倒車雷達探測范圍測量方法及準確度分析

崔曉川，鄒博維，孫　明

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

倒車雷達探測范圍測量方法及準確度分析

崔曉川，鄒博維，孫明

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

提出一種測量倒車雷達探測范圍的方法，利用激光器、激光測距儀及三坐標測量機結合超聲波雷達的原理，通過光滑擬合雷達最遠探測點的方式，可視化顯示倒車雷達探測范圍，經過試驗驗證該方法的測量準確度為2%，最后利用該方法確定倒車雷達在視野盲區內為不同障礙物提供的有效探測范圍。該文通過將整車上的倒車雷達復制到臺架上的方式測量倒車雷達的探測范圍，為國內尚不明確的倒車雷達測量范圍測試標準提供參考。

視野盲區；倒車雷達探測范圍；可視化探測區域；超聲波雷達

0　引　言

隨著汽車行業的飛速發展，人們對汽車的需求不再局限于簡單的代步功能，汽車安全問題得到越來越多的重視。近年來倒車事故頻發，其主要原因是駕駛員視野中存在盲區。借助于聲光電技術的飛速發展，超聲波雷達測距已經廣泛應用在各個行業，現在國內對提升超聲波測距準確度也在做大量的研究［1］。倒車雷達能夠為駕駛員提供有效的盲區信息，避免倒車事故的發生［2］。目前，倒車雷達的探測范圍、穩定性和捕捉速度等特性均有很大提升［3］，不斷地為駕駛員提供更安全的信息。

目前，國內涉及車輛后視野的標準僅有GB 15084——2013《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》［4］，其中主要針對汽車內后視鏡、外后視鏡、廣角外視鏡、補盲外視鏡（大車前端）、前視鏡以及一些外部視覺監視設備（主要為大車配備）提出要求，其中未對倒車雷達提出明確的標準；而目前奇瑞汽車有《倒車雷達性能臺架測試及評價測試規范》企業標準，福建省有DB35/T 1274——2012《汽車倒車雷達技術要求和測試方法》地方標準，但并沒有明確的測量倒車雷達探測范圍的國家標準出臺［3］。目前美國高速公路交通安全管理局（NHTSA）正準備在現行FMVSS No.111法規基礎上增加對車輛倒車雷達的探測范圍的要求，并且正在進行大量摸索試驗［5］。本文通過將整車上的倒車雷達復制到臺架上的方式，提出一種測量倒車雷達探測范圍的方法，并通過大量試驗確定該方法的精度，以便后續確定一種高準確度的倒車雷達探測范圍測量方案。

1　試驗方法

1.1倒車雷達系統原理

現有的倒車雷達主要是采用超聲波進行定位，絕大多數的超聲波探頭是將發射和接收模塊融合在一起，一般采用壓電陶瓷元件實現，既可以將電能轉換為機械能，又可以將機械能轉換為電能，從而實現接收和發射的融合。利用超聲波原理，固定在整車尾部的超聲波雷達探頭可以接收由其發射并且遇到障礙物反射回來的超聲波，從而計算車輛尾部與障礙物之間的距離。

當超聲波入射到光滑平界面時，將產生反射和折射［6-8］，其反射和折射遵循下述公式：

式中：R——聲強反射率；

T——聲強透射率；

P0——入射波聲壓；

Pr——反射波聲壓；

Pt——透射波聲壓；

r——聲壓反射率；

t——聲壓透射率；

Z1、Z2——反射面兩側兩種介質的聲阻抗。

由上述公式可以看出，當Z1＞＞Z2或Z2＞＞Z1時，R≈1，T≈0，即超聲波幾乎呈現全反射。

在實際應用中，倒車雷達所發出的超聲波在空氣中傳播，空氣的聲阻抗Z基本為0，故其遇到其他實體介質障礙物時，超聲波接近發生全反射，這也是超聲波倒車雷達能夠廣泛應用于車輛尾部測距的理論基礎。

1.2試驗方法概述

由于直接在整車上測量倒車雷達探測范圍時無法對單個探頭進行測量分析，而且對整個探測范圍的可視化顯示有一定的困難。故本文通過設計機械臺架配合三坐標測量機，可以模擬不同整車車型裝備的倒車雷達安裝姿態，結合1.1中超聲波原理，尋找每個獨立雷達探頭在不同發射角度方向上的極限探測位置，最后采用激光器輔助顯示4個雷達探頭的探測區域合并范圍，即可清晰顯示所測量雷達系統的整體探測區域。

