CN116609748A - 一种基于uwb雷达的车载活体检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，涉及车载活体检测领域，通过车内原有的UWB雷达，在触发检测条件后定时发射UWB信号,并持续接收UWB信号发生反射后的回波信号，根据回波信号确定单次发射周期内的有效CIR数据，形成有效CIR数据组，并获取最近连续预设次数发射周期的有效CIR数据组形成计算数组，判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体运动的条件，若是则判定车内存在活体，若否，则继续判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体呼吸的条件，若是则判定车内存在活体，通过不断的循环检测，实现了对车内活体的实时与精确检测，避免了现有技术中通过摄像头进行活体检测，存在检测不到位、隐私侵犯的问题，同时降低了检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及车载活体检测领域，尤其涉及一种基于UWB雷达的车载活体检测方法。
背景技术
儿童被遗忘在车内，导致过热死亡的社会关注度越来越高。研究发现，当气温达到35℃时，阳光照射15分钟，封闭车厢里的温度就能升至65℃；车内温度可以在不到20分钟内达到人体承受的临界水平(41℃)，这会导致孩子的大脑和肾脏受损，半个小时即可让孩子昏迷甚至身亡。现有技术中，主要包括两种技术方案：
技术方案一：采用摄像头识别；而采用摄像头做车内活体检测，会有侵犯用户隐私的风险；另外当小孩子在车内被衣服或毛毯遮盖时，或在摄像头覆盖不到的位置时，摄像头无法识别和检测到；
技术方案二：采用毫米波雷达进行检测，虽然能实现活体检测但是其成本较高；因此，为了解决上述技术问题，本发明基于车内原有的UWB雷达装置，提出了一种基于UWB雷达的车载活体检测方法。
发明内容
为了解决现有技术中通过摄像头进行活体检测，存在检测不到位、隐私侵犯的问题，以及采用毫米波雷达进行检测，成本过高的问题，本发明提出了一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，所述UWB雷达用于在触发检测条件后定时发射UWB信号,并持续接收UWB信号发生反射后的回波信号；所述检测方法包括步骤：
S1：实时获取回波信号，根据回波信号确定单次发射周期内的有效CIR数据，并形成有效CIR数据组；有效CIR数据为单次发射周期内的前预设序号路径的CIR数据；有效CIR数据组包括路径序号、周期序号以及对应的CIR数据；
S2：获取最近连续预设次数发射周期的有效CIR数据组形成计算数组；
S3：判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体运动的条件，若是则判定车内存在活体，否则进入S4步骤；
S4：判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体呼吸的条件，若是则判定车内存在活体。
进一步地，所述S3步骤具体为：
提取计算数组中相同路径序号但不同周期序号对应的CIR数据形成同路径CIR数据组，并计算各路径序号对应的同路径CIR数据组的幅值方差；
比较并确定最大的幅值方差；
判断最大的幅值方差是否超过方差阈值，若是则判定存在活体运动，否则进入下一步骤。
进一步地，所述S4步骤具体为：
获取最大的幅值方差对应的同路径CIR数据组；
将该同路径CIR数据组中的数据进行傅里叶变换并获取频谱图数据；
判断预设频率区域的分量能量与整个信号能量的能量比值是否超过比值阈值，若是则判定存在活体呼吸。
进一步地，所述S3步骤还包括：
判断最大的幅值方差是否超过方差阈值，若是，则生成控制信号并传输至车身控制器，通过车身控制器进行预警。
进一步地，所述S4步骤还包括：
判断预设频率区域的分量能量与整个信号能量的能量比值是否超过比值阈值，若是则生成控制信号并传输至车身控制器，通过车身控制器进行预警。
进一步地，所述S1步骤中，还包括对CIR信号进行滤波处理。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明通过车内原有的UWB雷达，在触发检测条件后定时发射UWB信号,并持续接收UWB信号发生反射后的回波信号，根据回波信号确定单次发射周期内的有效CIR数据，形成有效CIR数据组，并获取最近连续预设次数发射周期的有效CIR数据组形成计算数组，判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体运动的条件，若是则判定车内存在活体，若否，则继续判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体呼吸的条件，若是则判定车内存在活体，通过不断的循环检测，实现了对车内活体的实时与精确检测，避免了现有技术中通过摄像头进行活体检测，存在检测不到位、隐私侵犯的问题，同时本发明基于车内原有的UWB雷达进行检测，也完全避免了采用毫米波雷达进行检测，成本过高的问题；
(2)本发明基于收发一体的UWB雷达进行活体检测，覆盖度高，解决了现有技术中摄像头覆盖不到位的问题；
(3)本发明基于收发一体的UWB雷达进行活体检测，不存在侵犯用户隐私的风险，另外，本发明检测所用的UWB雷达为车内原有的收发一体的UWB雷达，无需增加额外的成本。
附图说明
