毫米波非接觸式智能防撞輔助系統在 壓路機中的應用

作者簡介：

江奎明（1987—），工程師，主要從事高速公路建設管理工作。

由于壓路機視野盲區大、制動性差、施工環境復雜多變，作業時剮蹭及碾壓事故時有發生。文章提出將毫米波雷達應用至壓路機作業，設計一種由環境監測、風險預警及一體化執行制動三個模塊組成的智能防撞輔助系統，并對該系統的性能參數進行對比分析。結果表明：毫米波非接觸式智能防撞輔助系統具有響應迅速、預測精準、安裝簡便、抗干擾能力強的優點，是一款先進高效的壓路機安全預警系統。

壓路機；毫米波；非接觸式；智能防撞輔助系統

中圖分類號：U415.52+1 A 56 177 3

0 引言

近年來，隨著公路建設的迅速發展和設備、材料、技術的不斷革新，工程施工的機械化程度逐年增高，施工環境也變得更加復雜［1-2］。壓路機作為道路施工的常用機械設備之一，因其質量大、視野面窄及需要人工配合的特點［3］，在作業過程中常造成傷人事故，給施工區域帶來了嚴重的安全隱患。因此，加強壓路機安全性的智能化研究，研發壓路機作業智能防撞輔助系統，減少道路施工風險顯得尤為重要。

基于多功能識別的智能輔助系統在汽車交通領域的應用已比較成熟，此類系統通過搭配不同的傳感器以實現自適應巡航、盲點監測、碰撞預警等多種功能［4］。在已有的智能防撞系統中，毫米波雷達因具有精度高、抗干擾能力強等特點正逐漸成為應用的主流［5］。然而不同于交通運輸車輛，壓路機的工作環境惡劣、噪聲干擾大，受天氣的影響明顯，這對壓路機智能防撞系統提出了更高的精度及響應要求［6］。因此，精確識別障礙物、降低誤報概率是目前毫米波雷達在壓路機智能防撞輔助系統中亟須解決的問題。

基于此，本文分析了毫米波防撞雷達的工作原理，設計了基于毫米波雷達的壓路機智能防撞輔助系統并進行了參數的對比分析，為毫米波雷達在工程施工防撞預警中的應用提供參考依據。

1 壓路機毫米波防撞雷達目標識別原理分析

根據毫米波防撞雷達測量理論，通常以ka=2πa/λ作為目標電尺寸，當ka＞10時，散射目標即處于光學區域內。在該區域中，物體存在多個散射中心，目標回波由目標各局部位置散射中心的散射能量合成，可看作各點回波信號的矢量疊加，此現象與多散射中心理論研究內容相似。因此，可以將光學區域內復雜大尺度物體目標識別的理論基礎看作多散射中心理論。防撞雷達的頻率取24 GHz，波長為毫米級。當雷達目標ka＞10時，雷達目標特性具有光學特性，從而在毫米波雷達探測障礙物時，先將目標的散射模型分離，再以各個散射中心進行目標信息求解。

在毫米波測距時，發射波長1～10 mm、頻率30～300 GHz的電磁波，其接觸障礙物時產生反射，對反射波進行接收即可測定障礙物的標尺寸、形狀、表面粗糙程度等電磁信息。測量流程如圖1所示。

雷達對障礙物距離和速度參數的測量主要基于多普勒效應原理，在混頻器中，發射信號與反射信號混合，生成一個穩定的差頻信號。距離障礙物越遠，則信號頻率越高。距離公式如式（1）所示：

R=C02·T·fDΔf（1）

式中：R——障礙物的距離；

fD——差頻；

T——三角波調制周期；

C0——光速；

Δf——信號發射器發射頻率的變化范圍。

2 壓路機智能防撞輔助系統設計

2.1 系統結構與組成

毫米波非接觸式智能防撞輔助系統主要由施工路域環境監測模塊、壓路風險預警模塊和壓路機一體化執行制動模塊組成。該系統通過毫米波雷達收集施工區域障礙物信息，然后將信息發送給處理器，實現對障礙物的遠距離定位，從而判斷施工路域環境的安全性。通過將數據發送至壓路機操作臺，可將不同距離障礙物進行風險等級劃分，利用HMI人機交互顯示單元傳遞給操作員，通過減速或剎車等控制從而完成防撞任務。該系統具有10 m監測距離、五級安全預警和LED模組循環顯示警示語警示功能，安全系數更高更安全，可有效地減少人身傷害和設備損傷，提高工程機械作業安全性。

2.2 系統主要模塊功能

2.2.1 施工路域環境監測模塊

施工路域環境監測模塊主要通過毫米波雷達傳感器工作。毫米波雷達傳感器通過發射并收集電磁波信號，對反射信號進行處理與分析，進而得到采集壓路機施工區域障礙物（如彎道、機械設備和工作人員等）與壓路機的相對位置、相對速度和相對角度等信息。將長距離雷達的長距離優勢與短距離雷達的廣角特性相結合，合理布置不同毫米波雷達傳感器，實現遠距離與視野盲區全覆蓋的效果，以滿足對施工區域障礙物識別的要求。

