CN107015228A - 车用毫米波雷达的环境辨识系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，包含有毫米波雷达装置，用于侦测车外障碍物，并可将侦测结果转换成反射信息，能量强度计算装置、抗噪声计算装置、障碍物宽度计算装置分别连接毫米波雷达装置，以接收反射信息，并分别计算出障碍物的能量强度信息、信号与噪声的比例数值、宽度信息，以传输至控制装置中，控制装置再整合能量强度信息、信号与噪声的比例数值及宽度信息，以辨识出障碍物的种类。本发明可以有效辨识出各种不同的车外障碍物，并能让车辆做好实时的应变，例如侦测到行人时可以启动对应的安全防撞措施。

Description

车用毫米波雷达的环境辨识系统

技术领域

本发明涉及一种车用的环境辨识系统，特别是利用毫米波雷达侦测车外障碍物，再经由应用算法计算，以分辨出障碍物种类的车用毫米波雷达的环境辨识系统。

背景技术

在科技的突飞猛进下，许多日常生活所需的产品技术也有了大幅提升，尤其随着半导体技术的成熟，更造就了车用电子产品的出现及进步，改善了早期驾驶者所驾驶的车辆，使得现今的车辆不仅具备“行”的功能，更增加了许多创新的科技技术在车辆上，以对现今车辆及驾驶员作出更进一步的安全防护，从早期的防盗系统、倒车雷达，到现今的障碍物或行人辨识、车外环景影像侦测、自动驾驶等相关技术，皆有利于驾驶员的行车安全。

有鉴于此，驾驶员在运用这些先进的车用电子技术时，理应具有更高的安全性及防护性，但现今的障碍物或行人辨识技术，却不易于完全分辨出行人或其它障碍物。例如，如图1a所示，一般车辆10可以运用影像侦测人体轮廓的特征，以辨识出行人12，但影像辨识技术因为摄影机安装在车辆10的位置以及摄影机本身具有视角盲点，无法侦测出近距离的障碍物影像，例如，如果在车辆10前方有小狗14，则容易因为视角盲点而容易忽视并撞上。如图1b所示，随后在车辆10上又增添了短距离的雷达侦测，用以侦测近距离如小狗14等障碍物，以避免驾驶员的视角盲点。随着雷达侦测技术的进步，在雷达辨识上更可以辨识出障碍物宽度，再以此辨识出是行人、脚踏车、小客车或大卡车等障碍物。如图1c所示，但一般的雷达侦测，因为仅采纳障碍物的宽度以进行辨识，若驾驶车辆10行驶在路上时，则容易将路树16或路灯、标志灯等障碍物误判为行人12，或是车辆10同时侦测到行人12与路树16时，可能会因为行人12与路树16相似的宽度而使雷达产生误判，一旦将此技术运用在自动驾驶或安全防撞措施上，则容易产生辨识错误的情况，一旦撞上时，或是车辆10在自动驾驶时无法辨识行人12或路树16时，可能会造成执行上的混乱，并产生无法预期的后果。

因此，本案发明人有鉴于一般障碍物辨识的不足，提出一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，可以有效辨识行人、路树、路灯或标志灯等障碍物。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，利用具有不同算法的计算装置对各种障碍物进行辨识，以有效分辨出行人、路树、路灯等车外障碍物，在行车执行安全防撞措施时，会避免将路树误认为行人，导致执行错的安全防撞措施和影响驾驶员及其乘客的乘坐安全，彻底保障车内所有人的行车安全。

本发明的另一目的在于提供一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，驾驶员在行车时，可以利用毫米波雷达发现车外的各种障碍物，以避免车子移动时会撞上肉眼容易忽视的障碍物，例如行车的视线死角所存有的障碍物，或是倒车及前进时非常靠近车身位置的障碍物，通过毫米波雷达皆可以有效的辨别出近距离的障碍，以避免驾驶员不慎碰撞上。

