Диссертация (Алгоритмы обработки сигналов в радиолокаторах предупреждения столкновений транспортных средств)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образованияМосковский авиационный институт(национальный исследовательский университет)На правах рукописиБуй Чи ТханьАЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВВ РАДИОЛОКАТОРАХ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВСпециальность 05.12.14«Радиолокация и радионавигация»ДИССЕРТАЦИЯна соискание учёнойстепени кандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук, доцентРасторгуев Владимир ВикторовичМосква – 20162Содержание11.11.222.12.22.3ВведениеПостановка задачи исследованияАнализ состояния проблемыСравнение ослабления электромагнитных волн миллиметрового иинфракрасного диапазонов в гидрометеорах и пылиОсобенности проектирования РПС транспортных средствХарактеристики рассеяния ЭМВ на объектах лоцирования в РПСВозможности повышения разрешающей способности РПС приизмерении угловых координат объектовОценка влияния уровня боковых лепестков ДНА в РПС3171721333344502.43Экспериментальный макет РПСРазработка алгоритма измерения горизонтального вектора скорости транспортного средства c помощью РПС54593.13.2Выбор метода измерения скорости движения автомобиляАлгоритм измерения скорости движения автомобиля c помощьюРПСВозможности повышения точности алгоритма измерения скорости движения автомобиляОценка эффективности корреляционного алгоритма измеренияскорости движения автомобиляОценка погрешности измерения координат наблюдаемых объектов в РПСФлуктуации амплитуды спектра сигнала биений59593.33.444.14.24.355.15.2Оценка погрешности измерения координат обочины дорогиОценка погрешностей измерения угла отклонения строительнойоси автомобиля от оси дороги и расстояния до границы дорогиОсобенности формирования и отображения РЛИ в РПСОсобенности визуализации РЛИ в РПСМетод нелинейного масштабирования РЛИ по азимутуЗаключениеСписок сокращений и условных обозначенийСписок литературы636872727579878993991011033ВведениеАктуальность работыОдной из главных причин повышения количества несчастных случаев надороге является ограниченная оптическая видимость, вызванная наличием дождя,тумана, снега, дыма, пыли и т.п.

Эта проблема особенно обостряется в осенневесенний период для участков движения на пересечённой местности с резкими (вдесятки метров) перепадами высот. Ограниченная оптическая видимость приводит к серьёзным авариям, особенно в странах с большой плотностью автомобилей. Поэтому проблема обеспечения безопасного движения транспортных средств(ТС) в условиях ограниченной оптической видимости является чрезвычайно актуальной.Развитие технологий создания информационных датчиков и микроконтроллеров приблизили распространение интеллектуальных систем безопасности, к которым относятся системы помощи водителю.

С целью обеспечения безопасного движения автомобиля используются датчики видео и инфракрасногодиапазонов, радарные, лазерные, ультразвуковые датчики, а также датчики дождяи освещения [57-61].Системы безопасности становятся все более сложными в реализации, таккак многочисленные признаки безопасности должны являться атрибутами одногои того же автомобиля, что предполагает сетевую архитектуру подключения информационных датчиков.

Причём новые применения (такие, как обнаружениепешеходов) требуют одновременного выполнения функций обнаружения (опознавания) объекта или препятствия и их ранжирования по степени опасности.Разнообразные информационные датчики являются неотъемлемой частьюсовременных систем безопасности движения, например, систем адаптивного круиз-контроля (АКК) и будут служить важнейшими компонентами будущих интеллектуальных систем безопасности. Многие современные автомобили оборудуются системами помощи водителю и датчиками от таких компаний, как Bosch,Denso, Eaton, Hella, Melexis, Mitsubishi, Osram, Valeo и Raytheon [7]. И этот список постоянно расширяется.4Видеодатчики в системах АКК компании Bosch способны детектироватьпеременную область обзора - от нескольких сантиметров до 80 м и более, крупные и малые объекты, такие как, автомобили, препятствия, пешеходы, дорожныезнаки, разметка дороги, предоставляя для обработки черно-белую или цветнуюинформацию [10].

В компании Hella разработана система видеокамер, котораяпозволяет водителю видеть препятствия с широким углом обзора вплоть до заднего бампера [7]. Но присутствие снега, дождя, дыма и туманна с высокой плотностью является большим негативным фактором для работоспособности стандартных видеокамер.В настоящее время на ТС начинают активно применяться ИК - камеры(Forward Looking InfraRed - FLIR), которые формируют изображение подобнообычным видеокамерам, но используют для этого не видимый свет (0,75 ÷30мкм).

Инфракрасная область электромагнитного спектра на границе видимогодиапазона красного света включает три поддиапазона:•ближний инфракрасный (Near Infrared Range – NIR) - примыкающий квидимому свету с длинами волн в диапазоне 0,7-1,3 мкм;•средний инфракрасный (Near Infrared Range – MIR) с длинами волн вдиапазоне 1,3 - 5 мкм;•дальний инфракрасный (Far Infrared Range – FIR) - наибольшая часть ин-фракрасного спектра с длинами волн в диапазоне 3-30 мкм (8-12 и 15-30 мкмвследствие атмосферного поглощения).Ключевое различие между этими поддиапазонами состоит в том, что диапазон FIR используются в пассивных ИК датчиках, которые фиксируют собственное температурное измерение объектом.

