基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)

石廣洋，張來紅，歐陽東哲，劉 超，黃國鵬

（1.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000；2.北京中礦華沃科技股份有限公司，北京 100000）

露天煤礦環(huán)境下，已在運(yùn)輸車輛、工程機(jī)械上安裝了防撞預(yù)警、抗疲勞預(yù)警、盲區(qū)監(jiān)測、安全帶監(jiān)測以及毫米波雷達(dá)自動剎車等系統(tǒng)。目前，我國企業(yè)信息化程度較低，部分系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)被市場所淘汰。在車輛安全輔助系統(tǒng)中存在著大量的主機(jī)和顯示屏，會對駕駛員的駕駛體驗(yàn)產(chǎn)生直接的影響。因此，解決煤礦信息化建設(shè)中存在的問題，是煤礦信息化建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。為此，露天礦山規(guī)劃了車輛安全輔助系統(tǒng)的整合與更新。目前，文獻(xiàn)[1]提出的多目標(biāo)捕獲算法的防撞自動剎車系統(tǒng)，在規(guī)定剎車制動空間內(nèi)，設(shè)置輔助權(quán)限參數(shù)，簡化制動助力器，獲取不同工況下的助力值。同時(shí)，結(jié)合多目標(biāo)捕獲算法捕獲障礙物，完成自動剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[2]提出的基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統(tǒng)，首先將車輛行駛過程描述為一個(gè)時(shí)間序列過程，借助隱馬爾科夫模型構(gòu)建駕駛?cè)笋{駛意圖與車輛相對行駛狀態(tài)序列之間的隱含關(guān)系模型，并結(jié)合避障預(yù)警算法，完成防撞自動剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，上述兩種方法對復(fù)雜目標(biāo)識別結(jié)果不精準(zhǔn)，導(dǎo)致剎車效果不佳，為此，提出了基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究并升級了原有的露天礦區(qū)卡車上的自動剎車系統(tǒng)主機(jī)，并在主機(jī)上添加毫米波雷達(dá)傳感器，通過主機(jī)對各種安全信息進(jìn)行全面地研究和判斷，從而形成一個(gè)完整的車輛防撞自動剎車系統(tǒng)。

露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，利用毫米波雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)了對前方目標(biāo)的準(zhǔn)確定位與識別。通過CAN 總線將自動機(jī)和目標(biāo)行為的信息傳遞給車輛防撞系統(tǒng)規(guī)避控制模塊。在采集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將信號輸入至防撞系統(tǒng)規(guī)避控制模塊，對被測對象的危險(xiǎn)程度進(jìn)行分級[3-5]。通過對不同危險(xiǎn)程度的分析，可以對操作者進(jìn)行三種不同程度的危險(xiǎn)指示，對操作者進(jìn)行警告和幫助，使其能夠正確地進(jìn)行駕駛，以保證行車安全[6]。

1.1 毫米波雷達(dá)傳感器

毫米波雷達(dá)傳感器是一種傳感元件，該元件的毫米波波長介于光波與厘米波之間，具有易集成和空間分辨率較高的特點(diǎn)[7]。毫米波雷達(dá)的抗干擾性優(yōu)于相機(jī)、紅外和激光等，圖2 中顯示了毫米波雷達(dá)傳感器的構(gòu)造。

圖2 毫米波雷達(dá)傳感器結(jié)構(gòu)

由圖2 可知，雷達(dá)傳感器包括射頻、接收機(jī)和各個(gè)傳感器，在天線的設(shè)計(jì)上，盡量保證波束寬度，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備的實(shí)時(shí)同步。由于低頻率成分所引起的噪音會使弱回波信號被掩蓋，從而成為影響雷達(dá)探測范圍的重要因素[8-10]，所以要盡量減少噪音參數(shù)。

