障碍物的距离小
于设定的报警距离时,系统将根据报警策略由报警模块发出预警信号,驾驶员收到报
警信息后可进行避让等操作,从而大大降低了发生事故的风险。为了兼顾研发的防撞
预警系统的性价比和在近距离与较远距离下对障碍物均具有较高的检测精度,本文选
用性价比较高的近程雷达传感器K-LC2,并结合超声波传感器来对目标距离进行测量。
选用带FPU的STM32F429作为系统的主控芯片来运行信号处理算法以及对系统进行
控制。通过设计的滤波电路和自适应增益控制电路来对毫米波雷达输出的中频信号进
行处理,使系统更加稳定。通过研究FFT等信号处理算法来对处理后的中频信号进行
数字信号处理,得到目标的距离和速度信息。并通过数据融合算法,将其与超声波传
感器的测量数据进行有效的融合。
    经过测试,本系统的测量距离可达20米,测量精度也较高,比单用超声波传感器
方案的预警距离要远得多,使预警更加有效;同时在近距离的测量分辨率也较高,弥
卒「了毫米波雷达近距离测量存在盲区,无法识别目标的缺点。


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 楼主 | 2019-4-20 14:33 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:34 | 显示全部楼层
    日本丰田公司早在1997年就在其豪华轿车上安装了车载雷达巡航系统。德国是汽
车大国,而其在汽车雷达方面的研究也处在世界领先的地位。德国大众汽车公司早在
2011年就在其高端车型上装有变道辅助雷达系统。此外德国的Bosh和Innosent等公司
也都在积极地研究汽车防撞雷达,并且己经有了非常成熟的产品。后来,美国福特推
出了较为成功的汽车雷达防撞系统,该系统是基于毫米波体制,其工作频率为24GHz,
测量距离可达上百米[[5]。美国的其他一些公司也相继退出了成功的代表作品,汽车防撞
雷达在美国有了更好的普及。而更有报道称美国计划在2020年后所有生产的新车上都
要有高级驾驶辅助系统(ADAS ) }6} o
    目前汽车防撞雷达的体制主要有超声波、激光、红外和毫米波。而毫米波雷达因
为其抗干扰能力强,稳定性高等优点被各大汽车厂商看好。现在国内外的专家己经将
精力主要放在毫米波雷达的研究和应用上[f}l0

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 楼主 | 2019-4-20 14:34 | 显示全部楼层
    毫米波汽车防撞雷达的研究在我国相比于以上发达国家来说处在一个相对落后的
阶段。由于毫米波雷达的技术壁垒较高,基于毫米波雷达的ADAS(高级驾驶辅助系
统)技术主要由国外的传统零部件巨头所垄断[fgl。但近年来,相关技术也取得了一些比
较好的研究成果。在24GHz雷达方面,国内少数企业研发己有成果,市场化产品即将
问世;但在77GHz毫米波雷达方面仍属于初级阶段,国内只有极少数企业能做到77GHz
雷达的样机阶段,产业化进程仍待突破。厦门意行半导体己独立开发多款具有自主知
识产权的毫米波集成电路,具有自主知识产权的SG24T1等LVIIVIIC套片己经被国内整
车厂、智能交通等行业领导企业应用。

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 楼主 | 2019-4-20 14:35 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:35 | 显示全部楼层
    本文针对汽车防撞雷达系统之一的盲区检测雷达进行了深入的研究,设计并实现
了一套汽车盲区防撞预警系统。论文从系统原理、硬件架构、后端信号处理算法等方
面进行深入研究。提出采用多种传感器方法,来实现优势互补,使系统更加可靠,同
时又降低了系统成本,更具实用价值。
    第一章:主要介绍了汽车防撞雷达系统的研究背景和意义、国内外的研究现状和
发展、汽车立柱盲区、给出盲区防撞检测雷达系统的背景知识和本文的研究内容与章
节安排简介。
    第二章:对不同的汽车防撞雷达体制进行了对比分析,并且着重介绍了毫米波雷
达的钡(距原理及其测量精度、超声波钡(距原理及其精度。考虑到市面上的毫米波雷达
传感器的带宽有限,若使用高带宽的传感器其价格相当昂贵,这种传感器通常只用在
汽车前雷达的避障当中,如使用在盲区检测当中性价比太低,实用价值并不高。所以
最终提出使用毫米波+超声波联合测距的方案来实现汽车盲区防撞预警系统。
    第三章:介绍了防撞系统硬件电路设计。包括主控最小系统、外扩存储器设计、
中频信号处理电路、三角波的产生、超声波测距单元等。着重介绍了毫米波雷达系统
中频信号处理电路,通过滤波、自动增益控制电路来降低系统噪声,使输出稳定。
    第四章:设计了防撞预警系统的信号处理算法,介绍了毫米波雷达的数字信号处
理算法。介绍了通过恒虚警算法来动态调整预警门限,抑制了噪声,降低了系统的虚
警率。并通过自适应加权算法,将两种传感器的数据进行融合。
    第五章:实验测试和结果分析。对硬件进行了测试,设计了相关试验来检测汽车
防撞预警系统性能,并对试验数据进行了相应结果分析。
    最后的总结与展望部分,对本文的主要工作做了总结,并对后续的研究提出了一
些建议。

