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                        汽車防碰撞系統雷達設計

                        添加時間:2018/07/28 來源:青島理工大學 作者:趙鍇
                        本文以汽車防碰撞系統的雷達作為主要研究對象,選擇MFSK體制和LFMCW體制兩種毫米波雷達,應用MATLAB軟件建立了汽車防碰撞系統測距測速仿真模型,對單目標和多目標環境下汽車防碰撞系統進行了測距測速仿真。
                          以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          交通事故引發的人員傷亡問題備受人們關注,為減少交通事故的發生,對汽車防碰撞系統的研究意義重大。汽車防碰撞系統可有效提高車輛的主動安全性,預防碰撞事故的發生。論文以汽車防碰撞系統的雷達作為研究對象,主要研究內容如下:

                          首先提出了汽車防碰撞系統的性能要求。通過對比分析毫米波雷達、激光雷達、視覺、超聲波和紅外線傳感器的工作特性,確定了毫米波雷達方案作為汽車防碰撞系統的傳感器,并對毫米波雷達工作過程和結構進行了研究。建立安全距離模型,計算得到防止碰撞的安全距離。

                          然后根據汽車防碰撞系統性能要求,選擇采用調頻連續波雷達,并研究了調頻連續波雷達的工作原理。對 MFSK、LFMCW、FSK、SFCW 四種工作體制測距測速原理進行研究,選擇采用 MFSK 體制和 LFMCW 體制進行仿真試驗。確定了雷達系統的參數后,使用 MATLAB 軟件建立汽車防碰撞雷達系統模型,并分別在單目標和多目標環境下進行仿真,測得目標的距離和相對速度。結果表明雷達參數設置合理,雷達系統設計滿足要求,MFSK 體制測距測速精度和準確率優于LFMCW 體制,確定 MFSK 體制雷達應用于汽車防碰撞系統。

                          最后分析汽車使用環境,確定了汽車防碰撞系統雷達的噪聲主要為高斯白噪聲的特性。依據基本理論,提出小波變換、卡爾曼濾波和經驗模態分解三種去噪算法。使用 ADS 軟件仿真汽車防碰撞系統雷達的含噪中頻信號,應用三種去噪方法進行信號處理,得到去噪后的中頻信號。結果表明小波變換和卡爾曼濾波去噪效果較好,經驗模態分解較差。

                          本文在雷達工作體制和信號去噪方面的研究成果,有利于提高雷達測量目標信息的準確度和速度,提高汽車防碰撞系統工作性能,對基于毫米波雷達的自動駕駛研究也有一定指導意義。

                          關鍵詞:汽車防碰撞系統;雷達;測距測速;信號去噪

                        Abstract

                          The casualties of traffic accident cause people's attention. In order to reduce the occurrence of traffic accidents, the study of automobile anti-collision system is of great significance. Automobile anti-collision system improves vehicle's active safety effectively and prevents the happening of the collision. This paper select automobile anti-collision system radar as the research object, the main research content is as follows:

                          At first, proposing the requirements of automobile anti-collision system performance. By comparing the working characteristic of millimeter wave radar, laser radar, vision, ultrasonic and infrared sensors, using the millimeter wave radar sensor in automobile anti-collision system and researching the and structure of the millimeter wave radar. Safety distance model is established, then obtaining the safety distance through calculating.

                          Secondly, according to the requirements of automobile anti-collision system performances, selecting the frequency modulated continuous wave radar and researching the working principle of frequency modulated continuous wave radar. Researching the ranging principle of MFSK, LFMCW, FSK, SFCW, choosing MFSK and LFMCW.Setting up the radar system parameters, using MATLAB to establish automotive anti-collision radar system model and measuring the distance and relative velocity of the target under the environment of single objective and multi-objective. The results show that the radar parameters and system design meet the requirements.MFSK's precision and accuracy is better than that of LFMCW.

                          Finally, analysis the characteristics of noise in automobile anti-collision system. The main radar noise is Gaussian white noise. Based on basic theory, putting forward the denoising algorithm of wavelet transform and kalman filter and the empirical mode decomposition. Using ADS simulate the intermediate frequency signal in automobile anti-collision system and the using those denoising methods in signal processing. Results show that the effect of wavelet transform and kalman filtering is better than empirical mode decomposition.

                          This paper research the radar system and signal denoising, which improve the accuracy of measurement and the performance of automobile anti-collision system. This paper also in favor of the research of autopilot based on millimeter wave radar.

