CN113341415A - 一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，雷达检测到的车辆信号通过雷达的天线接收，经过放大器、DSP、到达雷达CPU，通过雷达CPU上的CAN控制器产生数字信号；数字信号经过雷达中的物理层TJA1050转换为能过通过差分CAN线传输的高低电平信号，并将高低电平信号传输至工控机；工控机中的链路层MCP2515通过SPI总线将雷达信号传输至树莓派bcm2711，信号通过SPI协议传输至pcb板上的spi；由DMA直接访问内存将信息传输至MEM内存，加快CAN收发速度，最终四路雷达的信号经过两路CAN线，四路spi控制器接入到ARM A72×4的四个核心，综合四路雷达信息。本发明解决了分布式计算方法延时高的问题，且线程打断频率大大减低，提高了CPU计算效率，可以处理更大数据量。

Description

一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统

技术领域

本发明涉及智能交通感知领域，尤其是涉及一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统。

背景技术

近几年来，随着经济社会快速发展，以及路侧传感器技术的进步和成本的下降，基于各类路侧传感器的车辆轨迹感知技术层出不穷，目前国内外广泛使用的车辆轨迹识别方法为基于摄像机的车辆轨迹识别方法，一方面，摄像机对于车辆的速度感知不敏感，因此，不同路段摄像机获取的车辆轨迹不能基于车辆运动特征进行有效拼接，另一方面，摄像机对于远端车辆的识别精度较低，无法基于外观特征对车辆进行实时标定和识别，因此，不同路段摄像机获取的车辆轨迹不能基于车辆外观信息特征进行有效拼接，另一方面，摄像机依赖视觉识别，对外界光线条件要求较高，在恶劣气象条件下和夜间条件识别精度较低。这三方面导致视觉传感器对于高精度长范围连续车辆轨迹的获取有难度。而长范围连续车辆轨迹的获取对于车辆运行状态识别、车辆违法行为连续监测、驾驶行为分析及智慧交通管理的发展具有十分重要的价值。因此，迫切需要提出一种基于非视觉路侧传感器的车辆轨迹识别方法。

随着毫米波雷达硬件成本逐步降低，部分军用高精度毫米波雷达逐步开源给民用领域，毫米波雷达具有波长短、频带宽(频率范围大)，穿透能力强的特点，逐步应用于车辆轨迹感知领域，然而，现有的雷达信号处理方案大多为分布式计算方案，延时较高，对计算资源占用较大，难以对车辆行为作出纳秒级及时响应，因此需要迫切提出一种高效、低延时的收发处理系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，四路雷达的信号经过两路CAN线，四路spi控制器接入到ARM A72×4的四个核心，综合四路雷达信息。解决了分布式计算方法延时高的问题，且线程打断频率大大减低，提高了CPU计算效率，可以处理更大数据量。

一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，通过四路毫米波雷达获取移动车辆的车辆轨迹数据和车辆雷达反射数据，

所述车辆轨迹数据的字段包括：车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标和切向坐标，车辆速度的径向分量和切向分量；

所述车辆雷达反射数据包括：雷达反射面积、轨迹点的经纬度、轨迹点对应的平均速度及方向识别轨迹数据；

雷达返回的数据通过两路CAN线传给MCP2515独立控制器局域网络协议控制器，通过MCP2515发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧；所述MCP2515自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器过滤掉不需要的报文。

进一步的，MCP2515与MCU通过业界标准串行外设接口高速SPI接口传输数据，SPI接口传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

进一步的，树莓派bcm2711有四个CPU内核，其CAN网络控制器有四个，允许被中断控制器分别打断，每个CPU有20％的时间处理信号，通过DMA直接内存访问MEM内存以加快CAN收发速度。

进一步的，所述系统采用的是实时的雷达数据，扫描频率为60Hz，雷达返回数据频率为1MHz。

进一步的，所述车辆雷达反射数据包括车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标，车辆相对雷达的切向坐标，车辆速度的径向分量和车辆速度的切向分量。

数据处理过程如下：

车辆信号通过雷达的天线接收，经过放大器、DSP、到达雷达CPU，通过雷达CPU上的CAN控制器产生数字信号，数字信号经过雷达中的物理层TJA1050转换为能通过差分CAN线传输的高低电平信号，并将高低电平信号传输至工控机；

工控机中的链路层MCP2515通过SPI总线将雷达信号传输至树莓派bcm2711，信号通过SPI协议传输至pcb板上的spi；由DMA直接访问内存将信息传输至MEM内存以加快CAN收发速度，最终由ARM A72核心计算处理。

本发明提供的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

一、本发明方法所用的数据为路侧固定的四个一组的毫米波雷达检测设备组采集数据，采用的是实时的雷达数据，具有检测精度高，检测速度快的特点，填补了在使用毫米波雷达采集车辆轨迹领域的空白；