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 楼主 | 2019-4-20 14:36 | 显示全部楼层
    在过去近半个世纪,以德国、日本和美为代表的一些国家的研究人员试着将不同
的技术应用到汽车防撞的设计中。早期多使用激光、超声波测距雷达和红外技术,随
着技术的发展和一些新技术的兴起,现在又出现了采用毫米波雷达和视频技术等来达
到汽车防撞的目的[[15]。但不同的雷达体制都有各自不同的优势和缺点,通常需要根据
雷达应用背景、系统性能指标和当前相关学科的研究进展来选取不同的雷达体制。各
种体制雷达的主要特点如表2-1所示:
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 楼主 | 2019-4-20 14:37 | 显示全部楼层
    激光具有高方向性、单色性和相干性好等特点,其波束比较窄,接近直线,波束
能量集中,因此传输距离较远。激光雷达利用激光的这些特性,通过发射激光束来测
量目标的速度、距离等特征量。通过这些信息达到对目标进行探测、跟踪和识别的目
的。在汽车领域的激光测距系统主要分为非成像式和成像式激光雷达。非成像式通过
激光束的飞行时间来测量距离。而成像式又可分为扫描和非扫描两种,扫描式将激光
雷达和光学扫描镜相结合,扫描镜通过控制激光对视场进行逐点扫描来获得目标的三
维信息。非扫描式则是通过激光分束系统将激光分为多束后沿不同方向发射出去,这
样可以大大减少激光雷达的测点数目,从而提高了三维成像的速度。但激光雷达受天
气条件的影响较大,在晴天里其衰减较小,但如果换做大雨、浓烟、大雾等恶劣天气
下,其强度会受到很大的衰减,传播距离也会大受影响。而由于大气环流的作用,激
光的光束也会发生畸变和抖动,从而降低激光雷达的测量精度【i6}}m}0
    近些年,由于图像处理技术的发展,通过视频图像处理技术来进行汽车防撞系统
设计也成为热点。系统通过图像传感器获取目标的图像信息,然后通过一些图像处理
的算法对图像数据进行分析来达到对目标识别的目的【is}}m}。现在其应用较多的场景为
倒车影像,但这种方式较为被动,还是需要通过人眼来判断目标,只是把图像传到人
眼方便看到的视野范围内。且图像方式的探钡(距离较短,其受天气影响也较大,而且
在黑暗环境下无法正常工作。无法满足汽车雷达全天候的要求。
    超声波是一种机械波,其频率大于人耳能听到的20KHz,其传播方向性较好,能
量衰减也相对缓慢,能在介质中传播一定的距离。超声波测距系统通过测量发射波和
回波的时间差来达到距离测量的目的。超声波检测的实现比较简单,己经在工业和移
动机器人领域的到了广泛的应用,在汽车上多用于倒车雷达。其缺点在于,由于其传
播速度受到温度的影响较大,因此不同的环境会影响到其测量的精度。对于距离较远
的物体,由于在其传播路径上存在诸多干扰,往往测量的误差比较大,甚至由于回波
信号非常微弱己经无法测量[faolfail。通常其测量范围在5米以内。但超声波测距在近距
离测量时的精度较高,所以也有很好的应用前景。
    红外是人眼看不到的光,其波长比可见光要长。测量的原理和超声波类似,都是
通过测量发射和回波信号的时间差来达到距离测量的目的。其系统容易实现,但测量
精度和范围同样受到天气的影响,且几乎无法测量黑色物体。所以不太适合用在汽车
防撞这一应用场景上[f2210
    毫米波雷达以前多用于军事领域,之所以称其为毫米波雷达是因为其发射的信号
在毫米波波段上,毫米波雷达的信号波长一般为几毫米左右。它克服了其它几种测量
方式的缺点,拥有非常好的应用前景。国内外也正对其展开更加深入的研究。毫米波
雷达的测距性能和测距精度非常稳定,且拥有很高的距离分辨率,因此在汽车防撞雷
达方面有很广泛的应用。它不受目标物体的颜色和形状的影响;对大气环流运动也有
较强的适应性,其雷达天线不会因为灰尘的覆盖,测量距离受到较大的影响。也不会
受到天气条件的影响,雨天和大雾等不良天气对其测量结果几乎不会造成什么影响。
且毫米波雷达的测量距离也较大,用于汽车前雷达的毫米波雷达通常可以达到上百米
以上,这是超声波和红外技术不能比的[[23] [24]。另外由于半导体器件的不断发展,毫米
波器件在性能方面也有很大的提升。现在的毫米波器件拥有更大的带宽,低功耗和低
噪声的性能,且尺寸也在不断减小,现在长距离的毫米波雷达的体积只在10平方厘米
以内,而短距离的毫米波雷达体积能做到只有硬币大小。这使其可以很方便地安装在
汽车上而又不影响汽车外形的美观。毫米波雷达的这些特性让其在ADAS和自动驾驶
领域也有这举足轻重的地位,成为汽车智能化中不可或缺的一部分。