首先以水平地面作為z平面、指向車頭方向為x正方向建立坐標系，利用三坐標測量機測量VOLVO這款車型上倒車雷達的位置關系；在同一坐標系下調整臺架上每個雷達的位置關系，使其滿足整車裝載倒車雷達的相對位置關系。由于雷達發射的超聲波近似呈現圓錐體分布，故本文認為雷達發出的超聲波在地面上投影近似為一個扇形（如圖1所示）。在每個雷達正上方固定一個線激光器作為試驗過程中的輔助顯示裝置，令激光器的初始發射光線與雷達探頭法線方向重合；以雷達發射面法線方向為基準方向，左右每隔5°遞增的方式旋轉線激光器，在每個方向上沿著激光器光線尋找該角度方向上雷達探測的最遠位置并標記在地面上。通過上述操作可以找到每個雷達的探測區域邊界以及對應的極限探測張角。在找到雷達探頭的極限探測張角后，利用兩個激光器即可在地面上清晰地顯示出該雷達探頭的探測張角范圍；在探測張角范圍內將地面上每個最遠探測位置標記點圓滑地連接起來，配合以激光器顯示的張角范圍，可以將每個雷達的探測區域清晰地反映在地面上。采用相同的操作方式，可以清晰地模擬顯示出該車型上裝載的倒車雷達系統的整體探測范圍。

圖1　雷達探頭探測區域在地面上的投影示意圖

2　試驗結果及精度分析

2.1臺架上模擬整車倒車雷達系統

以VOLVO該款車型為例，對其車輛尾部從右至左的倒車雷達探頭分別編號為1#、2#、3#和4#；同時將臺架上的4個雷達探頭也進行對應的編號，分別為1＇#、2＇#、3＇#和4＇#。采用1.2所述方法，依次調整1＇#與2＇#、1＇#與3＇#、1＇#與4＇#雷達探頭之間的相對位置關系和相對角度關系，使其分別滿足1#與2#、1#與3#、1#與4#雷達探頭的位置關系和相對角度關系；通過上述測量和調整即可將VOLVO這款車型的倒車雷達系統復制到臺架上，從而便于后續測量該雷達系統的探測區域及其占整個視野盲區的比例。試驗數據如表1、表2所示。采取上述方法，可以將任何車型上裝載的倒車雷達系統以相同的方式復制到臺架上，有利于后續分別對不同車型倒車雷達系統探測范圍進行測量。

表1　VOLVO整車倒車雷達相對位置關系

表2　臺架上倒車雷達相對位置關系

2.2可視化顯示雷達系統探測區域

考慮到倒車事故中障礙物絕大多數是低矮的物體，故本文采用一塊高度為1.5m且平整堅實的塑料板作為障礙物，以每個雷達探頭法線方向為基準線，利用激光器顯示輔助光線，旋轉激光器每隔5°在地面上顯示出一條直線，檢測該直線方向上雷達探測的最遠距離；檢測每個雷達探頭張角范圍內相應角度下的最遠探測位置并標注在地面上，最后用光滑的曲線順次連接地面上的標記點，該光滑曲線即可代表對應雷達探頭的探測區域邊界。實驗發現，在雷達兩側極限張角方向上，其探測的距離往往達不到系統說明的最遠距離，本文中實驗的雷達最遠探測距離為2.5 m，但是在極限張角方向上，其探測距離基本在1m左右。

分別對4個雷達探頭采用相同的操作，并且分別配合以兩個激光器即可在地面可視地顯示出該款車型倒車雷達系統的整體探測區域范圍，試驗效果如圖2所示。

圖2　雷達系統探測區域可視化顯示圖

2.3后視盲區范圍的確定

根據GB 15084——2013測量標準［4，9-10］，利用三維H點裝置、不同高度的障礙物以及平面鏡，結合鏡面反射原理，在車后方慢慢移動障礙物，通過放置在障礙物上方的平面鏡和車內后視鏡的兩次反射，找到平面鏡內首次出現三維H點裝置的眼點時的位置，該位置距離即為相應高度障礙物的視野盲區的長度；因為GB 15084——2013中要求車外后視鏡要能看到車寬以外的視野，故車輛內視鏡與外視鏡的共同盲區即為上述障礙物與車尾部距離和車寬的乘積。根據2.2中所述的方法確定的倒車雷達系統探測區域與該視野盲區的交集即為倒車雷達提供的有效盲區信息。測量視野盲區試驗場景如圖3所示，倒車雷達系統占盲區范圍示意圖如圖4所示。

圖3　測量視野盲區試驗場景

圖4　倒車雷達系統占盲區范圍示意圖

2.4試驗結果及準確度分析

通過驗證探測區域連接的光滑邊界線的準確程度來確定本文所述方法的準確度。利用2.2中方法找到整個倒車雷達系統的探測區域后，可以一目了然地計算出該款雷達系統的探測區域占整個視野盲區的比例。