                          Keywords:automobile anti-collision system, radar, distance and velocity measurement,signal denoising

                          大眾集團推出 Front Assist 城市緊急剎車系統,其工作車速范圍為 0-30km/h,將毫米波雷達集成在車輛頭部車標中,行車電腦根據探測到的車速和車距信息判斷是否有碰撞危險。若有危險車載蜂鳴器會發出聲音提醒駕駛員,駕駛員若沒有及時反應,車輛會自動制動。奧迪汽車公司推出 Audi pre sense front safetysystem,保護車輛行駛中周圍其他交通參與者,檢測汽車前方可能發生追尾碰撞的交通狀況,提供不同級別的響應輔助駕駛員。根據駕駛者反應,該系統采取發出警報、部分制動、全力制動三階段措施,同時可自動開啟危險警告燈、束緊安全帶、關閉車窗以及天窗。該系統可以使汽車碰撞前速度最大降低40km/h,降低 事 故 后果。梅 賽德 斯—奔馳 公司 開發 的預 防性 安全 系統(PRE-SAFE),配備短程、中程、遠程三種雷達以監控車輛前方區域,該預警安全系統的可探知出前方目標的相對速度和距離,根據安全距離判斷危險情況,在事故即將發生時發揮作用,將危險信息顯示給駕駛員并發送到汽車控制系統,可激活執行機構進行剎車輔助操作。奔馳公司經過測試,該系統在車輛時速低于 50km/h 時可以避免車禍發生,車速高于 50km/h 而低于 72km/h 時可以最高降低車禍嚴重程度的 41%。博世集團的預測性緊急制動系統基于智能傳感器技術不斷監視車輛周圍目標,能給提前檢測出潛在的危險情況[7]。在緊急情況時,預測性緊急制動系統會發出警報,必要時系統會自動介入以避免碰撞或緩解事故后果。該系統配備中距離和遠距離雷達傳感器,可確保在惡劣天氣條件下傳感器可以正常工作,通過多傳感器數據融合提高測量的范圍、可靠性和準確性。

                          沃爾沃汽車公司的 City Safety 城市安全系統是一項主動防撞技術,它能夠幫助駕駛員避免城市交通中常見的低速追尾事故。沃爾沃汽車公司預計該系統能夠減少一半的追尾事故,最大程度的減少損失。當車速達到 30Km/h 時系統自動啟動,通過位于車輛前部的雷達系統監視交通狀況,特別是車頭 6m 范圍內的狀況。

                          當檢測到前車制動或有障礙物阻擋本車行駛時,系統發出警報并開始介入制動或控制方向盤。該系統的計算速度可達到每秒 50 次,可根據距離和車速計算出需要制動的時刻。此外,沃爾沃汽車公司還推出 CWAB(Collision Warning withAuto Brake),該系統雷達可探測車輛前方 150 米范圍,最大可能降低碰撞發生時的車速,從而降低事故造成的乘員傷害。兩種系統相互配合,共同構成沃爾沃防碰撞主動安全系統。

                          日產公司推出 NISSAN i-SAFETY 系統,該系統中前方碰撞緊急制動系統可在 10-80km/h 車速范圍內工作,當檢測到碰撞發生的危險時,先會通過儀表盤發出警示圖像和聲音,若駕駛者未采取應對,系統會介入制動,車輛停止后保持靜止狀態 2 秒。富士通與松下合作開發了可檢測行人的 79GHz 頻帶毫米波雷達,能在 0.1 秒時間之內檢測、分辨出車輛前方 40m 以內間隔最小 20cm 的行人和非機動車[8]。該雷達系統采用了 CMOS 技術構成了雷達收發電路,大規模產業化生產可降低很大的成本,可以使更多普通級車輛配備碰撞預警系統,以低成本獲得車輛周圍交通情況。本田汽車公司推出 Honda SENSING 系統,其中包括碰撞緩解制動系統 CMBS(Collision Mitigation Brake System),利用毫米波雷達檢測前方并自動剎車以降低因駕駛員注意力不集中發生的碰撞事故幾率,車速小于 30km/h 時可自動制動到車輛靜止。豐田汽車公司、電裝株式會社以及三菱汽車公司三家公司聯合開發先進雷達技術,在世界范圍內率先推出采用相控陣技術的電子掃描式毫米波雷達。該型號汽車用雷達具有結構緊湊,抗干擾性好的優勢,采用調頻連續波測距方式,具備很好的目標識別性能。馬自達汽車公司的 i-ACTIVENSE 是一套整合式的智能安全輔助系統,可為駕駛者提供行車輔助信息,一定程度的降低交通事故風險,保護車內乘員的生命安全,全面提升汽車的主動安全性。該主動安全系統包含 SCBS(Smart City Brake Support)和SBS(Smart Brake Support)兩個子系統,分別作為低速和中高速剎車輔助系統。