二、雷达检测到的车辆信号通过雷达的天线接收，经过放大器、DSP、到达雷达CPU，通过雷达CPU上的CAN控制器产生01数字信号，数字信号经过雷达中的物理层TJA1050转换为能过通过差分CAN线传输的高低电平信号，并将高低电平信号传输至工控机；

三、工控机中的链路层MCP2515通过SPI总线将雷达信号传输至树莓派bcm2711，信号通过SPI协议传输至pcb板上的spi；由DMA直接访问内存将信息传输至MEM内存，加快CAN收发速度，最终由ARM A72核心计算处理；

四、最终四路雷达的信号经过两路CAN线，四路spi控制器接入到ARM A72×4的四个核心，综合四路雷达信息。可避免分布式计算方法延时高的问题，且线程打断频率大大减低，提高了CPU计算效率，可以处理更大数据量；CAN帧丢失率从0.1％降低到0.001％，CAN帧响应时间从1000微秒降低到70微秒，CAN协议支持程度从部分支持提升为完全支持CANV2.0B技术规范，平均单路CAN功耗从3瓦降低至1瓦，软件开发难易程度不需要安装特定应用程序库，开箱即用。

五、本发明采用多核CPU并行处理四线程的方式，解决了单核CPU分别处理单线程方式出现的延时高的问题。通过DMA不打扰CPU直接访问内存控制器，解决了CPU中断频率高、算力占用大的问题。同时，多核CPU处理毫米波雷达组信息可解决设备箱发热问题，进一步降低硬件成本，设备可靠性更高。

附图说明

图1为实施例中基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统的信息传输处理流程示意图；

图2为实施例中基于毫米波雷达组的硬件设备外设示意图。

图3为实施例中雷达安装部署示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，利用交通道路上安装的毫米波雷达，感知交通道路上移动的车辆，获取毫米波雷达检测的车辆轨迹数据和车辆雷达反射数据。

本发明利用四路雷达模块数据，四路毫米波雷达分别连接同一个工控机，通过在道路两侧设置一定高度的横杆，将毫米波雷达安装在横杆中央，以探测车道上包括车辆在的物体位置、速度等信息。

毫米波雷达检测的车辆轨迹数据的字段包括：车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标，车辆相对雷达的切向坐标，车辆速度的径向分量和车辆速度的切向分量。车辆雷达反射数据包括雷达反射面积、轨迹点的经纬度、轨迹点对应的平均速度及方向识别轨迹数据。

雷达返回数据通过两路CAN线传给MCP2515独立控制器局域网络协议控制器。通过MCP2515发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。MCP2515自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器过滤掉不想要的报文。

MCP2515与MCU通过业界标准串行外设接口高速SPI接口传输数据，SPI接口传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

树莓派bcm2711有四个CPU内核，其CAN网络控制器有四个，可以被中断控制器分别打断，每个CPU有20％的时间处理信号。通过DMA直接内存访问MEM内存，加快CAN收发速度。

毫米波雷达检测的车辆数据所用的数据为路侧固定的四个一组的毫米波雷达检测设备组采集数据，采用的是实时的雷达数据，扫描频率为60Hz，雷达返回数据频率为1MHz。

车辆雷达反射数据包括车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标，车辆相对雷达的切向坐标，车辆速度的径向分量和车辆速度的切向分量。

4路毫米波雷达为一组分别连接同一个工控机，以探测车道上包括车辆在的物体位置、速度等信息，具体内容为：

雷达检测到的车辆信号通过雷达的天线接收，经过放大器、DSP、到达雷达CPU，通过雷达CPU上的CAN控制器产生01数字信号，数字信号经过雷达中的物理层TJA1050转换为能过通过差分CAN线传输的高低电平信号，并将高低电平信号传输至工控机；

工控机中的链路层MCP2515通过SPI总线将雷达信号传输至树莓派bcm2711，信号通过SPI协议传输至pcb板上的spi；由DMA直接访问内存将信息传输至MEM内存，加快CAN收发速度，最终由ARM A72核心计算处理。

本发明采用多核CPU并行处理四线程的方式，解决了单核CPU分别处理单线程方式出现的延时高的问题。通过DMA不打扰CPU直接访问内存控制器，树莓派bcm2711有四个CPU内核，其CAN网络控制器有四个，可以被中断控制器分别打断，每个CPU有20％的时间处理信号。解决了CPU中断频率高、算力占用大的问题。同时，多核CPU处理毫米波雷达组信息可解决设备箱发热问题，进一步降低硬件成本，设备可靠性更高。

实施例

本发明涉及一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，该方法充分利用毫米波雷达返回的数据，利用四路雷达模块数据，经由两路CAN线，四路spi控制器接入到ARM A72×4的四个核心，综合四路雷达信息更快，相比于由4个单核芯片处理的分布式计算方法延时大大降低，由网络级的1毫秒降至几十纳秒，同时，线程打断频率从每秒几万次降为每秒一次，频率大大减低，提高了CPU计算效率，可以处理更大数据量。该方法包括如下步骤：

