TWI614515B - 車用毫米波雷達之環境辨識系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，包含有毫米波雷達裝置偵測車外障礙物，並可將偵測結果轉換成反射資訊，能量強度計算裝置、抗雜訊計算裝置、障礙物寬度計算裝置分別訊號連接毫米波雷達裝置以接收反射資訊，並各自計算出障礙物的能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值、寬度資訊，以傳輸至控制裝置中，控制裝置再整合能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值及寬度資訊以辨識出障礙物的種類。本發明可以有效辨識出各種不同的車外障礙物，並藉此能讓車輛做好即時的應變，例如偵測到行人時可以啟動對應的安全防撞措施。

Description

車用毫米波雷達之環境辨識系統

本發明係關於一種車用的環境辨識系統，特別是利用毫米波雷達偵測車外障礙物，再經由應用演算法計算，以分辨出障礙物種類的車用毫米波雷達之環境辨識系統。

在科技的突飛猛進下，許多日常生活所需的產品技術也伴隨著大幅提升，尤其藉著半導體技術的成熟，更造就了車用電子產品的出現及演進，改善了早期駕駛者所駕駛的車輛，使得現今的車輛不僅具備「行」的功能，更加注許多創新的科技技術在車輛上，以對現今車輛及駕駛作出更進一步的安全防護，從早期的防盜系統、倒車雷達，到現今的障礙物或行人辨識、車外環景影像偵測、自動駕駛等相關技術，皆有利於駕駛的行車安全。

有鑑於此，駕駛在運用這些先進的車用電子技術時，理應具有更高的安全性及防護性，但現今的障礙物或行人辨識技術，卻不易於完全分辨出行人或其它障礙物。例如，請參照本發明第一a圖所示，一般車輛10可以運用影像偵測人體輪廓的特徵，藉此辨識出行人12，但影像辨識技術因為攝影機安裝在車輛10的位置以及攝影機本身具有視角盲點，無法偵測出近距離的障礙物影像，例如在車輛10前方若有小狗14，則容易因為視角盲點而容易忽視並撞上。續請參照本發明第一b圖所示，隨後在車輛10上又增添了短距離的雷達偵測，用以偵測近距離如小狗14等的障礙物，以避免駕駛的視角盲點。隨著雷達偵測技術的進步，在雷達辨識上更可以辨識出障礙物寬度，再以此辨識出是行人、腳踏車、小客車或大卡車等障礙物。請參照本發明第一c圖所示，但一般的雷達偵測，因為僅採納障礙物的寬度以進行辨識，若駕駛車輛10行駛在路上時，則容易將路樹16或路燈、號誌燈等障礙物誤判為行人12，或是車輛10同時偵測到行人12與路樹16時，恐會因為行人12與路樹16相似的寬度而使雷達產生誤判，一旦將此技術運用在自動駕駛或安全防撞措施上，則容易產生辨識錯誤的情況，一旦萬一撞上時，或是車輛10在自動駕駛時無法辨識行人12或路樹16時，可能會造成執行上的混亂，並產生無法預期的結果。

因此，本發明有鑑於一般障礙物辨識的缺失，提出一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，可以有效辨識行人、路樹、路燈或號誌燈等障礙物。

本發明之主要目的係在提供一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，利用具有不同演算法的計算裝置，以對各種障礙物進行辨識，以有效分辨出行人、路樹、路燈等車外障礙物，在行車執行安全防撞措施時，會避免將路樹誤認為行人，導致執行錯的安全防撞措施和影響駕駛及其乘客的乘坐安全，徹底保障車內所有人的行車安全。

本發明之另一目的係在提供一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，駕駛在行車時，可以利用毫米波雷達發現車外所具有的各種障礙物，以避免車子移動時會撞上肉眼容易忽視的障礙物，例如行車的視線死角所存有的障礙物，或是倒車及前進時，在非常靠近車身位置的障礙物，藉由毫米波雷達皆可以有效的辨別出近距離的障礙，以避免駕駛不慎碰撞上。

