CN208060708U - 车载多目标测距测速装置 - Google Patents

Abstract

车载多目标测距测速装置及方法，属于道路环境目标检测领域，装置包括壳体、固定基板、供电模块、天线系统、信号发射模块、信号接收模块、CAN通信模块、通信接口和中央控制器，方法为向空中发射锯齿调制电磁波信号，锯齿调制电磁波信号遇到道路环境中的目标时被反射回来，发射信号和反射信号同时进入差频混频器进行混频处理，输出差频信号；由中央控制器的AD采样输入端对差频信号进行AD采样，中央控制器用于实现快速傅立叶变换、目标的距离与速度计算，将测量计算后目标的距离和速度参数传送给车载中控单元；本发明提供的装置及方法，能够同时测量道路环境目标的距离参数和速度参数，并且可以有效提高在多目标情况下的测量准确性。

Description

车载多目标测距测速装置

技术领域

本实用新型属于道路环境目标检测领域，尤其是涉及一种车载多目标测距测速装置。

背景技术

随着社会的发展，汽车成为人们出行交通工具的首选。出行人口众多的复杂交通状况导致我国车辆碰撞类交通事故频发。车辆碰撞类交通事故已经成为我国交通安全治理的难题。此难题同样困扰着国际上主要发达国家，为了解决此难题，国际各主要国家投入大量人力、物力对汽车防撞系统进行研制，而对道路环境目标检测的研究无疑是汽车智能辅助驾驶系统研制的核心。

众所周知，雷达的基本功能是发现目标并给出相关信息。它是通过向空间发射某种特定的信号，然后接收并处理目标的回波信号来实现的。汽车防撞雷达可以在恶劣的天气下工作，尤其在能见度较低的情况下，它可以代替人眼对前方目标加以判断，更能发挥它的防撞效用。汽车防撞雷达对提高车辆行驶安全，降低交通碰撞事故，减少人民生命财产损失起到了重要作用。

汽车防撞雷达作为一项汽车安全设备对精确性和实时性都有较高的要求。一个完全实用的雷达产品不仅要能够分辨前方障碍的有无。还应精确的分辨出个数，位置，以及相应的距离和速度，并智能的判别危险性的大小。而目前的汽车防撞雷达往往是采用锯齿波调频模式的毫米波雷达，该种模式只能实现测距功能，不能实现对目标的速度测量。当目标运动时，目标的速度会在较大程度上影响对目标距离信息测量的准确性，在多目标情况下，这种情况更为显著。而传统的车载防撞雷达则是由信号发生器交替发射锯齿波和定频连续波，来实现对目标距离与速度的同时测量。但是，该方法是通过硬件层面实现对目标参数的测量，工程实现成本相对较高，且无法准确的完成对道路环境中多目标的准确测量。因此，需要对现有的汽车防撞雷达测距测速方法进行改进。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有基于锯齿波调制模式的汽车防撞雷达只能实现道路环境目标距离参数测量的缺陷，提供一种车载多目标测距测速装置，能够同时测量道路环境目标的距离参数和速度参数，并且可以有效提高在多目标情况下的测量准确性。

本实用新型是采用如下技术方案实现的：车载多目标测距测速装置，其特征在于：包括壳体、固定基板、供电模块、天线系统、信号发射模块、信号接收模块、CAN通信模块、通信接口和中央控制器，

所述壳体包括上盖与外壳，上盖通过固定螺钉固定在外壳上；

所述固定基板通过螺钉固定在外壳内底部；

所述供电模块固定于固定基板上，供电模块分别与信号发射模块、信号接收模块、CAN通信模块及中央控制器的电压输入端相连；

所述天线系统包括发射天线和接收天线，发射天线和接收天线并排固定于上盖的内侧，其中发射天线与功率放大器的输出端相连；所述接收天线与差频混频器的输入端相连；

所述信号发射模块固定在固定基板上，信号发射模块包括锯齿波发生器、压控振荡器、功率分配器及功率放大器；所述锯齿波发生器输出端与压控振荡器的输入端相连；所述压控振荡器用于控制产生频率随在时间上按锯齿状变化的连续周期等幅波形，压控振荡器的输出端与功率分配器的输入端相连；所述功率分配器用于将一路锯齿调制电磁波信号能量分成两路输出相等能量的锯齿调制电磁波信号，功率分配器的输出端分别与功率放大器、差频混频器的输入端相连；