                          在車輛前部安裝毫波雷達和攝像頭等傳感器,偵測前方障礙車輛或其他物體,先以燈光和聲音警示駕駛員,以輔助駕駛員正確認知危險而提早作出反應,若駕駛員無反應措施則系統剎車自動防御,避免或減輕碰撞的傷害。豐田汽車公司于 2015 年在日本市場推出 Toyota Safety Sense(TSS)規避碰撞輔助套裝,分為 TSS-C 和 TSS-P 兩個版本,區別在于 TSS-P 相對于 TSS-C 增加行人預防碰撞和動態雷達巡航功能。TSS-P 采用毫米波雷達和攝像頭傳感器組合,TSS-C 采用紅外激光雷達和攝像頭組合,該系統工作車速區間為 15-180km/h,且需滿足與前車速度差至少為 15km/h。當與前車速度差大于 30km/h 時,該系統會提供輔助制動力。

                          通用汽車公司的 CMB/CMS 碰撞緩解主動剎車系統,能夠本車道內前方目標車輛,當本車與其他車輛碰撞預計時間小于 2 秒,系統發出警報,當駕駛員沒有進行制動且本車與其他車輛預計碰撞時間小于 0.5 秒,系統自動剎車以避免或減輕碰撞傷害。福特汽車公司開發了 ACS(Adaptive City Stop)汽車防碰撞系統,該系統主要針對低速城市道路下的追尾碰撞事故,在車速小于 30km/h 自動運行保障車輛主動安全,當車速小于 15km/h 時可避免碰撞的發生。該系統采用激光雷達傳感器,安裝于車輛前風擋玻璃處,能夠探測車輛前方 10 米左右的障礙物,并且可探測多個目標,在儀表臺顯示目標距離信息,距離過近時發出警報聲,當偵測到將要碰撞時系統會介入制動。此外,ACS 系統可調節靈敏度,避免在城市擁堵路況下系統過多介入制動而影響正常駕駛。德爾福派克電氣公司研發的電子掃描雷達模塊,采用了目前國際普遍的 76GHz 頻率,其掃描距離遠,角度覆蓋范圍寬廣,可同時掃描多達 64 個目標[10]。該雷達模塊可探測前方目標的狀態,對于不同的目標,系統會根據相對距離與駕駛員反應時間,對發生碰撞的可能性進行估計,并將信息傳達給駕駛員。在車輛有碰撞危險時,通過燈光閃爍和制造報警聲音提醒駕駛員采取措施,如果駕駛員沒有及時采取有效措施解除碰撞危險,緊急自動剎車系統(AB)和剎車輔助(ABA)系統會啟動控制車輛以避免碰撞發生或者減輕碰撞所造成的后果。

                          河南護航實業有限公司研發的智能緊急剎車系統可在時速 3-120km/h 范圍內實現主動防撞功能,可有效降低 80%事故率。江蘇賽博電子有限公司開發的汽車防碰撞系統,雷達工作頻率為 38GHz,可對車輛前方運動或靜止的物體進行探測,能夠獲取到多達 20 個目標的信息,精度可達 0.5m,并且可以判斷出潛在的危險并發出警報[11]。中國科學院上海微系統與信息技術研究所開發的SAE100 型毫米波防撞雷達系統成為我國車用雷達研究的先驅。該防撞雷達系統采用三角波調制的線性調頻連續波 LFMCW 體制的工作方式,其雷達工作頻率為 35GHz ,信號處理部分采用 DSP 芯片,抗干擾性能良好,具備遠距離探測能力,測距范圍大于 100m,能夠檢測車輛前方速度小于 100km/h 的單一障礙物目標,并能根據障礙物的危險程度進行報警[12]。中國科學院上海微系統與信息技術研究所又成功研制出擁有自主知識產權的小型防撞雷達系統,其雷達前端芯片為首款國產雷達前端芯片,為國內汽車防碰撞系統用雷達的研究和發展奠定了良好基礎。清華大學智能交通信息系統實驗室針對交通系統中碰撞問題,以改善交通安全為目標,綜合運用信息處理、通信、控制和計算機等先進技術,在統計信號和實時信號處理方面展開研究,研發車輛智能防撞系統。華中科技大學研制出一種應用于汽車防碰撞系統的雷達,采用工作體制為線性調頻連續波類型的毫米波雷達,使用 32 位單片機進行控制[13]。上海交通大學卓斌教授帶領的研究團隊提出了一套基于毫米波雷達的智能車路協同主動安全系統,它綜合分析雷達數據和周邊環境信息,通過數據融合技術為駕駛員提供行車安全信息。此外,國內的很多高校例如國防科技大學、吉林大學、北京理工大學、重慶大學、長安大學、同濟大學等也進行了汽車防碰撞系統方面的研究。