为了达到上述目的，本发明提出一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，包含有一毫米波雷达装置，其发射毫米波信号至车外环境，以侦测出车外的障碍物，毫米波雷达装置再将毫米波信号的侦测结果转换成一反射信息；一能量强度计算装置，其连接毫米波雷达装置，以接收反射信息及从反射信息中取得毫米波雷达装置的截面积及功率信息，以计算出障碍物的能量强度信息；一抗噪声计算装置，其连接毫米波雷达装置，以接收反射信息及过滤反射信息的信号与噪声，以计算出障碍物的信号与噪声的比例数值；一障碍物宽度计算装置，其连接毫米波雷达装置，以接收反射信息及由反射信息得知毫米波雷达装置与障碍物的位置信息，利用这些位置信息计算出障碍物的宽度信息；一控制装置，其连接能量强度计算装置、抗噪声计算装置及障碍物宽度计算装置，以接收能量强度信息、信号与噪声的比例数值及宽度信息，控制装置整合能量强度信息、信号与噪声的比例数值及宽度信息，该控制装置整合这些信息，以辨识出障碍物的种类。

在本发明中，毫米波雷达装置将毫米波信号发射到车外环境中，毫米波信号遇障碍物反射后再度传回到毫米波雷达装置中，毫米波雷达装置将反射后的毫米波信号转换成反射信息。

在本发明中，能量强度计算装置利用反射信息中的雷达截面积(Radar cross-section，RCS)及雷达信息计算出障碍物的能量强度信息，抗噪声计算装置利用低通滤波过滤反射信息，以取得一信号振幅，并利用高通滤波过滤反射信息，以取得一噪声振幅，抗噪声计算装置再利用信号振幅与噪声振幅计算出障碍物的信号与噪声的比例数值，最后障碍物宽度计算装置利用反射信息中的毫米波雷达装置与障碍物的方位角，以计算出方位角的标准偏差，并利用方位角的标准偏差计算出障碍物的宽度信息。

最后，本发明中还包含一影像辨识装置，影像辨识装置连接控制装置，控制装置控制影像辨识装置并侦测出车外环境中的障碍物，侦测出的障碍物影像再显示于影像辨识装置中。

下面通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1a～图1c为现有的车辆辨识障碍物的示意图；

图2为本发明提供的车用毫米波雷达的环境辨识系统的方块示意图；

图3为本发明利用小客车辨识障碍物的示意图；

图4为本发明辨识障碍物宽度的示意图；

图5为本发明的另一实施例的方块示意图。

附图标记说明：10-车辆；12-行人；14-小狗；16-路树；20-车用毫米波雷达的环境辨识系统；22-毫米波雷达装置；24-能量强度计算装置；26-抗噪声计算装置；28-障碍物宽度计算装置；30-控制装置；32-障碍物；32a、32b、32c、32d-障碍物；34-小客车；36-影像辨识装置；W1-宽度；W2-宽度。

具体实施方式

随着车用电子产品技术的快速发展，以及为了使车辆自动驾驶或安全防撞系统对于车辆外部的障碍物可以作出清楚及有效的辨识，因此本发明提供了一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，用以克服目前车用雷达无法有效分辨车外障碍物种类的缺点。

首先，如图2所示，本发明提供的车用毫米波雷达的环境辨识系统20包含有一毫米波雷达装置22、一能量强度计算装置24、一抗噪声计算装置26、一障碍物宽度计算装置28及一控制装置30，在本实施例中，控制装置30为电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)，毫米波雷达装置22中具有可以发射毫米波信号的毫米波雷达。其中，毫米波雷达装置22连接有能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28，本发明并不限制连接方式为有线连接还是无线连接，且毫米波雷达装置22、能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28再连接至控制装置30。