所述信号接收模块固定于固定基板上，并位于信号发射模块的下方，信号接收模块包括差频混频器、滤波电路及放大电路，其中差频混频器用于将发射信号与目标回波信号的频率进行混合，获得两者的差频频率，滤波电路的输入端与差频混频器的输出端相连；放大电路的输入端与滤波电路的输出端相连，放大电路的输出端与中央控制器的AD采样输入端相连；

所述CAN通信模块固定于固定基板上，CAN通信模块的输入端与中央控制器的CAN通信输出端相连，CAN通信模块的输出端与通信接口相连；

所述通信接口安装在壳体侧壁上，通信接口与车载CAN总线接口连接；

所述中央控制器固定在固定基板上，中央控制器的AD采样输入端与放大电路的输出端相连；中央控制器用于计算出目标的距离与速度，中央控制器的CAN通信输出端与CAN通信模块的输入端相连。

所述天线系统为贴片天线。

所述滤波电路采用低通滤波电路。

所述中央控制器采用Infineon公司生产的型号为XMC4400的微控制器芯片。

通过上述设计方案，与现有技术相比本实用新型可以带来如下有益效果：

1、本实用新型所述的车载多目标测距测速装置实现了在锯齿波调制模式下，同时测量道路目标的距离和速度信息，克服了传统的锯齿波调制车载雷达只能测量距离的缺陷；

2、由于本实用新型所述的多目标测距测速方法是通过信号处理的层面解决同时测量目标的距离和速度，而不是通过硬件层面解决该问题，因此本实用新型在一定程度上降低了系统成本；

3、本实用新型所述的多目标测距测速方法采用快速傅里叶变换对混频信号进行频谱分析，该方法计算量小，能满足车载防撞雷达系统的实时性要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型车载多目标测距测速装置的结构示意框图。

图2为本实用新型车载多目标测距测速装置的结构装配图。

图3为本实用新型车载多目标测距测速装置的结构爆炸图。

图4为本实用新型的第一个检测周期频谱图。

图5为本实用新型的第二个检测周期频谱图。

图6为本实用新型的车载多目标测距测速方法流程框图。

图中各标记如下：1-上盖、2-外壳、3-固定基板、4-接收天线、5-发射天线、6-供电模块、7-信号发射模块、8-信号接收模块、9-CAN通信模块、10-通信接口、11-中央控制器、12-锯齿波发生器、13-压控振荡器、14-功率分配器、15-功率放大器、16-差频混频器、17-滤波电路、18-放大电路。

具体实施方式

为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细的叙述。

参阅图1、图2及图3，本实用新型提出的车载多目标测距测速装置，从装置结构上看，该测距测速装置包括壳体、固定基板3、供电模块6、天线系统、信号发射模块7、信号接收模块8、CAN通信模块9、通信接口10和中央控制器11。

所述壳体用于保护装置内部各个模块，壳体包括上盖1与外壳2，上盖1通过固定螺钉固定在外壳2上；

所述固定基板3用于固定所述供电模块6、信号发射模块7、信号接收模块8、CAN通信模块9和中央控制器11，固定基板3通过螺钉固定在外壳2内底部。

所述供电模块6固定于固定基板3上，用于为整个装置提供电源，通过设计一系列电压转换电路，为装置内各个模块提供相应的额定工作电压，使各个模块正常运行。供电模块6分别与信号发射模块7、信号接收模块8、CAN通信模块9及中央控制器11的电压输入端相连，为各个模块供电。

所述天线系统采用贴片天线，天线系统包括发射天线5和接收天线4，两者并排固定于上盖1的内侧，其中发射天线5与功率放大器15的输出端相连，用于发射产生的锯齿调制电磁波信号；所述接收天线4与差频混频器16的输入端相连，用于接收由目标反射回来的锯齿调制电磁波信号；

所述信号发射模块7固定在固定基板3上，信号发射模块7包括锯齿波发生器12、压控振荡器13、功率分配器14及功率放大器15；所述锯齿波发生器12用于输出所需要的调制波形即锯齿调制电磁波信号，锯齿波发生器12的输出端与压控振荡器13的输入端相连；所述压控振荡器13用于控制产生频率随在时间上按锯齿状变化的连续周期等幅波形，压控振荡器13的输出端与功率分配器14的输入端相连；所述功率分配器14用于将一路的锯齿调制电磁波信号能量分成两路输出相等能量的锯齿调制电磁波信号，得到的两路锯齿调制电磁波信号，一路进入功率放大器15，另一路进入差频混频器16，功率分配器14的输出端分别与功率放大器15、信号接收模块8中差频混频器16的输入端相连；所述功率放大器15用于放大输出锯齿调制电磁波信号的功率，功率放大器15的输出端与天线系统中发射天线5相连；

