中心論題：

• 基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統的組成和功能。
• 毫米波雷達應用于汽車(chē)的防碰撞。
• 多源信息融合新技術(shù)介紹。

• 車(chē)輛的周邊傳感技術(shù)實(shí)現汽車(chē)防碰撞。
• 運用毫米波進(jìn)行測量的雷達系統作為傳感手段。
• 將數據融合方法應用于目標跟蹤研究。

引言
隨著(zhù)社會(huì )的不斷進(jìn)步，汽車(chē)正為越來(lái)越多的人所使用，而相應的，交通事故也越來(lái)越多。全球每年由交通事故造成的人員和財產(chǎn)損失的數目是驚人的，因此，車(chē)輛安全問(wèn)題已引起人們的高度重視。對大量交通事故的分析表明，80%以上的車(chē)禍是由于駕駛員反應不及時(shí)引起的，超過(guò)65%的車(chē)輛相撞屬于追尾相撞，其余則屬于側面相撞和正面相撞。有關(guān)研究表明，若駕駛員能夠提早1 s 意識到有事故危險并采取相應的措施，則90%的追尾事故和60%的正面碰撞事故都可以避免。

現代的交通系統和未來(lái)將要出現的自動(dòng)車(chē)輛系統(AVS)均要求建立智能交通系統(ITS)，以便于對車(chē)輛進(jìn)行交通監視和跟蹤以及多傳感信息融合。未來(lái)AVS異類(lèi)傳感器包括視頻傳感器、激光掃描儀和雷達傳感器等，融合的目的在于把目標輸入到路徑規劃與制導系統中去。而基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統，就是根據多傳感器接收到的車(chē)輛前方目標信息和本車(chē)的狀態(tài)信息，利用多源信息融合技術(shù)，識別出本車(chē)前方車(chē)輛的距離和速度等狀態(tài)信息，并進(jìn)行碰撞危險估計的。舉例說(shuō)，若車(chē)間距接近臨界距離時(shí)，發(fā)出報警信號，提請司機注意；若車(chē)間距小于臨界安全距離時(shí),則啟動(dòng)制動(dòng)系統，以避免碰撞的發(fā)生．

顯然，基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統是一種主動(dòng)式的防撞、防抱死的汽車(chē)安全系統，它使反應時(shí)間、距離、速度三個(gè)方面都能得到優(yōu)化控制，可減少駕駛員的負擔和判斷錯誤，對于提高交通安全性將起到重要作用，能有效地避免大部分汽車(chē)事故的發(fā)生。同時(shí)也為提高使用車(chē)速、增加道路通行能力、實(shí)現自動(dòng)化駕駛等奠定了良好的基礎。

基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統的組成和功能
汽車(chē)防追尾碰撞控制系統是一種主動(dòng)安全系統。在正常行駛時(shí)，該系統處于非工作狀態(tài)。當本車(chē)的車(chē)頭非常接近于前車(chē)的車(chē)尾時(shí)，該系統將發(fā)出防追尾警告。在發(fā)出警告后，如果駕駛員沒(méi)有采取制動(dòng)減速措施，該系統便自動(dòng)啟動(dòng)緊急制動(dòng)裝置，以避免發(fā)生追尾事故。

汽車(chē)防追尾碰撞控制系統具有三種功能：即環(huán)境監測功能、防碰撞判斷功能和車(chē)輛控制功能。

a 行車(chē)環(huán)境監測系統
行車(chē)環(huán)境監測系統由環(huán)境探測系統和車(chē)況探測系統組成。環(huán)境探測系統由測量車(chē)間距離和前面車(chē)輛方位的毫米波雷達、激光雷達、CCD攝象機及能夠判斷路面狀況的道路傳感器所組成。車(chē)輛的周邊傳感技術(shù)是實(shí)現汽車(chē)防碰撞的關(guān)鍵技術(shù)。傳感器性能的優(yōu)劣將直接影響整個(gè)系統的性能，只有提高傳感器的可靠性，才有可能減少系統的虛警率。從表1可知，微波傳感器（雷達）的性?xún)r(jià)比較高，因此一般選擇工作于毫米波的微波傳感器作為主傳感器，配置以圖像、路面傳感器等作為輔助傳感器來(lái)實(shí)現對車(chē)前障礙物的檢測。毫米波雷達安裝在車(chē)輛前端的中央位置上，激光雷達安裝在毫米波雷達的兩側，它們的主要功能是測量本車(chē)與前車(chē)的距離和前面車(chē)輛的方位，并把所測數據傳輸到防碰撞判斷系統；CCD攝象機獲得前方車(chē)輛和障礙物的圖像信息，道路傳感器得到路面的狀態(tài)信息，車(chē)況探測系統檢測本車(chē)的速度、加速度和其他狀態(tài)信息，所有信息都將被送往防碰撞判斷系統。

b 防碰撞判斷系統
防碰撞判斷系統由目標識別系統和危險估計系統組成。目標識別系統將毫米波雷達、激光雷達、CCD攝象機等傳感器的信息經(jīng)融合處理后，估計出本車(chē)前方距離最近的車(chē)輛或障礙物的距離和相對速度，并將此信號傳送給危險估計系統。

