CN103770736A - 一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，具有：实时采集车辆周边声学信号的多个声音采集单元；同步接收声音采集单元获取的声学信号并进行处理判断的中央处理单元和向驾驶员发出警告的车内预警单元；工作时，所述的中央处理单元实时对比所述多个声音采集单元检测到的声学信号，当检测到某一声音采集单元采集的声学信号的声压值高于其它声音采集单元采集的声压值，则判定该声音采集单元所在方向有其它车辆接近；中央处理单元通过所述车内预警单元发出报警。采用声学传感器，测量对象为车外客观存在的声学信号，无需额外的信号发射装置，降低了系统的复杂程度。而且声学信号检测与能见度无关，基本不受阳光、温度、电磁干扰、雾霾等气象条件限制，可靠性高。

Description

一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统

技术领域

本发明涉及一种基于声场的车辆周边环境预警系统，涉及专利分类号B60一般车辆；B60R不包含在其他类目中的车辆、车辆配件或车辆部件；B60R21/00在发生事故或出现其他交通危险时保护或防止乘客或行人受伤的车上装置或配件；B60R21/01在车辆发生事故或即将发生事故时触发安全保护装置的电路；B60R21/013包含用于探测碰撞、即将到来的碰撞或翻滚的装置的。

背景技术

随着汽车保有量的不断增多，交通环境日益复杂化，迫切需要发展各种技术手段以提高驾驶安全、减少交通事故的发生。将以物理方式检测到的车外交通环境信息，以视觉和听觉信号的形式及时准确地传递给驾驶员，实现早期预警是辅助安全驾驶技术的最主要应用。

传统的车辆预警措施仅限于车辆自身的鸣笛，车灯闪烁等。随着辅助安全驾驶技术的发展，出现了各种依靠外部传感器辅助感知车辆周边情况的系统。已有的车辆预警系统方法包括：（1）使用超声波、微波雷达、红外线测距传感器方法。传感器用来收集相对车速，距离等信息，通过数据处理单元对这些信息进行实时计算，并通过有效算法来确定安全车距等预警信息。如中国专利公开号CN02100762和CN96100344中所述技术。（2）使用GPS获得车辆的地理位置信息，并将信息发送给其他车辆。具体地，在车辆上安装射频发射机，当车辆发生事故时，射频发射机会将事故车辆发生的位置信息发送给其他移动车辆，通过移动车辆的处理器计算两者间的安全距离，当移动车辆进入危险范围内时会通过指示灯报警。如中国专利公开号CN201210349368中所述技术。（3）针对紧急车辆避让问题，利用车载麦克风收集紧急车辆的特殊警笛声，通过处理器提取警笛的声音特征，将检测得到的紧急车辆出现信息利用视觉和听觉手段提示给周围移动车辆的驾驶员，以便及时规避、为紧急车辆出警带来安全和方便。此类技术见美国专利号5235329和6686849。（4）基于数字信号处理（DSP）的视频车辆识别技术[1，2]。通过安装在道路两旁或中间隔离带的摄像机和图像采集设备获得实时的视频信息，经过计算机图像实时处理，分析得到车速、车距等各种交通信息。当检测到所采集的交通信息不在预设的安全范围内时会向运动车辆发出警报，以提高行驶安全。

从以上叙述可知，现有主要通过测距和视频补偿的车辆辅助预警系统存在以下弱点。首先，基于超声波、微波雷达、红外线等的测距方法，传感系统一般同时包括信号发射和接收器两部分，成本较高。其次，基于GPS和视频图像处理的交通环境感知技术的精确度高度依赖于软件算法；高精度的软件算法增加了系统软硬件的复杂程度。

众所周知，听觉是除视觉之外人类赖以感知环境的另一大重要信息来源，听觉在行人交通安全中起着至关重要的作用。车辆行驶环境中也存在着许多可以用来实现早期预警的声学信号。然而随着车辆舒适程度的不断提高，车身隔声水平越来越高，车内成员已很难通过自然听觉及时感知车外的交通情况。为弥补这一不足，美国专利号5235329和6686849首先通过接收设置于紧急车辆上的专用发射机发射的信号判断紧急车辆的方向和距离，并将这些信息转换成声音或视觉信号提示给驾驶员[3,4]。然而这些方法只针对装有专用发射机的紧急车辆，并不能实现通过声学信号对一般车辆的检测。综上，现有技术还没有实现通过直接侦测车外声音信号来感知车辆周围的交通环境，如盲点车辆等。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，尤其是传统的视频、雷达和红外等技术容易受环境因素影响的问题，而研制的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，具有：实时采集车辆周边声学信号的声音采集单元；同步接收声音采集单元获取的声学信号并进行处理判断的中央处理单元和向驾驶员发出警告的车内预警单元；

工作时，所述的中央处理单元实时对比所述多个声音采集单元检测到的声学信号，当检测到声音采集单元采集的某一方向的声学信号的声压和/或声强值高于声音采集单元采集的其它方向的声压和/或声强值，则判定所述方向上有其它车辆接近；中央处理单元通过所述车内预警单元发出报警。