為了達到上述的目的，本發明提出一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，包含有一毫米波雷達裝置藉由發射毫米波訊號至車外環境，以偵測出車外的障礙物，毫米波雷達裝置再將毫米波訊號的偵測結果轉換成一反射資訊；一能量強度計算裝置係訊號連接毫米波雷達裝置，以接收反射資訊及自反射資訊中取得毫米波雷達裝置的截面積及功率資訊，藉此計算出障礙物的能量強度資訊；一抗雜訊計算裝置係訊號連接毫米波雷達裝置，以接收反射資訊及過濾反射資訊的訊號與雜訊，藉此計算出障礙物的訊號與雜訊之比例數值；一障礙物寬度計算裝置係訊號連接毫米波雷達裝置，以接收反射資訊及自反射資訊得知毫米波雷達裝置與障礙物的位置資訊，利用這些位置資訊計算出障礙物的寬度資訊；一控制裝置係訊號連接能量強度計算裝置、抗雜訊計算裝置及障礙物寬度計算裝置，以接收能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值及寬度資訊，控制裝置係整合能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值及寬度資訊，藉由整合這些資訊以辨識出障礙物之種類。

在本發明中，毫米波雷達裝置將毫米波訊號發射到車外環境中，藉由毫米波訊號遇障礙物反射後，再度傳回到毫米波雷達裝置中，毫米波雷達裝置並可將反射後之毫米波訊號轉換成反射資訊。

在本發明中，能量強度計算裝置利用反射資訊中的雷達截面積（Radar cross-section，RCS）及雷達資訊計算出障礙物的能量強度資訊，再者抗雜訊計算裝置利用低通濾波過濾反射資訊以取得一訊號振幅，並利用高通濾波過濾反射資訊以取得一雜訊振幅，抗雜訊計算裝置再利用訊號振幅與雜訊振幅計算出障礙物的訊號與雜訊之比例數值，最後障礙物寬度計算裝置利用反射資訊中的毫米波雷達裝置與障礙物之方位角，以計算出方位角的標準差，並利用方位角的標準差計算出障礙物的寬度資訊。

最後，本發明中更包含一影像辨識裝置訊號連接控制裝置，藉由控制裝置控制影像辨識裝置，並偵測出車外環境中的障礙物，偵測出的障礙物影像再顯示於影像辨識裝置中。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

隨著車用電子產品技術之快速成長，以及為了因應車輛自動駕駛或安全防撞系統對於車輛外部之障礙物，可以作出清楚及有效的辨識，因此本發明具備一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，用以解決目前車用雷達無法有效分辨車外障礙物種類的缺點。

首先，請參閱本發明第二圖所示，一種車用毫米波雷達之環境辨識系統20包含有一毫米波雷達裝置22、一能量強度計算裝置24、一抗雜訊計算裝置26、一障礙物寬度計算裝置28及一控制裝置30，在本實施例中，控制裝置30係為電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU），而毫米波雷達裝置22中具有可以發射毫米波訊號的毫米波雷達。其中，毫米波雷達裝置22訊號連接有能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28，本發明並不限制訊號連接方式應係為有線訊號連接或是無線訊號連接之方式，且毫米波雷達裝置22、能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28再訊號連接至控制裝置30。

接著，請參閱本發明第三圖所示，並請續參本發明第二圖，在說明完本發明的裝置架構後，接著說明本發明之車用毫米波雷達之環境辨識系統20的作動方式，以更進一步地了解本發明可以如何有效分辨車外障礙物32的種類。本發明的車用毫米波雷達之環境辨識系統20係可裝載在各式車輛中，在本實施例中先以一般小客車34為例，毫米波雷達裝置22為了要能夠發射毫米波訊號，以偵測小客車34前方的障礙物32，通常會將毫米波雷達裝置22裝載在小客車34的車身前方位置，用以向小客車34車身前方發射毫米波訊號，至於毫米波雷達裝置22應裝載在小客車34或是其它車種前方的何處，則仰賴使用者或是一般車廠製造所設計，本發明則不以裝設位置為限制，另外，在本實施例中先以毫米波雷達裝置22訊號連接至控制裝置30為例，透過控制裝置30啟動毫米波雷達裝置22，以對小客車34外發射毫米波訊號，但本發明不以此為限制，有可能控制裝置30與毫米波雷達裝置22皆訊號連接至車用主機（圖中未示），並利用車用主機控制毫米波雷達裝置22與控制裝置30，或是當控制裝置30本身係為車用主機時，則如實施例所述將毫米波雷達裝置22訊號連接至控制裝置30。本實施例的障礙物32先以四種不同的障礙物32a、32b、32c、32d為例，其中障礙物32a係為路樹、障礙物32b係為行人、障礙物32c係為號誌燈及障礙物32d係為腳踏車及其駕駛者，但本發明中的障礙物32不以此數量及種類為限制。毫米波雷達裝置22會利用發射毫米波訊號至小客車34外的環境中以偵測障礙物32，隨著小客車34的移動可以逐漸偵測到不同距離的障礙物32a、32b、32c、32d，其中障礙物32b及障礙物32d又屬於可能會移動的障礙物，當毫米波訊號接觸到這些障礙物32a、32b、32c、32d後，部分會經由反射回到毫米波雷達裝置22中，而毫米波雷達裝置22可以將反射回來的毫米波訊號的偵測結果轉換成一反射資訊，在本實施例中毫米波雷達裝置22主要係利用快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform，FFT）將反射後之毫米波訊號轉換成反射資訊。