接着，如图2、图3所示，在说明完本发明的装置架构后，接着说明本发明提供的车用毫米波雷达的环境辨识系统20的工作方式，以更进一步地了解本发明可以如何有效分辨车外障碍物32的种类。本发明提供的车用毫米波雷达的环境辨识系统20可装载在各式车辆中，在本实施例中先以一般小客车34为例，毫米波雷达装置22为了能够发射毫米波信号，以侦测小客车34前方的障碍物32，通常会将毫米波雷达装置22装载在小客车34的车身前方位置，以向小客车34车身前方发射毫米波信号，至于毫米波雷达装置22应装载在小客车34或是其它车种前方的何处，则由用户或是一般车厂制造设计，本发明不以装设位置为限制，另外，在本实施例中先以毫米波雷达装置22连接至控制装置30为例，通过控制装置30启动毫米波雷达装置22，以对小客车34外发射毫米波信号，但本发明不以此为限制，有可能控制装置30与毫米波雷达装置22皆连接至车用主机(图中未示)，并利用车用主机控制毫米波雷达装置22与控制装置30，或是当控制装置30本身为车用主机时，则如实施例所述将毫米波雷达装置22连接至控制装置30。本实施例的障碍物32先以四种不同的障碍物32a、32b、32c、32d为例，其中障碍物32a为路树、障碍物32b为行人、障碍物32c为标志灯及障碍物32d为脚踏车及其驾驶者，但本发明中的障碍物32不以此数量及种类为限制。毫米波雷达装置22会利用发射毫米波信号至小客车34外的环境中，以侦测障碍物32，随着小客车34的移动可以逐渐侦测到不同距离的障碍物32a、32b、32c、32d，其中障碍物32b及障碍物32d又属于可能会移动的障碍物，当毫米波信号接触到这些障碍物32a、32b、32c、32d后，部分会经由反射回到毫米波雷达装置22中，毫米波雷达装置22可以将反射回来的毫米波信号的侦测结果转换成一反射信息，在本实施例中毫米波雷达装置22主要利用快速傅立叶变换(Fast FourierTransform，FFT)将反射后的毫米波信号转换成反射信息。

承接上段，转换成反射信息后，毫米波雷达装置22则会将反射信息同时传到能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28中，能量强度计算装置24接收并从反射信息中取得毫米波雷达装置22的截面积及功率信息，以计算出障碍物32的能量强度信息，抗噪声计算装置26接收并过滤反射信息中的信号及噪声，以计算出障碍物32的信号与噪声的比例数值，障碍物宽度计算装置28接收并从反射信息中得知毫米波雷达装置22与障碍物32的位置信息，以计算出障碍物32的宽度信息。

为了更进一步说明能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28如何计算出能量强度信息、信号与噪声的比例数值及宽度信息，接着分别详述能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28的计算方式。能量强度计算装置24主要是利用经转换后的反射信息中的雷达截面积(Radar cross-section，RCS)及雷达信息，利用这些数据计算出障碍物32的能量强度信息。在本实施例中，有关利用雷达截面积及雷达功率信息计算障碍物32的能量强度信息的原理，可经由下列的公式(1)计算出：

其中，Pr代表接收到毫米波雷达装置22的发射功率，Pt代表毫米波雷达装置22的发射功率，Gt代表毫米波雷达装置22的天线增益，r代表毫米波雷达装置22与障碍物32的距离，σ代表障碍物32的雷达截面积，Aeff代表接收天线的有效面积，Gr代表接收端的天线增益，λ代表波长，π代表圆周率。在本实施例中障碍物32a、32b、32c、32d会因为本身材质的不同，会具有不同能量范围的能量强度信息，例如人类的身体、金属制的标志灯或路树的树干等，皆可以利用类神经网络的参数训练，以将不同种障碍物32a、32b、32c、32d的能量强度作不同范围分类，以区分出不同种障碍物32a、32b、32c、32d，由于障碍物32种类繁多，本发明则不限制各种障碍物32的能量强度信息。

同时，抗噪声计算装置26利用低通滤波过滤反射信息，以取得一信号振幅，及利用高通滤波过滤反射信息，以取得一噪声振幅，在本实施例中，抗噪声计算装置26中还可设有低通滤波器(图中未示)及高通滤波器(图中未示)，以作为低通滤波及高通滤波之用。接着，抗噪声计算装置26利用过滤出的信号振幅及噪声振幅计算计算出信号与噪声的比例数值，计算的原理可经由下列的公式(2)计算出：