2.2.2 風險預警模塊

壓路機風險預警模塊將毫米波雷達傳感器監測到的施工路域環境信息進行理論分析與算法設計，結合壓路機自身工作狀態進行風險判斷。根據障礙物與壓路機的相對距離，將壓路機施工區域風險等級劃分為5個等級。如圖2所示，當障礙物與壓路機的相對距離＜2 m時，風險預警等級為一級預警，當障礙物與壓路機相對距離每增加2 m，風險預警等級隨之增加一級。經計算后的風險等級會通過HMI人機交互顯示單元與LED模組循環，顯示不同顏色的危險等級與警示語傳遞給駕駛員，同時伴隨著蜂鳴器鳴叫預警駕駛員和行人。

2.2.3 一體化執行制動模塊

在壓路機工作時，一體化執行制動模塊會根據風險等級做出不同的響應。如表1所示，當壓路機處于一級風險時，會立即啟動一體化制動模塊，蜂鳴器開始預警駕駛員和行人，并使壓路機立即停止工作。當處于二級風險時，一體化制動模塊立即采取減速措施，并進行蜂鳴報警。當處于三級與四級風險預警時，壓路機會顯示不同程度危險等級給駕駛員，并顯示警示語，當與障礙物距離在逐漸縮短時，啟動警示伴隨著蜂鳴聲提醒駕駛員。當壓路機處于五級風險時，一體化執行模塊不采取措施，壓路機正常工作。

3 壓路機智能防撞輔助系統性能參數分析

3.1 防撞系統性能對比

防撞系統技術性能通常分為防撞類別、安裝方法、剎車距離、預警功能、施工運輸便捷性、使用壽命和常見故障等7個技術參數。對比分析現階段國內常見接觸式防撞系統與毫米波非接觸式防撞系統各技術性能參數，如表2所示［7］。

根據表2中各項技術性能對比可知，毫米波非接觸式防撞系統相較于傳統接觸式防撞系統，具有多項優勢。在剎車方式方面，主動式剎車相對于被動式剎車更為智能先進，能夠提前預知危險并有足夠的反應時間；便捷的安裝方式減少了對原車機械結構及車漆的破壞，安裝速度更快，整體更美觀，在保證安全的前提下，減少了對施工質量和轉場運輸的影響；機械結構上沒有與障礙物剛性接觸，減少了機械損壞；具有提前預警功能，減少80%的危險系數，并可設置剎車距離，保證車輛有足夠的剎車緩沖距離。相反，機械防撞剎車觸發距離偏近，無法保證車輛有足夠的緩沖時間。

3.2 非接觸式防撞系統功能對比

在非接觸式防撞系統設計中，傳感器主要采用超聲波雷達、視覺傳感器、激光雷達傳感器和毫米波雷達傳感器，各類傳感器技術性能如表3所示［8］。

根據不同類型的傳感器性能分析，每種傳感器均有利弊。從性能、成本、市場普及率等因素來看，毫米波傳感器是最佳選擇，因為毫米波傳感器也是目前汽車測距、避障上的專用傳感器。從對比結果來看，毫米波非接觸式防撞系統功能先進、外觀新穎，具有超前預警、自動切換檢測方向和適時剎車等功能，可根據不同施工環境設置合適的剎車距離，增加產品適用性。

4 結語

（1）毫米波雷達具有高分辨率、穿透性和抗干擾能力，能夠進行全天候工作，具有良好的應用前景。

（2）毫米波非接觸式智能防撞系統包括環境監測模塊、風險預警模塊和一體化執行制動模塊，該系統可實現障礙物的遠距離精確判定，有效提升工程機械作業及人員安全。

（3）毫米波非接觸式智能防撞系統響應快、精度高、安裝簡便且抗干擾能力強，具有超前預警、自動切換檢測方向和適時剎車功能，適用于復雜施工環境下的防撞預警。

參考文獻

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［2］陳步童，李勝永，朱志忠，等.壓路機主動防撞智能測距系統設計與試驗［J］.建筑機械，2020（1）：84-90.

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［5］楊小敏.基于LFMCW毫米波雷達的車輛檢測技術研究［D］.南京：南京理工大學，2007.

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［7］唐家榮，吳光碧，田 進.汽車防撞系統中的非接觸式測距［J］.長春工業大學學報（自然科學版），2015（36）：22-26.

［8］馬品成，謝金華.雷達事件檢測系統在高速公路上的應用［J］.西部交通科技，2019（11）：122-124.

收稿日期：2022-10-20