                          我國在汽車防碰撞系統的研究上起步較晚,與國外發達國家相比存在一定的差距。對汽車碰撞系統的研究主要集中在各大高校和科研院所,水平停留在試驗階段,沒有商業化大規模生產的產品。目前汽車防碰撞系統還存在雷達誤報警率高,抗干擾能力差等問題,車載雷達傳感器性能仍需提高,對雷達信號處理的優化研究十分必要。

                          對雷達系統信號處理的研究早期主要集中于設計雷達接收機以盡可能的使雷達的脈沖或連續波信號的信噪比達到最佳。North 應用他的研究成果匹配濾波器理論,大幅度提高了雷達信號的檢測性能[14]。Woodward 應用 Shannon 提出的基礎信息論進行雷達信號處理形成了經典雷達檢測理論,從而推動了最佳準則檢測方法的發展[15];之后,Woodward 又提出了波形設計概念和雷達模糊原理,發表于他的著作《概率論和信息論在雷達中的應用》中,該書為雷達系統的后續研究奠定了堅實基礎,對進一步促進發展雷達信號處理理論意義重大。為了提高雷達性能,雷達的發射信號改為使用線性調頻脈沖信號,代替了傳統的簡單脈沖信號,這項改進使得雷達系統獲得了更為準確測得相對距離、速度數值信息和提高了相對距離、速度識別分辨率。相位編碼的脈沖壓縮技術也得到了較快發展和成功應用。雷達信號處理成為一門獨立學科,吸引大量科研工作者投入研究[16]。

                          數字技術的發展推動了雷達信號處理學科中出現了數字信號處理新方法并且進入實際運用。數字信號處理代表性方法為快速傅立葉變換(Fast FourierTransform, FFT)?焖俑盗⑷~變換方法是一種快速算法,該方法改進了離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform, DFT),從而減少了計算量。采用快速傅立葉變換方法進行雷達信號處理,憑借計算量小的優勢可以提高響應速度,從而提高雷達系統的性能,快速傅立葉變換法成為雷達信號處理的常用方法[17]。

                          因快速傅立葉變換算法本身存在的特定缺陷,普通的快速傅立葉算法無法滿足一些雷達系統的信號處理要求,使用者對雷達系統性能的要求不斷提高,快速傅立葉變換算法計算量與計算精度之間存在的矛盾在高性能雷達系統中尤為突出[18]。因此研究者們對傳統的快速傅立葉變換開展了改進研究工作,快速傅立葉變換算法得到進一步發展以滿足更高要求的雷達系統信號處理的需要[19]。從傳統快速傅立葉變換算法的算法、計算量以及計算精度三個方面進行研究改進,出現了比較多的新改進方法例如結合拉普拉斯反變換的快速傅立葉變換算法、自適應快速傅立葉變換算法、經典 Zoom-FFT 算法和自適應 Zoom-FFT 頻域細化算法等[20]。對改進快速傅立葉變換算法研究的同時,研究者們在其他類型算法的研究上也取得了突破性成果,以最大嫡法和譜估計法(Multiple Signal Classification,MUSIC) 法為代表。J.P. Berg 提出了最大嫡譜估計法,采用的是自相關函數的最大嫡延拓原理,按最大嫡原則對未知延遲點上的自相關函數進行外推計算[21]。

                          最大嫡法大大提高了雷達系統信號的分辨率,最大嫡法不需要對數據加窗,在處理高信噪比的信號時沒有譜旁瓣的影響,這兩個特性使得最大嫡法相比快速傅立葉變換方法優勢顯著。R. O. Schmidt 提出譜估計 MUSIC 算法。譜估計法將雷達系統的觀測信號視為由噪聲和有用信號共同作用,把觀測空間分解為噪聲子空間和信號子空間,根據子空間的正交性構造代價函數,譜估計法基于矩陣特征分解進行計算[22]。MUSIC 算法能夠更突出信號的主峰,整體更光滑,MUSIC算法對常見的諧波信號參數估計都適用,不同的信噪比下的信號處理結果基本一致[23]。

                          小波分析開辟了新的數學發展領域,數學理論研究價值深刻,工程應用范圍廣闊,特別在信號去噪方面優勢巨大,具有理論和實踐雙重意義。研究者們一直在對小波進行深入研究,小波分析逐漸建立起完善的數學體系和深厚的理論基礎。小波分析理論的研究與其實際應用過程聯系緊密,理論和應用相互促進發展,小波分析在諸多科學、工程領域得到廣泛應用,取得了顯著的成果。