其中，SNR代表信号与噪声的比例数值，Aobj代表信号振幅，Anoise代表噪声振幅。信号与噪声的比例数值也会跟能量强度信息有关，会因为不同种障碍物32a、32b、32c、32d而具有不同的信号振幅及噪声振幅，不同种障碍物32a、32b、32c、32d所反射的信号及噪声，分别经由过滤后，得到不同的信号振幅及噪声振幅，并计算出信号与噪声的比例数值，此时也可以利用类神经网络的参数训练将这些不同的信号与噪声的比例数值归类，以得出不同种障碍物32a、32b、32c、32d所形成的信号与噪声的比例数值应在何种范围值中，由于障碍物32种类繁多，本发明则不限制各种障碍物32的信号与噪声的比例数值。

障碍物宽度计算装置28同时也利用反射信息中的毫米波雷达装置22与障碍物32的方位角，以计算出方位角的标准偏差，此时的方位角标准偏差的计算都为同一障碍物32的解析信息，在本实施例中主要是利用方位角正负一个标准偏差来计算障碍物32的宽度，在常态分布下，68.2％的障碍物32侦测点都会来自同一个反射物体，因此利用方位角的标准偏差计算出障碍物32的宽度信息，计算的原理可经由下列的公式(3)、(4)、(5)计算出：

width＝-dis×sin(θ-σ)+dis×sin(θ+σ) (3)

其中，width代表障碍物32的宽度信息，dis代表与障碍物的直线距离，θ代表障碍物的方位角，代表方位角的平均数，σ代表方位角的标准偏差。不同种障碍物32a、32b、32c、32d也可能具有不同的宽度范围，由于障碍物32种类繁多，本发明则不限制各种障碍物32的宽度值为何。

最后，能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28再将所计算的结果，传输至控制装置30中，再利用控制装置30的控制，同时整合及分析能量强度信息、信号与噪声的比例数值及宽度信息，以辨识出小客车34车身前方的障碍物32种类。例如，当驾驶员行驶小客车34时，车身前方具有障碍物32a、32b、32c、32d，此时可以侦测每一障碍物32a、32b、32c、32d的能量强度信息及信号与噪声的比例数值，以得知障碍物32a、32b、32c、32d是否为人体、金属或是植物等，同时也利用宽度信息判别障碍物32a、32b、32c、32d。

本发明可以有效避免现有的仅使用雷达侦测障碍物宽度的不足，如图3、图4所示，例如当小客车34外同时具有如行人的障碍物32b、如路树的障碍物32a及如金属标志灯的障碍物32c时，仅辨识的宽度可能会相似宽度的障碍物32a、32b混淆，例如遇到跟宽度范围与行人差不多的障碍物32a，当中所侦测到障碍物32a的宽度W1就可能与障碍物32b的宽度W2相似，因为行人的宽度恐在1米左右的范围，路树可能也会有像行人的人体宽度般的范围值，且另外较瘦弱的行人恐会因为宽度太窄而被误认为标志灯。因此，本发明会同时利用能量强度信息、信号与噪声的比例数值的比较，辨别出所侦测到相似宽度的障碍物的种类，例如侦测出金属材质、植物或是一般人体，再加上宽度计算可以有效地分辨障碍物的种类。

如图5所示，车用毫米波雷达的环境辨识系统20除了包含有毫米波雷达装置22、能量强度计算装置24、抗噪声计算装置26、障碍物宽度计算装置28及一控制装置30外，还可以包含一影像辨识装置36，在本实施例中，影像辨识装置36可为车用摄影机及车机屏幕等组合，但本发明不以此为限制。影像辨识装置36连接至控制装置30，使得车用毫米波雷达的环境辨识系统20除了仅利用毫米波信号进行侦测障碍物32以外，也同时可以利用影像辨识装置36侦测车外环境中的障碍物32，并可以将侦测出的障碍物影像显示在影像辨识装置36，好让驾驶员可以通过屏幕画面，清楚看到肉眼可视的障碍物32。

