行車(chē)下客激光防撞系統(tǒng)技術(shù)研究＊

張弛，劉清成，王洋，楊國(guó)浩，黨敬宣

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620）

自1899 年美國(guó)紐約發(fā)生世界上第一起機(jī)動(dòng)車(chē)意外致人死亡事故以來(lái)，全球已有2 000 多萬(wàn)人死于汽車(chē)事故，受傷者達(dá)5 億多人[1]。汽車(chē)防撞系統(tǒng)是一種可向司機(jī)預(yù)先發(fā)出視聽(tīng)預(yù)警信號(hào)的探測(cè)裝置。它安裝在汽車(chē)上，能探測(cè)企圖接近車(chē)身的行人、車(chē)輛或周?chē)系K物，并能向駕駛員及乘員提前發(fā)出即將發(fā)生撞車(chē)危險(xiǎn)的信號(hào)，促使駕駛員采取應(yīng)急措施來(lái)應(yīng)付特殊險(xiǎn)情以避免損失[2]，因此研究一個(gè)乘客下車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)十分有意義。

1 激光雷達(dá)預(yù)警模型

為了兼顧距離以及角度，激光雷達(dá)選用機(jī)械掃描裝置，放置在車(chē)輛頂部，可以在360°二維平面掃描，掃描周期T=2π/ω[3]，旋轉(zhuǎn)頻率ω=3 600°/s，角度分辨率為1°，測(cè)量頻率為3 600 Hz，測(cè)量精度小于距離的1%，探測(cè)半徑不小于100 m。該裝置按照正前方為0°的坐標(biāo)系記錄附近物體的極坐標(biāo)，可以對(duì)附近物體進(jìn)行測(cè)距、測(cè)角以及測(cè)速。

雷達(dá)本身可以根據(jù)發(fā)送到接收同一信號(hào)的時(shí)間并且根據(jù)公式R=ct/2 算出兩車(chē)的真實(shí)距離，其中c為光速，t為雷達(dá)從發(fā)射到接收同一信號(hào)所用時(shí)間[4]。

考慮到后車(chē)和小車(chē)位置可能不在一條直線上，由數(shù)學(xué)關(guān)系可得垂直距離為l=R×cosθ，θ為后方行車(chē)之于小車(chē)正前方的極坐標(biāo)角度。雷達(dá)在第一個(gè)掃描周期探測(cè)到進(jìn)入測(cè)距范圍的物體后記錄它的極坐標(biāo)（R1，θ1），在第二個(gè)周期掃描到物體時(shí)記錄第二次的極坐標(biāo)（R2，θ2），以此類(lèi)推，在進(jìn)行下一周期的掃描時(shí)更新計(jì)算數(shù)據(jù)，并適時(shí)計(jì)算同一目標(biāo)軌跡的瞬時(shí)速度與距離，通過(guò)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定值的對(duì)比來(lái)判斷是否啟動(dòng)車(chē)門(mén)信號(hào)。激光雷達(dá)的探測(cè)預(yù)警示意如圖1 所示。

圖1 激光掃描雷達(dá)探測(cè)預(yù)警示意圖

探測(cè)同一目標(biāo)經(jīng)歷的時(shí)間t為：

目標(biāo)在行車(chē)道路方向運(yùn)行的路程s為：

前后車(chē)的水平距離x為：

后方車(chē)輛在行車(chē)道的速度v為：

式（4）中：v0為小車(chē)的瞬時(shí)沿道路前進(jìn)方向的速度，若小車(chē)靜止則v0為0，聯(lián)立得：

式（5）中：θ1為第一次測(cè)距的極坐標(biāo)角度；θ2為第二次測(cè)同一物體距離的極坐標(biāo)角度。

2 激光雷達(dá)仿真分析

根據(jù)小汽車(chē)型號(hào)的不同，車(chē)寬和車(chē)門(mén)長(zhǎng)度不同，小轎車(chē)車(chē)寬一般為1.6 m，SUV 車(chē)寬一般為1.8 m，四門(mén)車(chē)的車(chē)門(mén)長(zhǎng)展1.2 m，假設(shè)雷達(dá)居于汽車(chē)車(chē)頂中線上，半個(gè)車(chē)寬加上最大打開(kāi)角度的車(chē)門(mén)展向總長(zhǎng)不小于2 m。仿真實(shí)驗(yàn)選取留安全裕量后設(shè)2.5 m 的水平安全距離。

假設(shè)載有此雷達(dá)的小車(chē)停在路邊，左側(cè)水平距離2.5 m處出現(xiàn)一輛摩托車(chē)，當(dāng)被雷達(dá)掃描第一次探測(cè)到的θ1為181.5°，當(dāng)預(yù)留10 s 安全時(shí)間后，除去10 s 后的剩余時(shí)間余量隨極角變化曲線如圖2 所示，車(chē)輛的沿著道路方向的速度隨極角變化曲線如圖3 所示。

圖2 除去10 s 后的剩余時(shí)間余量隨極角變化曲線圖

圖3 車(chē)輛的沿著道路方向的速度隨極角變化曲線圖

由圖3 可知，在掃描頻率為3 600 rad/s 的情況下，后方駛來(lái)的摩托車(chē)在一個(gè)多掃描周期之內(nèi)行進(jìn)到距離本車(chē)10 s預(yù)留時(shí)間，需要約束機(jī)動(dòng)車(chē)的速度不大于5.94 m/s。

為了避免系統(tǒng)在行車(chē)過(guò)程中或?qū)Σ豢拷?chē)輛的行車(chē)造成誤動(dòng)，困擾乘客。系統(tǒng)只在汽車(chē)掛停車(chē)檔時(shí)被激活，并且可以設(shè)置速度預(yù)警，只有當(dāng)探測(cè)物體的速度超過(guò)設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)才會(huì)動(dòng)作。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)系統(tǒng)，當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)作用距離大于100 m時(shí)，可以對(duì)低于5.94 m/s 的機(jī)動(dòng)車(chē)進(jìn)行安全監(jiān)控，通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)與設(shè)定值的對(duì)比判斷是否自動(dòng)鎖車(chē)門(mén)，防止乘客開(kāi)門(mén)時(shí)遭到后車(chē)撞擊發(fā)生意外，為國(guó)內(nèi)外停車(chē)下客交通安全技術(shù)研究提供一定的參考。