Диапазоны NIR и MIR используются вактивных ИК датчиках. Эти датчики, работают в режиме активной локации и используют отраженный от объектов сигнал в ИК диапазоне. Системы ночного видения, использующие близкий к инфракрасному NIR свет, собирают визуальнуюинформацию в темноте, которая может быть использована для системы предупреждения водителя.5Активные системы ночного видения диапазона NIR производят компанииBosch, Hella, OSRAM и используют в своих автомобилях Компании Toyota иMercedes. Например, Lexus LS470 Toyota с NIR системой ночного видения, включающей два октивных ИК датчика. Область обзора этих датчиков: 17° по горизонтали и 12,75° по вертикали [7].Системы АКК с сенсорами NIR диапазона компаний Omron, Denso,Continental Siemens VDO, Hella дают возможность оценивать расстояние, скорость, различать множественные объекты по отдельности в широкой области обзора, а также производить с высокой точностью мониторинг полосы.

Кроме того,эти сенсоры могут быть также использованы для реализации функций предупреждения/предотвращения аварий.Ультразвуковые датчики помощи водителю при парковке, основанные измерении расстояния между автомобилем и препятствием, имеют ограниченнуюдальность действия (<10м).Важнейшим преимуществом радарных датчиков является их нечувствительность к погодным условиям, в отличие от лазерных, видео и ИК датчиков.Кроме того радары характеризуются большой дальностью действия, широкой областью обзора и высоким пространственным разрешением.Таким образом, возможным путем решения проблемы безопасного движения ТС в условиях ограниченной оптической видимости может стать созданиерадиолокационных систем (РЛС) обзора местности, которые формируют изображение дороги и различных препятствий, расположенных как на дороге, так и около нее.

Радарные системы позволяют обнаруживать, отслеживать объекты и обрабатывать изображения в реальном времени.В зависимости от сложности и вариантов решения поставленных задач, радиолокационные системы обеспечения безопасности ТС могут быть разделены наследующие типы [1-4]:1. Радары измерения дальности до других ТС и некоторых видов препятствий, а также их относительной скорости движения. Это простые устройства, ко-6торые должны решить только часть задачи, а именно предупреждение об опасномрасстоянии до препятствий ил других автомобилей в процессе движения.2.

Многофункциональные системы «радарного зрения – радиовидения», которые получают большое количество данных и позволяют формировать радиолокационные изображения дороги, автомобилей, окружающей среды, и измерять всенеобходимые параметры движения автомобиля – собственные и относительныедальности и скорости.3. Радиолокационные системы, которые позволяют не только получать радиолокационные изображения, но и решать обратную задачу радиолокации –идентификацию типа объекта, вид препятствия, состояние дорожного покрытия ит.д.4. Радиолокационные системы третьего типа, но используемые для автономного и автоматического управления движением автомобилем – наиболеесложный тип радиосистемы.В настоящее время в мире для повышения безопасности движения ТС производится много радаров, в первую очередь для автомобилей и судов.

По дальности работы автомобильные радиолокаторы предупреждения столкновения (РПС)подразделяют на радары: большой дальности (Long Range Radar - LRR) для систем АКК, средней дальности (Medium Range Radar - MRR) для предупрежденияперекрестного движения и помощи при смене полосы, и малой дальности (ShortRange Radar - SRR), которые обнаруживают препятствия/пешеходов на малойдальности. По частотному диапазону РПС делят на радиолокаторы, работающие вдиапазоне частот: 24 ГГц и 76-81 ГГц.Известные автомобильные радары (АР) малой дальности (SRR) обычноимеют максимальную дальность обнаружения до 50м, угол обзора в азимутальнойплоскости лежит в пределах ±65о, поддержки АКК и парковки.

Например, автомобильный радар (АР) диапазона 24 ГГц компании Delphi в системе безопасностиDelphi Forewarn Radar Side Alert предупреждает водителя о появлении объектовна соседних полосах в пределах 2,4–4 м. С 2016 года компания Conti-Temic ADCвыпускает радиолокационный датчик серии SRR 20X малой дальности. Этот дат-7чик работает на частоте 24ГГц и его можно применять для поддержки смены полосы движения автомобиля, обзора слепых зон и обнаружения пешеходов.Импульсный SRR требует широкую полосу пропускания сигналов от 35ГГц и реализуется на основе сверхширокополосных АР (Ultra-wide band – UWB)с центральной частотой 24 ГГц для уменьшения стоимости оборудования. Компания Delphi представила на автомобильный рынок свою интегрированную радарную 24-гигагерцовую UWB систему парковки Forewarn Back-up Aid system с интерфейсом CAN, предназначенную для осуществления функций помощи при заднем ходе, включая автоматическое торможение при идентификации подвижногоили неподвижного препятствия.Радиолокационный датчик средней дальности (MRR) компании Bosch получил большой успех.