                          小波分析具有時間平移和多尺度分辨率的特點,可同時進行時頻分析[24]。小波分析與傅里葉變換相比,小波分析在時域和頻域上都是局部變換,而傅立葉變換只在頻域上是局部的。短時距傅里葉變換(Shot-time Fourier Transform, STFT)雖然時域和頻域都是局部化的,但頻率和時間的分辨率存在問題,而小波能夠通過多分辨率分析給出更好的信號的表示,對信號進行多尺度細化分析,從而更為有效地從信號中提取有用信息。傅立葉變換在處理實際非穩定信號時效果較差,其優勢在于處理性質隨時間穩定不變的信號。小波分析是傅里葉變換的一種改進,能夠有效處理許多傅里葉變換難以解決的問題,小波分析在雷達信號處理領域發揮著十分重要的作用[25]。

                          汽車防碰撞系統雷達設計系統模擬:

                        汽車防碰撞系統測距測速仿真模型
                        汽車防碰撞系統測距測速仿真模型

                        MFSK 體制信號處理子系統
                        MFSK 體制信號處理子系統

                        Car 模塊子系統
                        Car 模塊子系統

                        LFMCW 體制信號處理子系統
                        LFMCW 體制信號處理子系統

                        MFSK 體制雷達多目標測距測速仿真模型
                        MFSK 體制雷達多目標測距測速仿真模型

                        汽車防碰撞裝雷達系統仿真模型
                        汽車防碰撞裝雷達系統仿真模型

                        含噪中頻信號的小波變換去噪結果
                        含噪中頻信號的小波變換去噪結果

                        經驗模態分解各階 IFM 分量
                        經驗模態分解各階 IFM 分量

                        目 錄

                          摘要
                          Abstract
                          第 1 章 緒論
                            1.1 研究背景、意義和目的
                              1.1.1 研究背景
                              1.1.2 研究意義
                              1.1.3 研究目的
                            1.2 研究現狀
                            1.3 主要研究內容及章節安排
                          第 2 章 汽車防碰撞系統傳感器研究
                            2.1 汽車防碰撞系統傳感器性能要求
                            2.2 汽車防碰撞系統傳感器方案
                              2.2.1 毫米波雷達傳感器
                              2.2.2 視覺傳感器
                              2.2.3 超聲波傳感器
                              2.2.4 紅外線傳感器
                              2.2.5 激光雷達傳感器
                            2.3 雷達傳感器工作過程與結構
                            2.4 安全距離模型
                            2.5 本章小節
                          第 3 章 汽車防碰撞系統雷達工作體制
                            3.1 雷達類型選擇
                            3.2 調頻連續波雷達工作原理
                            3.3 調頻連續波雷達測速測距原理
                              3.3.1 頻移鍵控體制測速測距原理
                              3.3.2 線性調頻連續波測速測距原理
                              3.3.3 步進調頻連續波體制測速測距原理
                              3.3.4 多頻移鍵控體制測速測距原理
                            3.4 雷達工作體制選擇
                            3.5 本章小結
                          第 4 章 汽車防碰撞系統雷達信號去噪方法
                            4.1 雷達信號去噪概述
                            4.2 小波變換
                              4.2.1 小波變換基本原理
                              4.2.2 小波閾值去噪算法
                            4.3 卡爾曼濾波
                              4.3.1 卡爾曼濾波理論基礎
                              4.3.2 卡爾曼濾波基本算法
                              4.3.3 卡爾曼濾波去噪算法
                            4.4 經驗模態分解
                              4.4.1 經驗模態分解原理
                              4.4.2 經驗模態分解去噪算法
                            4.5 本章小節
                          第 5 章 汽車防碰撞雷達系統仿真
                            5.1 雷達參數選擇
                            5.2 汽車防碰撞系統測距測速仿真
                              5.2.1 單目標測距測速仿真
                              5.2.2 多目標測距測速仿真
                              5.2.3 仿真結果分析
                            5.3 汽車防碰撞系統雷達中頻信號去噪仿真
                              5.3.1 小波變換去噪仿真
                              5.3.2 卡爾曼濾波去噪仿真
                              5.3.3 經驗模態分解去噪仿真
                              5.3.4 去噪仿真結果分析
                            5.4 本章小結
                          第 6 章 結論與展望
                            6.1 結論
                            6.2 工作展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士學位期間論文發表及科研情況
                          致 謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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