危險估計系統根據路面狀況（濕/干）、本車(chē)的狀況（如車(chē)速、轉向角及橫向擺動(dòng)速率）、距前車(chē)的距離和相對速度以及司機的反應狀況計算出“臨界車(chē)間距離”，并將實(shí)際測量的車(chē)間距離與臨界車(chē)間距離進(jìn)行比較，在實(shí)際測量的車(chē)間距離非常接近臨界車(chē)間距離的某一時(shí)刻，報警器發(fā)出警告信號。當實(shí)際測量的車(chē)間距離等于或小于臨界車(chē)間距離時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)控制系統。

c 有自動(dòng)制動(dòng)操作機構的車(chē)輛控制
國際公路委員會(huì )對駕駛員的反應時(shí)間做了調查，結論得出平均值為0.5～3s。若駕駛員的反應時(shí)間是1.5s，那么在汽車(chē)的車(chē)速為40Km/h時(shí)，反應時(shí)間內汽車(chē)的行駛的距離是16.7m；車(chē)速為80Km/h時(shí)，行駛的距離將達33.4m。自動(dòng)制動(dòng)系統的反應時(shí)間遠比駕駛員少的多，它的反應距離只有0.5 m。

工作時(shí)，防碰撞判斷系統不斷地根據測出的兩車(chē)之間的距離、本身的車(chē)速、相對車(chē)速等有關(guān)信息，通過(guò)數據處理求出安全距離，并與雷達測出的實(shí)際距離相比較。如實(shí)測距離小于安全距離時(shí)，就發(fā)出報警信息，如駕駛員仍未采取措施，且安全距離小于極限安全距離時(shí)，系統通過(guò)執行機構對汽車(chē)的常規制動(dòng)系統起作用，使汽車(chē)減速，當距離超過(guò)極限距離時(shí)，制動(dòng)機構又恢復正常。

毫米波雷達
目前最受關(guān)注的傳感手段是運用毫米波進(jìn)行測量的雷達系統。毫米波是指工作頻率在 30～100GHz，波長(cháng)在1～10mm之間的電磁波。毫米波雷達（主要是9 4GHz）原來(lái)主要用于短程反裝甲武器系統，其功能就是精確測量目標的距離和相對速度。毫米波雷達可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，而惡劣的氣候環(huán)境正是導致交通事故的主要原因之一。隨著(zhù)GaAs高頻器件和單片微波集成電路 MMIC的出現和應用，毫米波雷達的性能有了很大的提高，成本也有所下降，并且雷達的外型尺寸可以做得很小，便于在汽車(chē)上安裝。因此，毫米波雷達就成了汽車(chē)前視雷達的首選。為了在高速公路上及時(shí)發(fā)現前方的交通堵塞，汽車(chē)用毫米波雷達的探測距離必須在100m以上；為了覆蓋左右兩側的車(chē)道線(xiàn)，探測寬度必為3.5m；為了不把道路上方的標識和人行天橋也探測進(jìn)去，上、下方要有與道路的升降相對應的3m左右的探測幅度。其主要指標如下：
①天線(xiàn)：尺寸要小、成本要低、性能要高，還要便于安裝和使用。
②工作頻率：毫米波雷達的工作頻率與其性能和價(jià)格相關(guān)。一般而言，頻率提高，目標的反射效果會(huì )更好，但信號的穿透力會(huì )減弱，測距范圍降低，器件成本增大。曾有工作于 24GHz，60GHz， 76～77GHz的雷達樣機和成品的報道，現由于76～77GHz毫米波雷達具有較好的性?xún)r(jià)比，國外目前多采用這一工作頻率。我國由于受到器件和成本方面因素的影響，目前傾向于采用35GHz的工作頻率。
③視角：視角就是天線(xiàn)波束的掃描范圍，包括方位角和高低角。為降低虛警率，一般選擇方位角為9oC～12oC ，甚至更大。高低角則取3oC 左右。
④作用距離：100m～150m即可。如美國規定為1～100m，歐洲規定為1～150m，測距范圍的確定以保證車(chē)制動(dòng)時(shí)兩車(chē)不會(huì )發(fā)生追尾碰撞為原則。
⑤測量的動(dòng)態(tài)范圍：雷達必須有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，以保證對大小目標都能識別。
⑥分辨率：徑向距離分辨率達到1m即可。

多傳感器融合策略
多傳感信息融合（Multisensor Information Fusion）或稱(chēng)多源信息融合是近年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)。信息融合是解決飛機、導彈之類(lèi)飛行器航跡預測與跟蹤的一種行之有效的方法，而且也是智能信息處理領(lǐng)域最有前途的一個(gè)研究方向。從廣義角度講，信息融合普遍存在于自然界。例如，人類(lèi)認知客觀(guān)世界，就是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官獲得信息，并經(jīng)過(guò)大腦進(jìn)行融合而得到認知結論。從狹義角度講，以不同的傳感器獲得同一對象的不同量測數據，利用某種算法獲得一個(gè)綜合信息，這就是數據融合。數據融合是信息融合中最簡(jiǎn)單和最實(shí)用的一類(lèi)方法，這種方法是基于估計理論的，特別是Bayes估計理論，并且主要針對的是同一類(lèi)型數據信息。典型的應用就是目標跟蹤中的航跡預測，把來(lái)自不同監測裝置的數據進(jìn)行融合，從而得到最好的估計結果。數據融合方法分為集中處理方式和分布處理方式，在目標跟蹤研究中，分布處理方式有其特殊的重要性。