更进一步的，考虑到车辆在行驶过程中，尤其是高速行驶时的外部噪声来源主要由发动机噪声，路噪（胎噪）和风噪构成，而其中路噪（胎噪）主要由轮胎产生，集中在车辆轮胎处，具有相对独立的声场，相对于风噪和发动机噪声更易于采集，故作为一个较佳的实施方式，以四轮车辆（如轿车）为例，所述的声音采集单元至少包含设置在车辆前后两侧轮胎附近的四组麦克风模块。

更进一步的，考虑到，采集到的轮胎噪声不可避免的含有车辆的其它噪声，比如发动机噪声、振动噪声和风噪等噪声会产生干扰，所述的中央处理单元包括：滤波模块和判断比较模块。

所述滤波模块对所述声音采集单元上传的声学信号进行滤波处理。

在车辆周边没有其它车辆时，位于车辆每个轮胎附近的声音采集单元所接收的声场具有相对一致性（没有来自其它车辆的反射或辐射噪声）。所述判断比较模块根据滤波后的声学信号设定参考声压和/或声强值，该参考声压和/或声强值为本车周边无其他车辆时声音采集单元采集的声场值。

更进一步的，考虑到车辆在高速和低速行驶时产生的噪音具有不同的声学特征（噪声频率有明显的不同），故作为一个较佳的实施方式，还具有模式选择模块：该模块与所述的滤波模块和判断比较模块通信；获取当前车速，设定所述滤波模块的工作模式：当车辆处于低速行驶模式时，所述的滤波模块具有较低的截止频率；当车辆处于高速行驶模式时，所述滤波模块具有较高的截止频率。

所述的声学信号包含：本车行驶过程中产生的噪声辐射和临近行驶车辆的噪声辐射。

所述的预警单元至少包含语音提示模块和视觉提示模块。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，采用声学传感器，测量对象为车外客观存在的声学信号，无需额外的信号发射装置，降低了系统的复杂程度。而且声学信号检测与能见度无关，基本不受阳光、温度、电磁干扰、雾霾等气象条件限制，可靠性高，与激光、微波、红外线传感器、GPS及视频摄像系统相比，功耗低且具有明显的成本优势。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统总体结构图。

图2是中央处理单元中的信号处理流程图。

图3是平面活塞声源自由场辐射的指向特性图。

图4是高速模式下邻近车辆接近时与本车的相对位置关系图。

图5是高速模式下有无邻近车辆时声场频谱变化的实验室测量对比图。

图6是低速模式下邻近车辆接近时与本车的相对位置关系图。

图中：1声学传感器；1a左前侧麦克风；1b左后侧麦克风；1c右后侧麦克风；1d右前侧麦克风；2中央处理单元（CPU）；3车内预警单元；4本车车身；5本车后侧盲区；6临车车身；7无临车时后轮处麦克风频谱响应；8临车车身与后轮平齐时后轮处麦克风频谱响应；s1模式选择模块；s2高通滤波模块；s3判断比较模块。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。图1给出了本发明的总体组成结构图。以四轮汽车为例，车外声学测量传感器包括分别置于本车4外表面、四轮附近的左前侧麦克风1a、左后侧麦克风1b、右后侧麦克风1c和右前侧麦克风1d。其中左右两侧前后两路麦克风信号分别用于侦测车辆左右两侧的交通情况。来自麦克风的信号经过中央处理单元CPU2的处理后，判断是否存在邻近车辆，如盲区车辆；然后将预警信息发送到车内预警单元3，向驾驶员发出警告。预警单元可以包括来自于车载音响系统的语音提示，或集成于车外后视镜、车内后视镜、仪表盘等处指示灯形式的视觉提示装置。

图2是中央处理单元CPU2中的信号处理流程图。首先由模式选择模块s1根据实时车速信息选择工作模式。当车速大于预设的阈值Vth时进入高速判断模式，否则进入低速判断模式。Vth一般取值在20～30km/h之间。高通滤波模块s2根据模式选择结果将麦克风信号送入相应的高通滤波器处理。低速模式下的高通滤波器截止频率一般为200～300Hz。由于车外湍流造成的风噪声频率成份较低，这一设置可以在有效滤除风噪声影响的同时充分保留来自邻近车辆的发动机和轮胎噪声。高速模式下的高通滤波器截止频率一般为1000～2000Hz，从而只保留对声场边界条件敏感的高频信号，便于后续判断。

在判断比较模块s3中，首先根据滤波后的麦克风信号决定参考声压值，即在本车邻近没有其他车辆时麦克风的测量值。考虑车辆行驶过程中两侧及前后轮处的声学环境不尽相同，各路麦克风参考声压值应分别决定。参考声压值可以事先测定预置，或实时在线更新。然后将前后轮处的实时声压分别与对应的参考声压比较。当车辆后部盲点区有车辆靠近时，首先影响后轮处的麦克风测量值，在临近车辆的前端没有超过本车前轮时，其对前轮处麦克风测得的声压影响不大。因而当满足后轮处声压显著大于参考值且前轮处声压相比参考值变化不大时，可以判断盲点区车辆的存在。最后判断比较模块s3将判断结果送入预警模块，提示车内乘员。