首先利用交通道路上安装的毫米波雷达，感知交通道路上移动的车辆，获取毫米波雷达检测的车辆轨迹数据和车辆雷达反射数据。

毫米波雷达通过安装在一定高度的杆件上4个雷达组成一组的同时适当倾斜，可实现对一定距离范围内物体位置的探测和感知。在本实施例中，4路毫米波雷达分别连接同一个工控机，通过在道路两侧设置一定高度的横杆，将毫米波雷达安装在横杆中央，以探测车道上包括车辆在的物体位置、速度等信息。雷达安装布设示意图如图3所示。

毫米波雷达检测的车辆轨迹数据的字段包括：车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标，车辆相对雷达的切向坐标，车辆速度的径向分量和车辆速度的切向分量。车辆雷达反射数据包括雷达反射面积、轨迹点的经纬度、轨迹点对应的平均速度及方向识别轨迹数据。扫描频率为60Hz，雷达返回数据频率为1MHz。

雷达返回数据通过两路CAN线传给MCP2515独立控制器局域网络协议控制器。通过MCP2515发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧。MCP2515自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器过滤掉不想要的报文，减少主单片机的开销。

在本实施例中，MCP2515与MCU通过业界标准串行外设接口高速SPI接口传输数据，在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。SPI接口传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

由于SPI接口传输的数据包一分钟有500kb，频率为10MHz，如果直接访问树莓派bcm2711，则树莓派被打断CPU次数过多，将大大影响CPU计算速度并引起死机，因此本发明选取DMA直接内存访问，加快CAN收发速度。

树莓派bcm2711有四个CPU内核，其CAN网络控制器有四个，可以被中断控制器分别打断，每个CPU有20％的时间处理信号。

本发明提供的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，用于解决由一个多核CPU并行处理四路雷达信息效率低下，线程打断频率高、延时高的技术问题。利用在交通道路上以一定间距布设四个一组的毫米波雷达，获取车辆反射信号，雷达检测到的车辆信号通过雷达的天线接收，经过放大器、DSP、到达雷达CPU，通过雷达CPU上的CAN控制器产生01数字信号；数字信号经过雷达中的物理层TJA1050转换为能过通过差分CAN线传输的高低电平信号，并将高低电平信号传输至工控机；工控机中的链路层MCP2515通过SPI总线将雷达信号传输至树莓派bcm2711，信号通过SPI协议传输至pcb板上的spi；由DMA直接访问内存将信息传输至MEM内存，加快CAN收发速度，最终由ARM A72核心计算处理；最终四路雷达的信号经过两路CAN线，四路spi控制器接入到ARM A72×4的四个核心，综合四路雷达信息。本发明解决了分布式计算方法延时高的问题，且线程打断频率大大减低，提高了CPU计算效率，可以处理更大数据量。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，其特征在于，通过四路毫米波雷达获取移动车辆的车辆轨迹数据和车辆雷达反射数据，其中：

所述车辆轨迹数据的字段包括：车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标和切向坐标，车辆速度的径向分量和切向分量；

所述车辆雷达反射数据包括：雷达反射面积、轨迹点的经纬度、轨迹点对应的平均速度及方向识别轨迹数据；

雷达返回的数据通过两路CAN线传给MCP2515独立控制器局域网络协议控制器，通过MCP2515发送和接收标准和扩展数据帧以及远程帧；所述MCP2515自带的两个验收屏蔽寄存器和六个验收滤波寄存器过滤掉不需要的报文。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，其特征在于，MCP2515与MCU通过业界标准串行外设接口高速SPI接口传输数据，SPI接口传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

3.根据权利要求1或2所述的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，其特征在于，树莓派bcm2711有四个CPU内核，其CAN网络控制器有四个，允许被中断控制器分别打断，每个CPU有20％的时间处理信号，通过DMA直接内存访问MEM内存以加快CAN收发速度。

4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，其特征在于，采用实时的雷达数据，扫描频率为60Hz，雷达返回数据频率为1MHz。

5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，其特征在于，所述车辆雷达反射数据包括车辆ID，时间戳，车辆相对雷达的径向坐标，车辆相对雷达的切向坐标，车辆速度的径向分量和车辆速度的切向分量。

6.根据权利要求4或5所述的基于毫米波雷达组的多路车辆轨迹信息处理系统，其特征在于，数据处理过程如下：

车辆信号通过雷达的天线接收，经过放大器、DSP、到达雷达CPU，通过雷达CPU上的CAN控制器产生数字信号，数字信号经过雷达中的物理层TJA1050转换为能通过差分CAN线传输的高低电平信号，并将高低电平信号传输至工控机；

工控机中的链路层MCP2515通过SPI总线将雷达信号传输至树莓派bcm2711，信号通过SPI协议传输至pcb板上的spi；由DMA直接访问内存将信息传输至MEM内存以加快CAN收发速度，最终由ARM A72核心计算处理。

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