图1为一种基于UWB雷达的车载活体检测方法的流程图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了解决现有技术中通过摄像头进行活体检测，存在检测不到位、隐私侵犯的问题，以及采用毫米波雷达进行检测，成本过高的问题，本发明基于车内原有的UWB雷达，如图1所示，提出了一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，所述UWB雷达用于在触发检测条件后定时发射UWB信号,并持续接收UWB信号发生反射后的回波信号；在车辆上锁或满足其他检测条件后，实时检测被触发；需要说明的是，所述UWB雷达具体包括两根UWB天线，其中一根UWB天线为UWB发射天线用于定时发射UWB信号，另外一根UWB天线为信号接收天线用于接收UWB信号发生反射后的回波信号。所述检测方法包括步骤：
S1：实时获取回波信号，根据回波信号确定单次发射周期内的有效CIR数据，并形成有效CIR数据组；有效CIR数据为单次发射周期内的前预设序号路径的CIR数据；有效CIR数据组包括路径序号、周期序号以及对应的CIR数据；所述S1步骤中，还包括对CIR信号进行滤波处理。
本实施例中,UWB发射天线定时每50ms一次发射UWB信号，也即20Hz的发射频率,UWB接收天线持续接收并获取回波信号，由于回波信号是持续性的且具有以发射周期为周期的周期性变化，故而需要区别归属不同周期的CIR数据。
本实施例中有效CIR数据组中的有效CIR数据数量为16个，也即在单次发射周期的回波信号中，截取前16个路径对应的CIR数据为有效CIR数据；所述路径指的是信号传播路径，当UWB信号发射后，UWB信号在车内传播会经过各种不同位置的物体表面单次或多次反射后被信号接收天线接收，UWB信号通过不同位置的物体表面单次或多次反射后被就接收可以认定为该UWB信号通过不同的信号传播路径，由于各信号传播路径的经过实际距离有大有小，故而可以获得随时间变化而变化的信号强度数据，进而获得不同时间对应的CIR数据；由于正常情况下用户离开车辆并锁车之后，车内的环境是不变的，故而每次检测周期获得的回波信号也是基本相同，只是正常数值波动，故而可以将不同时间下对应的CIR数据简单转换为按序号路径对应的CIR数据，方便数据存取。每次检测周期中CIR数据的数量是很多的，但是越到后面越接近于杂波，从效用角度来说属于低效或无效数据，越是前面的数据越有效，本实施例就是截取前16个路径对应的CIR数据为有效CIR数据。
S2：获取最近连续预设次数发射周期的有效CIR数据组形成计算数组。
一组有效CIR数据组只能代表对应的检测发射周期下的车内环境情况，只有连续多次的有效CIR数据组才能体现出车内环境情况的变化，本实施例中，计算数组中有效CIR数据组的数量为120组。
S3：判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体运动的条件，若是则判定车内存在活体，否则进入S4步骤。
所述S3步骤具体为：
提取计算数组中相同路径序号但不同周期序号对应的CIR数据形成同路径CIR数据组，并计算各路径序号对应的同路径CIR数据组的幅值方差；
具体地，设定前16个路径依次为第一路径、第二路径、第三路径…第十六路径，那么120个有效CIR数据组对应第一路径的CIR数据组成一个同路径CIR数据组，120个有效CIR数据组对应第二路径的CIR数据组成一个同路径CIR数据组，以此类推，共计16个同路径CIR数据组；
比较并确定最大的幅值方差；
判断最大的幅值方差是否超过方差阈值，若是则判定存在活体运动，否则进入下一步骤；前面已经提到，正常车内的环境是不变的，故而每次检测周期获得的回波信号也是基本相同，也就是说每个路径对应的CIR数据之间应当只有正常的波动变化；如果车内有儿童或宠物遗留，那么儿童或宠物的运动相当于造成了车内环境的变化，故而会导致某个或多个路径对应的CIR数据之间的变化超出正常的波动；也即某个或多个路径序号对应的同路径CIR数据组的幅值方差超过方差阈值。
所述S3步骤还包括：
判断最大的幅值方差是否超过方差阈值，若是，则生成控制信号并传输至车身控制器，通过车身控制器进行预警。
S4：判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体呼吸的条件，若是则判定车内存在活体。
有时候车内遗留的儿童或宠物可能处于睡眠状态，这中情况下仅通过S3步骤的同路径CIR数据组的幅值方差判断难以判断出，因为睡眠状态下儿童或宠物可能仅存在呼吸运动，而呼吸运动对CIR数据造成的影响可能未超出正常的波动范围，故而需要通过其他的算法判断计算数组中的CIR数据变化是否存在活体呼吸的情况。
所述S4步骤具体为：
获取最大的幅值方差对应的同路径CIR数据组；幅值方差最大的同路径CIR数据组意味着该同路径CIR数据组中的CIR数据波动是最大的，故而最有可能是呼吸影响的；
将该同路径CIR数据组中的数据进行傅里叶变换并获取频谱图数据；
判断预设频率区域的分量能量与整个信号能量的能量比值是否超过比值阈值，若是则判定存在活体呼吸。
本实施例是利用多普勒信息感知呼吸的原理：“吸气和呼气时胸部位移产生多普勒频移，而呼吸之间，胸部在保持短时间静止时无多普勒现象”，即当STFT的发射周期(即时间窗口)从静止时刻滑动到呼吸时刻时，多普勒能量逐渐增加；反之，从呼吸时刻滑到静止时刻时多普勒能量减少，移频谱能量波形中以呼吸的周期产生峰值，并在实时循环S2步骤至S4步骤的情况下，通过实时获取发射周期对应的CIR数据，即可实现活体呼吸的实时与连续检测。