1.2 集成顯示器

卡車駕駛室的防撞屏、盲區(qū)監(jiān)測顯示系統(tǒng)包括多個(gè)顯示器，大量的顯示器占據(jù)較大的空間，大多數(shù)都是8 寸的普通顯示器，顯得雜亂無序[11]。此外，顯示屏的背光在夜晚也會對司機(jī)的視覺產(chǎn)生一定的影響。為此開發(fā)了汽車工業(yè)級多用途電容式觸摸屏，并將其屏幕提升到10.1寸，其可以顯示所有的安全影像，如防撞警告、毫米波雷達(dá)制動、360 度全景影像、右前、右前盲區(qū)監(jiān)控和識別、駕駛員行為分析、駕駛室視頻監(jiān)控等[12]。每一個(gè)功能模塊都會根據(jù)警報(bào)的情況自動進(jìn)行屏幕的切換和彈出，本機(jī)采用感光元件，可根據(jù)周圍環(huán)境的不同而自動調(diào)整其背光源以及外置揚(yáng)聲器，工作溫度通常設(shè)置為-40～75 ℃；采用工業(yè)設(shè)計(jì)航空插頭，其具有防塵、防水的功能；顯示屏上有多功能按鍵以及開關(guān)按鈕。機(jī)箱由鋁合金與鋼板組成，安裝方式為臺式及吊起方式[13]。

1.3 360度全景影像監(jiān)控

該系統(tǒng)采用4-6 個(gè)超高分辨率的夜視攝像機(jī)，對電鏟和其他主要采掘設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。圖像處理機(jī)經(jīng)過變形校正、透視變換、圖像拼接等技術(shù)，最后形成360 度立體影像，并在顯示屏上顯示，實(shí)現(xiàn)360 度全方位的駕駛輔助功能[14]。對電鏟進(jìn)行戶外監(jiān)控，并在電鏟左邊較大的死角處增加了一個(gè)雙方向的防爆照相機(jī)和一個(gè)照明充電器。

1.4 RTK北斗定位模塊

原卡車和工程機(jī)械防撞預(yù)警系統(tǒng)的定位模組精度一般，準(zhǔn)確率在±2.5 m 左右。該研究對原卡車、工程機(jī)械防撞預(yù)警系統(tǒng)的定位和天線進(jìn)行了改造，采用了高精度RTK 北斗定位模塊，并在電鏟上加裝了高精度定位模塊，實(shí)現(xiàn)了三維精準(zhǔn)定位。通過精準(zhǔn)定位，能夠精確地分辨出卡車所處臺階，防止車輛在不同的臺階間出現(xiàn)車輛誤報(bào)警，從而達(dá)到精確報(bào)警[15]。

高精度的定位模塊是實(shí)現(xiàn)露天礦區(qū)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，若在后期實(shí)現(xiàn)貨車裝載定位，則不需要額外的硬件費(fèi)用。只有在主要礦用設(shè)備的車載終端上配置對應(yīng)的定位系統(tǒng)軟件，才能達(dá)到裝載對齊的作用。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 防撞預(yù)警自動剎車聯(lián)動決策算法

通過對已有的碰撞預(yù)警與毫米波雷達(dá)自動剎車系統(tǒng)進(jìn)行分析，在保證其基本性能的基礎(chǔ)上，通過對多個(gè)傳感器的多個(gè)信息進(jìn)行分析與評估，可將其與自動剎車系統(tǒng)相結(jié)合，使其具有較好的性能，有效地提高了報(bào)警的準(zhǔn)確性，防止了誤報(bào)[16]。

引入無量綱量ω和中間比較因子λ，ω的計(jì)算公式為：

式中，d表示行車間距，d1表示預(yù)警臨界距離，d2表示制動臨界距離，由此得出防撞自動剎車系統(tǒng)連續(xù)三級預(yù)警與自動剎車形式，如下所示：

當(dāng)ω＞1時(shí)，相當(dāng)于行車間距大于制動臨界距離，此時(shí)車輛進(jìn)入了預(yù)警區(qū)（100 m 左右），該范圍內(nèi)實(shí)時(shí)顯示臨近車輛位置和距離；

當(dāng)0 ＜ω＜λ時(shí)，相當(dāng)于行車間距與預(yù)警臨界距離值非常接近，此時(shí)車輛進(jìn)入了報(bào)警區(qū)（60 m 左右），顯示且語音提醒臨近車輛位置和距離；

當(dāng)ω＜0時(shí)，相當(dāng)于行車間距小于預(yù)警臨界距離，此時(shí)車輛進(jìn)入了危險(xiǎn)區(qū)（30 m 左右），顯示且語音提醒“危險(xiǎn)”。

