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车载毫米波雷达障碍物检测系统设计

张浩然  
【摘要】:近年来,随着汽车保有量的不断提升,其安全问题也变得日渐突出。感知系统作为汽车主动安全的核心,可以有效降低事故的发生概率。毫米波雷达因其体积小,受天气条件影响小等优点成为汽车感知系统中重要的传感器。针对自动驾驶汽车主动安全对障碍物检测需求,本文采用毫米波雷达作为传感器,设计了车载毫米波雷达系统,研究了其距离检测、速度检测、门限值设置、动静态目标分离等算法及其MATLAB实现方法,并搭建实验平台验证了系统性能,具体研究内容如下:1)对汽车的障碍物检测系统进行了调研,分析比较了国内外车载感知系统的实现方法。在此基础上,对车载毫米波雷达的研究现状进行了分析,并提出了车载毫米波雷达障碍物检测系统的设计思路和本文的研究内容。2)设计了车载毫米波雷达系统,并详细介绍了系统各模块的功能及实现方法。在研究车载毫米波雷达的工作机理的基础上,针对车载毫米波雷达中最广泛使用的调频连续波(FMCW)体制,研究了利用锯齿波测量目标距离、速度、角度等信息的方法。3)设计车载毫米波雷达的数字信号处理算法,并完成算法的MATLAB实现。针对被测目标距离信息获取问题,采用加窗快速傅里叶变换(FFT)处理雷达中频信号,提取其频谱信息:采用恒虚警率(CFAR)算法自适应调整检测门限,提高获取中频信号峰值频率的准确率,结合峰值频率和目标距离之间的对应关系,计算得到测量目标与雷达间的相对距离;针对被测目标速度信息获取问题,采用二维FFT方法处理雷达中频信号获取其初始相位信息,利用相干相位差法降低一维FFT结果中由静止目标或噪声干扰产生的影响,结合相位与目标速度之间的对应关系,计算得到被测目标的速度信息。最后,针对运动目标识别问题,利用基于密度的含噪空间聚类(DBSCAN)算法对检测到的点阵信号进行了聚类,将检测结果按照不同目标进行分类,完成了车载毫米波雷达信号处理。4)设计并完成了毫米波雷达系统的上位机软件程序。该上位机软件可以通过串口与毫米波雷达硬件相连接,完成对雷达的配置并实现对检测结果的实时显示、保存和回放等功能。本文详细介绍了上位机软件整体结构和各模块的功能以及该软件的实现方法。并搭建实验平台对毫米波雷达系统设计了相关测试实验进行验证。针对车辆行驶过程中常见的场景,分别在室内停车环境和室外道路对毫米波雷达的测量精度、最大可测范围等性能指标进行了测试,验证了系统及其算法的可行性和准确性。


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