2.4.1探測區域邊界的準確度

沿著4個雷達探測區域的并集（即整個雷達系統的探測區域）的邊界線移動障礙物，檢測整個雷達系統的探測區域邊界外是否還有觸發點，如果有觸發點，則計算出該誤差點與該方向上標記的最遠探測點的相對誤差，通過探測擬合邊界的相對誤差可以確定本文所述方法測量雷達系統探測范圍的準確度。表3的實驗數據顯示，本文所述方法確定的雷達探測區域相對準確度在2%左右，圖5是試驗測量出的擬合邊界外的誤差點與該方向擬合曲線上觸發點之間的誤差圖。

圖5　試驗數據誤差圖

表3　利用光滑連接曲線代表探測區域邊界時的誤差

2.4.2倒車雷達探測范圍占視野盲區比例的試驗結果

利用本文設計的方法測量倒車雷達探測范圍會減少一部分由車輛內視鏡與外視鏡帶來的共同視野盲區的范圍，這便是雷達系統為駕駛員提供的有效盲區信息。本文選取具有代表性的3種高度的障礙物，分別為：1.0，0.7，0.5m；依次代表較易引發倒車事故的年齡段為4～6歲的兒童的平均身高、樁類障礙物高度、以及4～6歲年齡段兒童蹲下玩耍時的高度進行試驗，測量并計算本文所述方法確定的倒車雷達區域占整體視野盲區的百分比。試驗數據如表4所示。

表4　雷達探測范圍占不同障礙物視野盲區的范圍

3　結束語

本文提出了一種測量倒車雷達系統探測區域的方法，通過大量的試驗驗證了該方法的可行性，并給出了該方法的準確度。但是在試驗過程中發現準確安裝固定每個雷達以及拆卸、旋轉輔助激光器的過程比較繁瑣，占用了大量的工作時間；并且依靠螺絲固定的方式對試驗的精度和一致性有相當大的影響。后續需要對整套試驗裝置進行一定的改進，使完善后的試驗能在一次固定后，通過電機驅動或者其他方式，達到無需人為調整激光器的狀態就可完成整個試驗過程的目的，即提高整套系統的自動化程度，也能同時提高該方法的測量準確度。

［1］常靜，賀煥林.減少超聲波測距儀盲區的研究［J］.中國棉花加工，2005（5）：22-23.

［2］吳妍.汽車倒車雷達預警系統研究［D］.武漢：武漢理工大學，2007.

［3］劉海峰.汽車倒車雷達系統全接觸［J］.汽車電器，2007（12）：5-8.

［4］機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求：GB 15084——2013［S］.北京：中國質檢出版社，2013.

［5］Federal Motor Vehicle Safety Standard NO.111 Rearview Mirrors-passenger Cars，Multipurpose Passenger Vehicles，Trucks，Buses，School Buses and Motorcycles［S］.Washington DC：National Highway Traffic Safety Administration，2009.

［6］唐建.長輸管道超聲波內檢測技術研究［D］.北京：北京化工大學，2005.

［7］牛余朋，成曙.基于單片機的超聲波測距系統［J］.兵工自動化，2005（4）：77-79.

［8］賈莉娜.超聲物位檢測系統中的誤差來源及補償方法［J］.儀器儀表用戶，2005（1）：91-92.

［9］盧秉杰，白原新，于開國.汽車后視鏡后視野要求及測試方法探討［J］.汽車技術，1997（5）：15-22.

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（編輯：莫婕）

Measuring method of reversing radar detection range and accuracy analysis

CUI Xiaochuan，ZOU Bowei，SUN Ming
（China Automotive Technology&Research Center，Tianjin 300300，China）

This paper has proposed a method to measure the detection range of reversing radar by using a laser，a laser distance meter and a coordinate measurement machine.Specifically，fit the farthest position that radar can detect smoothly with the operating principle of ultrasonic radar to visualize the detection range of reversing radar.The measurement accuracy was verified to be 2%. The last step was determining the effective detection scope provided by the reversing radar in blind spot vision to different obstacles.Particularly，the radar system installed on vehicle was reverted to a test bench to measure the detection range.The method offers a reference for domestic standards that are still indefinite for the measurement range of reversing radar.

blind spot vision；reversing radar detection range；visual detection area；ultrasonic radar

A

1674-5124（2016）05-0042-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.009

2015-10-08；

2015-11-22

崔曉川（1987-），男，天津市人，工程師，研究方向為整車性能、道路試驗、車輛主動安全與被動安全。