汽車(chē)防碰撞系統的工作環(huán)境惡劣，干擾因素眾多，只用單一雷達傳感器做出判斷容易產(chǎn)生虛警，為了提高對目標的識別和估計能力，就要引入多傳感信息融合技術(shù)。其中，傳感器包括雷達傳感器、激光掃描儀和視頻傳感器等。把分布在不同位置的多個(gè)同類(lèi)或不同類(lèi)傳感器所提供的多源信息，進(jìn)行綜合處理，其目的就是降低探測的不確定性，形成對系統環(huán)境相對一致的感知描述，以便得到一個(gè)準確可靠的分析和判斷結果，從而提高系統決策能力。

a 基于多傳感器信息融合技術(shù)的目標識別
汽車(chē)防碰撞系統的技術(shù)關(guān)鍵之一是目標識別系統。因為，雷達在向前方發(fā)射電磁波時(shí)，車(chē)前的所有物體如樹(shù)木、公路標志、立體交叉、橋梁、架空電線(xiàn)等都會(huì )對雷達波產(chǎn)生反射。系統必須剔除那些虛假的，即不會(huì )引起碰撞危險的物體反射的信號，將那些真實(shí)的，即確有碰撞危險的信號檢測出來(lái)進(jìn)行處理，才能準確工作，而不會(huì )發(fā)生誤動(dòng)作。
　　為了消除或減少虛警現象的發(fā)生，除了在設計和選擇傳感器時(shí)要保證一定的技術(shù)指標外（如要求雷達的視角在一定的范圍內），還要利用其它傳感器的信息進(jìn)行綜合分析和判斷。

b 基于多傳感器信息融合技術(shù)的距離估計
從上面的介紹可知，本車(chē)與前車(chē)的距離是汽車(chē)防碰撞系統的一個(gè)重要參數，在計算臨界安全距離時(shí)，要根據它估算前車(chē)的速度和加速度，因此，該距離量的準確性將直接影響防碰撞系統工作的可靠性和準確性。

測量距離用的傳感器有激光傳感器和毫米波傳感器，這兩類(lèi)傳感器各有特點(diǎn)。它們的測量范圍、對環(huán)境的適應能力和對目標的反映能力也不盡相同，但是無(wú)論使用哪種傳感器去保證在整個(gè)測量范圍內測量的準確性和可靠性，都必須利用融合技術(shù)，這樣才能根據傳感器信息的互補性和冗余性，進(jìn)行合適的數學(xué)處理，得到一個(gè)比較準確的距離值。

c 基于多傳感器信息融合技術(shù)的危險評估
危險評估系統的核心就是根據路面狀況、本車(chē)的運行狀況、距前車(chē)的距離和相對速度以及司機的反應狀況綜合做出判斷，計算出“臨界車(chē)間距離”并將實(shí)際測量的車(chē)間距離與臨界 車(chē)間距離進(jìn)行比較。

“臨界車(chē)間距離”的確定必須考慮各個(gè)方面的影響，若司機的反應比較靈敏，或道路狀況較好，或本車(chē)的制動(dòng)系統工作良好，則“臨界車(chē)間距離”可以取較小值；反之，“臨界車(chē)間距離” 則需取大一些的值，以防碰撞的發(fā)生。

小結
基于多傳感信息融合的車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統研究的主要內容，就是探討關(guān)于多源信息實(shí)時(shí)融合的方法，其中包括多源信息實(shí)時(shí)融合的實(shí)時(shí)目標識別算法、多源信息實(shí)時(shí)融合的實(shí)時(shí)參數估計、多源信息實(shí)時(shí)融合的實(shí)時(shí)危險評估等，并將這些方法運用于工程實(shí)際?；诙鄠鞲行畔⑷诤系能?chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統所能達到的技術(shù)指標包括能在線(xiàn)實(shí)時(shí)采集數據，并完成目標識別和多傳感信息的融合處理；目標識別精度達到工業(yè)應用標準；能根據車(chē)輛目前的狀態(tài)和障礙物的狀態(tài)，進(jìn)行防碰撞判斷；特別能對危險情況進(jìn)行預警,當接近目標時(shí)發(fā)出報警信號，提醒司機注意?；诙鄠鞲行畔⑷诤系能?chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統的實(shí)施可以大大提高車(chē)輛運行的安全性，最大限度地減少交通事故的發(fā)生。特別是若把此方法應用于自動(dòng)車(chē)輛系統（AVS），可以為車(chē)輛安全性帶來(lái)非常大的改善。