所述信号接收模块8固定于固定基板3上，位于信号发射模块7的下方，信号接收模块8包括差频混频器16、滤波电路17及放大电路18，其中差频混频器16用于将发射信号与目标回波信号的频率进行混合，获得两者的差频频率，差频混频器16的输入端与接收天线4的输出端相连；滤波电路17用于对输入锯齿调制电磁波信号进行滤波处理，由于回波信号在接收的同时必定会引入其他噪声信号，为避免噪声信号对回波信号的影响，需将其滤除，本实用新型中的滤波电路17采用低通滤波电路，滤波电路17的输入端与差频混频器16的输出端相连；放大电路18用于放大差频信号，由于系统功率限制，差频信号的能量较小，是毫伏级别的微小信号，需将差频信号进行放大，放大电路18的输入端与滤波电路17的输出端相连，放大电路18的输出端与中央控制器11的AD采样输入端相连；

所述CAN通信模块9固定于固定基板3上，用于和车载CAN总线进行通信，将测量计算后目标的距离和速度参数传送给车载中控单元，CAN通信模块9的输入端与中央控制器11的CAN通信输出端相连，CAN通信模块9的输出端与通信接口10相连；

所述通信接口10安装在壳体侧壁上，通信接口10固定于壳体开口处，用于本实用新型装置与车载CAN总线接口的连接；

所述中央控制器11用于差频信号的AD采样，将信号接收模块8输出的模拟信号转化为数字信号，中央控制器11的AD采样输入端与放大电路18的输出端相连；所述的中央控制器11用于实现快速傅立叶变换、目标的距离与速度计算，并且用于与CAN通信模块9的信息传输，中央控制器11的CAN通信输出端与CAN通信模块9的输入端相连。所述中央控制器11采用Infineon公司生产的型号为XMC4400的微控制器芯片。

具体车载多目标测距测速方法，包括以下步骤：

步骤一、由锯齿波发生器12输出所需要的锯齿调制电磁波信号，锯齿调制电磁波信号经过压控振荡器13的控制产生频率随在时间上按锯齿状变化的连续周期等幅波形，随后，锯齿调制电磁波信号输入至功率分配器14，功率分配器14将一路的锯齿调制电磁波信号能量分成两路输出相等能量的锯齿调制电磁波信号，得到的两路锯齿调制电磁波信号，一路进入功率放大器15，另一路进入差频混频器16，锯齿调制电磁波信号经过功率放大器15后，通过发射天线5向空中发射锯齿调制电磁波信号，后简称为发射信号，当锯齿调制电磁波信号遇到道路环境中的目标时，目标的表面会将其反射回来；

步骤二、由目标反射回来的锯齿调制电磁波信号通过接收天线4进行目标信号采集，后简称为接收信号，将采集到的接收信号送入差频混频器16当中，同时将步骤一中经功率分配器14获得的另一路锯齿调制电磁波信号送至差频混频器16中，达到发射信号与接收信号的混频处理，输出混频信号，即差频信号；

步骤三、由于噪声信号会对道路目标的距离和目标的速度测量产生较大影响，因此，差频信号需要经滤波电路17进行噪声信号的滤除，由于系统功率限制，差频信号的能量较小，差频信号经过放大电路18进行放大处理；

步骤四、由中央控制器11的AD采样输入端对放大后的差频信号进行AD采样，以便后续差频信号处理，AD采样所持续的时间称为检测周期，相邻的两个检测周期之间的时间间隔称为检测间隔周期T_p；

步骤五、结合图4和图5，通过快速傅里叶变换算法进行频谱分析，从而获得相邻的两个检测周期内目标的中心频率分别为f_b与f′_b，两个中心频谱值可分别由第一个检测周期和第二个检测周期的频谱图获得，分别为

式中，μ为锯齿波调制斜率，T_p为检测间隔周期，f₀为发射信号的载频频率，c为光速，V为第一个检测周期时目标的速度，R为第一个检测周期时目标的距离，V′为第二个检测周期时目标的速度；

检测间隔周期T_p的阈值小于10ms，在检测间隔周期T_p内，可近似认为在检测间隔周期T_p内，目标的速度变化值忽略不计，即V≈V′。则相邻的两个检测周期目标的中心频率差值为:

式中，ΔR为经过一个检测间隔周期T_p后目标产生的位移。

由上式可知，可由这个中心频率差值Δf获得目标的速度参数，目标速度参数的求导公式为再通过第一个检测周期的中心频率可获得目标的距离参数，目标的距离参数的求导公式为

步骤六、结合图6，当处于多目标情况下，回波信号的频谱图会产生多个频率峰值，这样第一个检测周期和第二个检测周期的频谱图中将同时出现多个目标的中心频率，由于相同目标的回波功率相似，即相同目标在频谱图当中其中心频率对应的功率峰值近似相同，即在图4和图5中，P₁≈P₁′,P₂≈P₂′,…,P_i≈P_i′,…,P_n≈P′_n，其中，n为道路环境中的目标个数，n≥1，1≤i≤n,P_i为第i个目标在第一个检测周期的中心频率所对应的功率峰值，P_i′为第i个目标在第二个检测周期的中心频率所对应的功率峰值。可结合这一特点实现第一个检测周期和第二个检测周期内的同目标匹配，第一个检测周期和第二个检测周期内同目标匹配，获得n个目标在相邻的两个检测周期目标的中心频率差值Δf₁,Δf₂,…,Δf_i,...,Δf_n，n为道路环境中的目标个数，n≥1，1≤i≤n,Δf_i为第i个目标在相邻的两个检测周期的中心频率差值；

，

为第i个目标在第一个检测周期的中心频率，为第i个目标在第二个检测周期的中心频率。

根据n个在相邻的两个检测周期中心频率差值得到对应目标的速度参数，分别为V＝[V₁,V₂,...,V_i,...,V_n]，其中，再根据第i个目标在第一个检测周期的中心频率可获得目标的距离参数，R＝[R₁,R₂,...,R_i,...,R_n]，其中，最终实现在多目标情况下的测速测距功能。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims (4)

1.车载多目标测距测速装置，其特征在于：包括壳体、固定基板(3)、供电模块(6)、天线系统、信号发射模块(7)、信号接收模块(8)、CAN通信模块(9)、通信接口(10)和中央控制器(11)，

所述壳体包括上盖(1)与外壳(2)，上盖(1)通过固定螺钉固定在外壳(2)上；

所述固定基板(3)通过螺钉固定在外壳(2)内底部；

所述供电模块(6)固定于固定基板(3)上，供电模块(6)分别与信号发射模块(7)、信号接收模块(8)、CAN通信模块(9)及中央控制器(11)的电压输入端相连；

所述天线系统包括发射天线(5)和接收天线(4)，发射天线(5)和接收天线(4)并排固定于上盖(1)的内侧，其中发射天线(5)与功率放大器(15)的输出端相连；所述接收天线(4)与差频混频器(16)的输入端相连；

所述信号发射模块(7)固定在固定基板(3)上，信号发射模块(7)包括锯齿波发生器(12)、压控振荡器(13)、功率分配器(14)及功率放大器(15)；所述锯齿波发生器(12)输出端与压控振荡器(13)的输入端相连；所述压控振荡器(13)用于控制产生频率随在时间上按锯齿状变化的连续周期等幅波形，压控振荡器(13)的输出端与功率分配器(14)的输入端相连；所述功率分配器(14)用于将一路锯齿调制电磁波信号能量分成两路输出相等能量的锯齿调制电磁波信号，功率分配器(14)的输出端分别与功率放大器(15)、差频混频器(16)的输入端相连；

所述信号接收模块(8)固定于固定基板(3)上，并位于信号发射模块(7)的下方，信号接收模块(8)包括差频混频器(16)、滤波电路(17)及放大电路(18)，其中差频混频器(16)用于将发射信号与目标回波信号的频率进行混合，获得两者的差频频率，滤波电路(17)的输入端与差频混频器(16)的输出端相连；放大电路(18)的输入端与滤波电路(17)的输出端相连，放大电路(18)的输出端与中央控制器(11)的AD采样输入端相连；

所述CAN通信模块(9)固定于固定基板(3)上，CAN通信模块(9)的输入端与中央控制器(11)的CAN通信输出端相连，CAN通信模块(9)的输出端与通信接口(10)相连；

所述通信接口(10)安装在壳体侧壁上，通信接口(10)与车载CAN总线接口连接；

所述中央控制器(11)固定在固定基板(3)上，中央控制器(11)的AD采样输入端与放大电路(18)的输出端相连；中央控制器(11)用于计算出目标的距离与速度，中央控制器(11)的CAN通信输出端与CAN通信模块(9)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的车载多目标测距测速装置，其特征在于：所述天线系统为贴片天线。

3.根据权利要求1所述的车载多目标测距测速装置，其特征在于：所述滤波电路(17)采用低通滤波电路。

4.根据权利要求1所述的车载多目标测距测速装置，其特征在于：所述中央控制器(11)采用Infineon公司生产的型号为XMC4400的微控制器芯片。