需要说明的是，本实施例中，预设频率区域优选为0.2～0.8Hz，该范围是根据人体呼吸频率(正常成年人每分钟呼吸大约12～20次，小儿每分钟呼吸大约20～30次，新生儿的呼吸频率可达每分钟44次；换算后，全年龄段人体每秒呼吸大约0.2～0.73次)确定的。另外，无呼吸时能量比值大约10％，有呼吸时能量比值大约50％，由于车辆内部结构布局不同，能量比值会有较大变化，但是不管车辆内部结构布局如何变化，无呼吸时能量比值和有呼吸时能量比值的差异始终存在明显差异，故而取频率为0.2～0.8Hz的分量能量与整个信号能量进行比较后得到能量比值，根据能量比值与比值阈值的大小就可判断是否存在呼吸。
所述S4步骤还包括：
判断预设频率区域的分量能量与整个信号能量的能量比值是否超过比值阈值，若是则生成控制信号并传输至车身控制器，通过车身控制器进行预警。
需要说明的是，车辆中还包括灯光控制器、喇叭控制器、车窗控制器与空调控制器，当车内存在活体运动或活体呼吸时，所述车身控制器基于控制信号通过CANFD向灯光控制器、喇叭控制器分别下发控制命令，使灯光控制器发出灯光预警信号、喇叭控制器发出鸣笛预警信号等初级警告。另外，当各控制器的初级预警无效时，车身控制器还可通过车载Tbox平台给车厂的云端平台发送升级警告，由车厂的云端平台给用户手机推送短信或电话类的升级警告。若升级警告依然无效，则通过车内的传感器(如温度传感器、二氧化碳传感器等)探测车内环境，所述车身控制器基于传感器的监测值通过CANFD向车窗控制器发出开窗信号，空调控制器发出空调启动信号，以对车辆进行实时干预，保护车内生命体。
本发明通过车内原有的UWB雷达，在触发检测条件后定时发射UWB信号,并持续接收UWB信号发生反射后的回波信号，根据回波信号确定单次发射周期内的有效CIR数据，形成有效CIR数据组，并获取最近连续预设次数发射周期的有效CIR数据组形成计算数组，判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体运动的条件，若是则判定车内存在活体，若否，则继续判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体呼吸的条件，若是则判定车内存在活体，通过不断的循环检测，实现了对车内活体的实时与精确检测，避免了现有技术中通过摄像头进行活体检测，存在检测不到位、隐私侵犯的问题，同时本发明基于车内原有的UWB雷达进行检测，也完全避免了采用毫米波雷达进行检测，成本过高的问题。
本实施例介绍的是通过收发一体UWB雷达，实际上根据原理发射天线和接收天线可以不是一体的，也即发射天线和接收天线分别设置在不同的车内位置。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，其特征在于，所述UWB雷达用于在触发检测条件后定时发射UWB信号,并持续接收UWB信号发生反射后的回波信号；所述检测方法包括步骤：
S1：实时获取回波信号，根据回波信号确定单次发射周期内的有效CIR数据，并形成有效CIR数据组；有效CIR数据为单次发射周期内的前预设序号路径的CIR数据；有效CIR数据组包括路径序号、周期序号以及对应的CIR数据；
S2：获取最近连续预设次数发射周期的有效CIR数据组形成计算数组；
S3：判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体运动的条件，若是则判定车内存在活体，否则进入S4步骤；
S4：判断计算数组中的CIR数据变化是否符合活体呼吸的条件，若是则判定车内存在活体。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，其特征在于，所述S3步骤具体为：
提取计算数组中相同路径序号但不同周期序号对应的CIR数据形成同路径CIR数据组，并计算各路径序号对应的同路径CIR数据组的幅值方差；
比较并确定最大的幅值方差；
判断最大的幅值方差是否超过方差阈值，若是则判定存在活体运动，否则进入下一步骤。
3.根据权利要求2所述的一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，其特征在于，所述S4步骤具体为：
获取最大的幅值方差对应的同路径CIR数据组；
将该同路径CIR数据组中的数据进行傅里叶变换并获取频谱图数据；
判断预设频率区域的分量能量与整个信号能量的能量比值是否超过比值阈值，若是则判定存在活体呼吸。
4.根据权利要求2所述的一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，其特征在于，所述S3步骤还包括：
判断最大的幅值方差是否超过方差阈值，若是，则生成控制信号并传输至车身控制器，通过车身控制器进行预警。
5.根据权利要求3所述的一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，其特征在于，所述S4步骤还包括：
判断预设频率区域的分量能量与整个信号能量的能量比值是否超过比值阈值，若是则生成控制信号并传输至车身控制器，通过车身控制器进行预警。
6.根据权利要求1所述的一种基于UWB雷达的车载活体检测方法，其特征在于，所述S1步骤中，还包括对CIR信号进行滤波处理。
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