本发明主要是利用三种不同的辨识方式：能量强度信息、信号与噪声的比例数值、宽度信息，以加强对障碍物种类的分辨，并不限制辨识的步骤，但亦可针对特殊需求作辨识步骤的说明，例如可以先辨识能量强度信息、信号与噪声的比例数值，接着辨识障碍物的宽度，以确认此一障碍物是否为行人，或是其它种类的辨识过程亦可。上述的障碍物种类仅为实施例的示范说明，不以上述的障碍物种类为限制，障碍物亦可为路灯或是各种路上可见的物体。本发明除了用于侦测肉眼容易忽略的障碍物外，更能精确辨识出不同种类的障碍物，例如更能轻易分辨障碍物是否为行人，以利于自动驾驶或是执行安全防撞措施的应变，彻底保护驾驶员及乘客或是用路人的安全，避免因为障碍物辨识错误产生不可预期的后果。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的保护范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，包含：

一毫米波雷达装置，其发射毫米波信号至车外环境，以侦测障碍物，该毫米波雷达装置将该毫米波信号的侦测结果转换成一反射信息；

一能量强度计算装置，其连接该毫米波雷达装置，以接收该反射信息，并从该反射信息中取得该毫米波雷达装置所侦测的截面积及功率信息，以计算出该障碍物的能量强度信息；

一抗噪声计算装置，其连接该毫米波雷达装置，以接收该反射信息，并过滤该反射信息的信号及噪声，以计算出该障碍物的信号与噪声的比例数值；

一障碍物宽度计算装置，其连接该毫米波雷达装置，以接收该反射信息，并由该反射信息得知该毫米波雷达装置与该障碍物的位置信息，以计算出该障碍物的宽度信息；以及

一控制装置，其连接该能量强度计算装置、该抗噪声计算装置及该障碍物宽度计算装置，以接收该能量强度信息、该信号与噪声的比例数值及该宽度信息，该控制装置整合该能量强度信息、该信号与噪声的比例数值及该宽度信息，以辨识出该障碍物的种类。

2.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该毫米波雷达装置将该毫米波信号发射至该车外环境，该毫米波信号遇到该障碍物反射后再传回该毫米波雷达装置中，该毫米波雷达装置再将反射后的该毫米波信号转换成该反射信息。

3.根据权利要求2所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该毫米波雷达装置利用快速傅立叶变换将反射后的该毫米波信号转换成该反射信息。

4.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该控制装置为电子控制单元。

5.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该障碍物为行人、车辆、路树、路灯或标志杆。

6.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该能量强度计算装置利用该反射信息中的雷达截面积及雷达功率信息计算出该障碍物的该能量强度信息。

7.根据权利要求6所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该能量强度信息表示为其中上述公式中的各参数分别为：Pr代表接收到该毫米波雷达装置的发射功率，Pt代表该毫米波雷达装置的发射功率，Gt代表该毫米波雷达装置的天线增益，r代表该毫米波雷达装置与该障碍物的距离，σ代表该障碍物的该雷达截面积，Aeff代表接收天线的有效面积，Gr代表接收端的天线增益，λ代表波长，π代表圆周率。

8.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该抗噪声计算装置利用低通滤波过滤该反射信息，以取得一信号振幅，并利用高通滤波过滤该反射信息，以取得一噪声振幅，该抗噪声计算装置利用该信号振幅及该噪声振幅计算出该障碍物的该信号与噪声的比例数值。

9.根据权利要求8所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该信号与噪声的比例数值表示为其中上述公式中的各参数分别为：SNR代表该信号与噪声的比例数值，Aobj代表该信号振幅，Anoise代表该噪声振幅。

10.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该障碍物宽度计算装置利用该反射信息中的该毫米波雷达装置与该障碍物的方位角计算出该方位角的标准偏差，并利用该方位角的该标准偏差计算出该障碍物的该宽度信息。

11.根据权利要求10所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，该宽度信息表示为width＝-dis×sin(θ-σ)+dis×sin(θ+σ)、其中上述公式中的各参数分别为：width代表该宽度信息，dis代表与该障碍物的直线距离，θ代表该方位角，代表该方位角的平均数，σ代表该方位角的该标准偏差。

12.根据权利要求1所述的车用毫米波雷达的环境辨识系统，其特征在于，还包含一影像辨识装置，该影像辨识装置连接该控制装置，通过该控制装置控制该影像辨识装置，以侦测该车外环境中的该障碍物，并将侦测出的该障碍物的影像显示在该影像辨识装置。