承接上段，轉換成反射資訊後，毫米波雷達裝置22則會將反射資訊同時傳到能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28中，能量強度計算裝置24接收並自反射資訊中取得毫米波雷達裝置22的截面積及功率資訊，以計算出障礙物32的能量強度資訊，抗雜訊計算裝置26接收並藉由過濾反射資訊中的訊號及雜訊，以計算出障礙物32的訊號與雜訊之比例數值，障礙物寬度計算裝置28接收並自反射資訊中得知毫米波雷達裝置22與障礙物32的位置資訊，以計算出障礙物32的寬度資訊。

為了更進一步說明能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28係如何計算出能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值及寬度資訊，接著分別詳述能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28的計算方式。能量強度計算裝置24主要是利用經轉換後之反射資訊中的雷達截面積（Radar cross-section，RCS）及雷達資訊，利用這些資料計算出障礙物32的能量強度資訊。在本實施例中，有關利用雷達截面積及雷達功率資訊計算障礙物32的能量強度資訊之原理，係可經由下列之公式(1)計算出：

(1) 其中，

代表接收到毫米波雷達裝置22的發射功率，

代表毫米波雷達裝置22的發射功率，

代表毫米波雷達裝置22的天線增益，

代表毫米波雷達裝置22與障礙物32的距離，

代表障礙物32的雷達截面積，

代表接收天線的有效面積，

代表接收端的天線增益，

代表波長，

代表圓周率。在本實施例中障礙物32a、32b、32c、32d會因為本身材質的不同，會具有不同能量範圍的能量強度資訊，例如人類的身體、金屬製的號誌燈或路樹的樹幹等，皆可以利用類神經網路的參數訓練，以將不同種障礙物32a、32b、32c、32d的能量強度作不同範圍分類，以區分出不同種障礙物32a、32b、32c、32d，由於障礙物32種類繁多，本發明則不限制各種障礙物32的能量強度資訊。

同時，抗雜訊計算裝置26係利用低通濾波過濾反射資訊以取得一訊號振幅及利用高通濾波過濾反射資訊以取得一雜訊振幅，在本實施例中，抗雜訊計算裝置26中更可設有低通濾波器（圖中未示）及高通濾波器（圖中未示），以作為低通濾波及高通濾波之用。接著，抗雜訊計算裝置26利用過濾出的訊號振幅及雜訊振幅計算計算出訊號與雜訊之比例數值，計算的原理可經由下列之公式(2)計算出：

(2) 其中，

代表訊號與雜訊之比例數值，

代表訊號振幅，

代表雜訊振幅。訊號與雜訊之比例數值也會跟能量強度資訊有關，會因為不同種障礙物32a、32b、32c、32d而具有不同的訊號振幅及雜訊振幅，不同種障礙物32a、32b、32c、32d所反射的訊號及雜訊，分別經由過濾後，得到不同的訊號振幅及雜訊振幅，並計算出訊號與雜訊之比例數值，此時也可以利用類神經網路的參數訓練將這些不同的訊號與雜訊之比例數值歸類，以得出不同種障礙物32a、32b、32c、32d所形成的訊號與雜訊之比例數值應在何種範圍值中，由於障礙物32種類繁多，本發明則不限制各種障礙物32的訊號與雜訊之比例數值。

障礙物寬度計算裝置28同時也利用反射資訊中的毫米波雷達裝置22與障礙物32的方位角，以計算出方位角的標準差，此時的方位角標準差之計算都係為同一障礙物32的解析資訊，在本實施例中主要是利用方位角正負一個標準差來計算障礙物32的寬度，在常態分布下，68.2%的障礙物32偵測點都會來自同一個反射物體，因此利用方位角的標準差計算出障礙物32的寬度資訊，計算的原理可經由下列之公式(3)、(4)、(5)計算出：