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 楼主 | 2019-4-20 14:37 | 显示全部楼层
    雷达对目标距离的测量是利用发射波与回波的时间差来计算的。而与目标之间的
相对运动速度是通过多普勒效应来测量的。
    24GHz雷达首先通过射频前端向目标物体发射FMCW(调频连续波),然后接收
被目标物体反射回来的信号。通过调制电压来控制雷达发射的频率。调制信号输入射
频前端的压控振荡器输入端,通常输入三角波或锯齿波。由于锯齿波调制只能测量距
离,而三角波可以同时测量距离和速度[[25]。所以本系统采用三角波对毫米波雷达进行
调制。调频连续波雷达发射信号与接收信号的时间相关曲线如图2.1所示,实线为发射
信号虚线为叠加后的反射信号。
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 楼主 | 2019-4-20 14:38 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:38 | 显示全部楼层
    毫米波雷达的优势在于不受天气条件,温度的影响,且测量距离大;缺点在于近
距离测距时的误差较大,无法有效识别目标。而超声波的优势在于近距离测量时精度
较高,可以达到1厘米左右;其缺点在于测量距离太短,最大测量距离在5米左右,
且其测量精度受温度影响较大。本文通过同时使用两种测量体制,充分利用了两种传
感器的优势,利用自适应加权算法将两种数据融合,使系统的测量更加稳定可靠。使
系统在成本较低的同时,又能有很好的性能,这种方案比单独使用毫米波雷达的方案
价格更低,更有市场价值。

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 楼主 | 2019-4-20 14:39 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:40 | 显示全部楼层
    本文采用的是K-LC2雷达传感器,为24GHz K波段小型I/Q收发器。该传感器的
扫频带宽可达140MHz,输出功率为15dbm EIRP。且非常小巧,传感器尺寸仅为25*25*6
毫米。有着出色的噪声消除能力[}as},其引脚功能说明如表3-10射频前端工作原理如图
3.3所示,压控振荡器根据三角波调制信号相应地产生频率变化的调频连续波;VCO
输出的己调信号一分为二:一部分作为发射信号由发射天线向外发射出去;另一部分
经90度功分器分为同相/正交两路进入混频器,作为解调的本振信号,与接收信号进行
混频,输出两路相位相差90度的差频信号I/Q o IF输出阻抗为50欧姆。毫米波射频前
端的实物图如图3.40

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 楼主 | 2019-4-20 14:40 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:40 | 显示全部楼层
    由于射频前端需要通过三角波调制信号输入压控振荡器输入端,导致输出信号中
混有调制三角波信号。所以需要先通过滤波器将该信号滤除,再进行放大。滤波器一
般分为有源滤波和无源滤波[}2}},有源滤波与无源滤波相比,可以不使用电感而实现任
何响应,并且避免了棘手的磁泄漏问题,不需要磁屏蔽。其次因为引进了放大器,相
比于无源滤波可以做到带通内的信号不仅没有能量损耗,而且还可以放大信号,负载
效应不明显,多级相连时相互影响很小,利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器。
构建上,采用通用标准器件可以很容易地进行组装,体积小,重量轻。所以本文选择
有源滤波的方式进行高通滤波器的设计。设计了无限增益多路反馈高通滤波器,其具
有低成本、Q值高及增益高等特点。其电路拓扑结构图如图3.4所示。

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 楼主 | 2019-4-20 14:41 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:41 | 显示全部楼层
    自动增益控制可以在给定的输入信号变化范围内保持输出信号幅度稳定,它是一
个自适应反馈系统,这里输出信号被反馈回了输入端来控制增益,确保在给定动态范
围内输出信号的幅度稳定,本质上而言是一个反馈系统。由于无线电信号传播效应和
目标物距离等原因,接收机接收到的信号会在一个宽范围内变化,而系统不允许接收
机的信号也同时以同样的方式发生变化,这就是AGC电路发挥作用的应用场合之一。
    图3.7所示为AGC电路的工作原理框图,输入信号首先被加到可变增益放大器,
可变增益放大器的输出被加到反馈环路中的幅度检测电路,幅度检测电路的功能是转
变来自可变增益放大器的输出信号为一个可以反映输入信号幅度的DC信号。

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 楼主 | 2019-4-20 14:42 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:42 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2019-4-20 14:42 | 显示全部楼层
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