下面以高速模式为例进一步说明本发明的实施方式。由经验和理论分析易知，车辆在高速行驶时，轮胎噪声是最主要的噪声源。该声源可以等效为平行于轮胎外侧面，大小与轮胎直径相当的平面活塞声源。当车辆在空旷路面行驶且周围无其它车辆时，该声源的辐射边界条件类似于自由声场，其声场指向特性近似符合公式（1）的关系。式中，θ为与垂直于活塞声源平面且穿过其中心的轴线间的夹角；D（θ）为沿θ方向的声场相对声压级（即声源指向特性）；k为波数，与频率成正比；a代表声源几何尺寸；J₁为一阶贝塞尔函数。公式（1）表明，当频率较高时，活塞声源在与其平面重合（即θ=90°）的平面上的声场幅值远小于其轴线方向即θ=0°上的声场幅值。图3给出了高频下平面活塞声源在自由场中的典型指向特性。由公式（1）及图（3）易知，此时位于车轮附近且与车轮外表面基本处于同一平面的位于车身外侧面的麦克风所测量到的声压值的高频成份较小。

$D\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|\frac{{2J}_1\left(\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}\right|---\left(1\right)$

图4（a）表示了本车7在高速行驶，且周围没有其它车辆等反射物时左后轮向外辐射噪音的情况。此时邻近车辆9相距较远，本车4左后轮的声场辐射可由自由场边界条件近似。图4（b）中，邻近车辆6进入本车4的后部盲区5，且邻近车辆6的前端已与本车4的左后轮完全重合。此时邻近车辆6的车身将来自于本车4左后轮的噪声反射回本车4的车身方向，从而显著提高了麦克风1b测量到的高频成份。而由于邻近车辆6距离本车4左前侧麦克风1a较远，此时麦克风1a的频谱响应未发生明显变化。通过实时比较前后麦克风的输出即可实现左后侧盲点区域车辆的检测和预警。

图5为在实验室条件下模拟图4（a）和图4（b）两种情况下左后侧麦克风1b测得的声压频率响应。易见，由于临车车身的反射作用，临车车身与本车后轮平齐时的麦克风频谱响应8要高于无临车时的频谱响应7，且这一趋势在高频下更为明显，幅值差大于3～5dB。

下面再以低速模式为例进一步说明本发明的实施方式。低速下，本车产生的轮胎噪声较小，此时车外麦克风通过监测来自邻近车辆的发动机和轮胎噪声实现车辆周边交通环境的预警。图6（a）表示了本车4在低速行驶，且临车距离较远时，来自临车6的噪声尚不能显著影响本车4左前和左后麦克风的测量值。此时左前麦克风1a和左后麦克风1b测量值处于各自参考值附近。图6（b）中，邻近车辆6进入本车4的后部盲区5，且邻近车辆6的前端已与本车4的左后轮完全重合。此时来自邻近车辆6的发动机或轮胎噪声首先被本车4左后侧麦克风1b接收,使其输出显著升高。而由于邻近车辆6距离本车4左前侧麦克风1a较远，此时麦克风1a的频谱响应未发生明显变化。通过实时比较前后麦克风的输出即可实现左后侧盲点区域车辆的检测和预警。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，具有：实时采集车辆周边声学信号的声音采集单元；接收声音采集单元获取的声学信号并进行处理判断的中央处理单元和向驾驶员发出警告的车内预警单元；

工作时，所述的中央处理单元实时对比所述多个声音采集单元检测到的声学信号，当检测到声音采集单元采集的某一方向的声学信号的声压和/或声强值高于声音采集单元采集的其它方向的声压和/或声强值，则判定所述方向上有其它车辆接近；中央处理单元通过所述车内预警单元发出报警。

2.根据权利要求1所述的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，其特征还在于：所述的声音采集单元至少包含设置在车辆前后两侧轮胎附近的四组麦克风模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，其特征还在于所述的中央处理单元包括：滤波模块和判断比较模块；

所述滤波模块对所述声音采集单元上传的声学信号进行滤波处理，所述判断比较模块根据滤波后的声学信号设定参考声压值，该参考声压值为本车周边无其他车辆时声音采集单元采集的声场值。

4.根据权利要求3所述的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，其特征还在于具有模式选择模块：该模块与所述的滤波模块和判断比较模块通信；获取当前车速，设定所述滤波模块的工作模式：当车辆处于低速行驶模式时，所述的滤波模块的截止频率为200-300Hz；当车辆处于高速行驶模式时，所述滤波模块的截止频率为1000-2000Hz。

5.根据权利要求1所述的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，其特征还在于所述的声学信号包含：本车行驶过程中产生的噪声辐射和临近行驶车辆的噪声辐射。

6.根据权利要求1所述的一种基于声场探测的车辆周边环境预警系统，其特征还在于所述的预警单元至少包含语音提示模块和视觉提示模块。

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