(3)

(4)

(5) 其中，

代表障礙物32的寬度資訊，

代表與障礙物的直線距離，

代表障礙物的方位角，

代表方位角的平均數，

代表方位角的標準差。不同種障礙物32a、32b、32c、32d也可能具有不同的寬度範圍，由於障礙物32種類繁多，本發明則不限制各種障礙物32的寬度值應係為何。

最後，能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28再將所計算的結果，傳輸至控制裝置30中，再利用控制裝置30的控制，同時整合及分析能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值及寬度資訊，以辨識出小客車34車身前方的障礙物32種類。例如，當駕駛行駛小客車34時，車身前方具有障礙物32a、32b、32c、32d，此時可以偵測每一障礙物32a、32b、32c、32d的能量強度資訊及訊號與雜訊之比例數值，以得知障礙物32a、32b、32c、32d是否為人體、金屬或是植物等，同時也利用寬度資訊判別障礙物32a、32b、32c、32d。

本發明可以有效避免習知僅使用雷達偵測障礙物寬度的缺失，請參照第四圖所示，並請同時參照第三圖，例如當小客車34外同時具有如行人的障礙物32b、如路樹的障礙物32a及如金屬號誌燈的障礙物32c時，僅辨識的寬度可能會相似寬度的障礙物32a、32b混淆，例如遇到跟寬度範圍與行人差不多的障礙物32a，當中所偵測到障礙物32a的寬度W1就可能與障礙物32b的寬度W2相似，因為行人的寬度恐在1公尺左右之範圍，路樹可能也會有像行人的人體寬度般的範圍值，且另外較瘦弱的行人恐會因為寬度太窄而被誤認為號誌燈。因此，本發明會同時利用能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值的比較，辨別出所偵測到相似寬度的障礙物的種類，例如偵測出金屬材質、植物或是一般人體，再加上寬度計算可以有效地分辨障礙物的種類。

再者，請參照本發明第五圖所示，車用毫米波雷達之環境辨識系統20除了包含有毫米波雷達裝置22、能量強度計算裝置24、抗雜訊計算裝置26、障礙物寬度計算裝置28及一控制裝置30外，更可以包含一影像辨識裝置36，在本實施例中，影像辨識裝置36係可為車用攝影機及車機螢幕等組合，但本發明不以此為限制。影像辨識裝置36訊號連接至控制裝置30，使得車用毫米波雷達之環境辨識系統20除了僅利用毫米波訊號進行偵測障礙物32以外，也同時可以利用影像辨識裝置36偵測車外環境中的障礙物32，並可以將偵測出的障礙物影像顯示在影像辨識裝置36，好讓駕駛可以透過螢幕畫面，清楚看到肉眼可視的障礙物32。

本發明主要是利用三種不同的辨識方式：能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值、寬度資訊，以加強對障礙物種類的分辨，並不限制辨識的步驟，但亦可針對特殊需求作辨識步驟的說明，例如可以先辨識能量強度資訊、訊號與雜訊之比例數值，接著辨識障礙物的寬度，以確認此一障礙物是否為行人，或是其它種類的辨識過程亦可。上述的障礙物種類僅係為實施例的示範說明，不以上述的障礙物種類為限制，障礙物亦可為路燈或是各種路上可見的物體。本發明除了用於偵測肉眼容易忽略的障礙物外，更能精確辨識出不同種類的障礙物，例如更能輕易分辨障礙物是否為行人，以利於自動駕駛或是執行安全防撞措施的應變，徹底保護駕駛及乘客或是用路人的安全，避免因為障礙物辨識錯誤產生不可預期的後果。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍。

10‧‧‧車輛

12‧‧‧行人

14‧‧‧小狗

16‧‧‧路樹

20‧‧‧車用毫米波雷達之環境辨識系統

22‧‧‧毫米波雷達裝置

24‧‧‧能量強度計算裝置

26‧‧‧抗雜訊計算裝置

28‧‧‧障礙物寬度計算裝置

30‧‧‧控制裝置

32‧‧‧障礙物

32a、32b、32c、32d‧‧‧障礙物

34‧‧‧小客車

36‧‧‧影像辨識裝置

W1‧‧‧寬度

W2‧‧‧寬度

第一a圖~第一c圖為習知車輛辨識障礙物的示意圖。 第二圖為本發明之車用毫米波雷達之環境辨識系統的方塊示意圖。 第三圖為本發明利用小客車辨識障礙物的示意圖。 第四圖為本發明辨識障礙物寬度的示意圖。 第五圖為本發明之另一實施例的方塊示意圖。