2.2 圖像動態(tài)識別算法

在礦用重型卡車和特種車輛車身上安裝4-6 個(gè)高清防爆攝像頭，能夠?qū)囕v周邊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)360 度全景輔助駕駛。同時(shí)，它還可以與毫米波雷達(dá)的自動剎車、碰撞警報(bào)等技術(shù)相結(jié)合，在碰撞即將來臨時(shí)，監(jiān)視器會自動顯示并發(fā)出警報(bào)。

假設(shè)存在兩個(gè)n維向量W1×n和E1×n，將這兩個(gè)向量表示成如下形式：

充分考慮兩個(gè)向量端點(diǎn)之間的距離，計(jì)算結(jié)果越小，說明兩個(gè)動態(tài)圖像越相似，反之，則不相似。當(dāng)采集到對應(yīng)的圖像后，可以實(shí)時(shí)地顯示道路狀況，并與毫米波雷達(dá)碰撞預(yù)警形成聯(lián)動。在即將發(fā)生碰撞時(shí)，顯示屏?xí)詣语@示并發(fā)出警告。

2.3 毫米波雷達(dá)防碰撞自動剎車功能

露天礦區(qū)車輛防撞信號的瞬時(shí)頻率隨著時(shí)間線性變換而發(fā)生改變，當(dāng)前方有單目標(biāo)回波時(shí)，將發(fā)射信號和反射信號混合后，得到的信號中含有目標(biāo)相對距離和速度信息。在發(fā)射信號上升和下降階段，中頻輸出信號可表示為：

式中，η0表示發(fā)射信號中心頻率，V表示相對速度，c表示光速，B表示頻帶寬度，t表示從發(fā)射激光到接收激光的時(shí)間間隔，L表示兩車的距離。

忽視汽車與目標(biāo)間的相對速度，可以計(jì)算出兩車的距離，測距計(jì)算公式為：

根據(jù)上述公式，能夠確定目標(biāo)位置。當(dāng)車輛減速后的距離超過安全距離時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出減速指令，當(dāng)兩車?yán)^續(xù)靠近時(shí)，剎車裝置的剎車命令（剎車動作）將被觸發(fā)，直至車輛停止。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬

實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬圖，如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬圖

由圖3（a）可知，對于同向行駛的車輛，車輛A 在中間車道，車輛C 為危險(xiǎn)目標(biāo)。由圖3（b）可知，車輛A 行駛方向沒有沿著公路前方行駛，而是出現(xiàn)偏離車道的行為，前方為護(hù)欄。由圖3（c）可知，車輛A 在中間車道，在同一車道的C 和行人是主要危險(xiǎn)目標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別使用多目標(biāo)捕獲算法的防撞自動剎車系統(tǒng)、基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統(tǒng)和基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)，對比分析剎車距離，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種系統(tǒng)剎車距離對比分析

由圖4（a）可知，使用多目標(biāo)捕獲算法的防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車距離不一致，在橫向也存在最多22 m 的剎車距離；使用基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車距離不一致，其在橫向也存在最多16 m 的剎車距離；使用基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車距離完全一致，且剎車線路完全符合，無橫向剎車軌跡。由圖4（b）可知，使用多目標(biāo)捕獲算法的防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車曲線不符合，其中橫向最大剎車距離比實(shí)際剎車距離長25 m；使用基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車曲線不符合，其中橫向最大剎車距離比實(shí)際剎車距離長40 m；使用基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車曲線基本符合，但也存在2 m 的最大橫向誤差。由圖4（c）可知，使用多目標(biāo)捕獲算法的防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車曲線不符合；使用基于駕駛意圖共享的防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車曲線不符合；使用基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)，與實(shí)際剎車曲線基本符合，但也存在1.8 m 的最大橫向誤差。

4 結(jié)束語

針對露天礦重型卡車容易受到駕駛員疲勞、超速、惡劣天氣等因素影響，容易發(fā)生車輛追尾或碰撞事故的問題，提出了基于毫米波雷達(dá)的露天礦區(qū)車輛防撞自動剎車系統(tǒng)。結(jié)合圖像動態(tài)識別算法，建立了露天礦卡車防碰撞的自動剎車聯(lián)動機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了礦用卡車的自動減速和剎車，解決了影響礦山車輛交通運(yùn)輸安全的問題。