20‧‧‧車用毫米波雷達之環境辨識系統

22‧‧‧毫米波雷達裝置

24‧‧‧能量強度計算裝置

26‧‧‧抗雜訊計算裝置

28‧‧‧障礙物寬度計算裝置

30‧‧‧控制裝置

32‧‧‧障礙物

32a、32b、32c、32d‧‧‧障礙物

Claims (11)

1. 一種車用毫米波雷達之環境辨識系統，包含：一毫米波雷達裝置，其係利用毫米波訊號至車外環境中以偵測障礙物，該毫米波雷達裝置係將該毫米波訊號之偵測結果轉換成一反射資訊；一能量強度計算裝置，其係訊號連接該毫米波雷達裝置，以接收該反射資訊，並自該反射資訊中取得該毫米波雷達裝置所偵測的截面積及功率資訊，以計算出該障礙物的能量強度資訊；一抗雜訊計算裝置，其係訊號連接該毫米波雷達裝置，以接收該反射資訊，並藉由過濾該反射資訊之訊號及雜訊，該抗雜訊計算裝置係利用低通濾波過濾該反射資訊以取得一訊號振幅，並利用高通濾波過濾該反射資訊以取得一雜訊振幅，該抗雜訊計算裝置利用該訊號振幅及該雜訊振幅以計算出該障礙物的訊號與雜訊之比例數值；一障礙物寬度計算裝置，其係訊號連接該毫米波雷達裝置，以接收該反射資訊，並自該反射資訊得知該毫米波雷達裝置與該障礙物之位置資訊，以計算出該障礙物之寬度資訊；以及一控制裝置，其係訊號連接該能量強度計算裝置、該抗雜訊計算裝置及該障礙物寬度計算裝置，以接收該能量強度資訊、該訊號與雜訊之比例數值及該寬度資訊，該控制裝置係整合該能量強度資訊、該訊號與雜訊之比例數值及該寬度資訊以辨識出該障礙物之種類。
2. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該毫米波雷達裝置係將該毫米波訊號發射至該車外環境，以使該毫米波訊號遇 到該障礙物反射後，再傳回該毫米波雷達裝置中，該毫米波雷達裝置再將反射後之該毫米波訊號轉換成該反射資訊。
3. 如請求項2所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該毫米波雷達裝置係藉由快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，FFT)將反射後之該毫米波訊號轉換成該反射資訊。
4. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該控制裝置係為電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)。
5. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該障礙物係為行人、車輛、路樹、路燈或號誌桿。
6. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該能量強度計算裝置係利用該反射資訊中的雷達截面積(Radar cross-section，RCS)及雷達功率資訊以計算出該障礙物的該能量強度資訊。
7. 如請求項6所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該能量強度資訊係可表示為，其中上述公式之各參數分別為：Pr代表接收到該毫米波雷達裝置的發射功率，Pt代表該毫米波雷達裝置的發射功率，Gt代表該毫米波雷達裝置的天線增益，r代表該毫米波雷達裝置與該障礙物的距離，σ代表該障礙物的該雷達截面積，Aeff代表接收天線的有效面積，Gr代表接收端的天線增益，λ代表波長，π代表圓周率。
8. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該訊號與雜訊之比例數值係可表示為，其中上述公之各參數分別為：SNR代表該訊號與雜訊之比例數值，Aobj代表該訊號振幅，Anoise代表該雜訊振幅。
9. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該障礙物寬度計算裝置係利用該反射資訊中的該毫米波雷達裝置與該障礙物之方位角，以計算出該方位角之標準差，並利用該方位角之該標準差計算出該障礙物的該寬度資訊。
10. 如請求項9所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，其中該寬度資訊係可表示為width=-dis×sin(θ-σ)+dis×sin(θ+σ)、、，其中上述公之各參數分別為：width代表該寬度資訊，dis代表與該障礙物的直線距離，θ代表該方位角，θ代表該方位角的平均數，σ代表該方位角的該標準差。
11. 如請求項1所述之車用毫米波雷達之環境辨識系統，更包含一影像辨識裝置，其係訊號連接該控制裝置，以藉由該控制裝置控制該影像辨識裝置以偵測該車外環境中之該障礙物，並將偵測出之該障礙物的影像顯示在該影像辨識裝置。