电动车驾驶警示系统及方法、毫米波雷达系统及电动车

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种电动车驾驶警示系统及方法、毫米波雷达系统及电动车。

背景技术

近年来，随着人们的环保意识不断加强和国家的大力倡导，越来越多的人选择使用电动车进行代步，成为人们不可替代的交通工具。随之而来的是很多城市已经开始注意到并试徒采取一定措施加以解决的电动车使用安全问题，例如：规定驾驶电动车必须系带头盔、驾驶电动车禁止带人等。虽然这能够一定程度上减少电动车给人们带来的安全问题，但是针对驾驶人在驾驶过程中的警示和保护目前依然没有比较可靠的方案，例如：在天气恶劣的条件下，雨天或者雾天的情况下视野环境很差，对驾驶员的判断带来很大干扰；在黑夜的条件下，驾驶电动车对后方的行人无法进行及时的观测，容易发生事故等。

对于人员和车辆的检测，目前较常采用的是视频计算机视觉、红外、Wi-Fi等技术，其中，视觉技术虽然能够一定程度上满足对行人和车辆的检测，但是在天气恶劣的条件下依然无法进行有效的识别；红外探测的距离较短且且成本较高；Wi-Fi技术对位目标物的方向定位较差，不能满足精准的后方目标物的定位需求。是以，一种在极端天气下依然能够精确定位检测行人和车辆的方法成为一种需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种电动车驾驶警示系统及方法、毫米波雷达系统及电动车，有效解决现有方法无法精确定位检测行人和车辆的技术问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种电动车驾驶警示系统，包括：

毫米波雷达系统，配置有相互连接的人员和车辆状态信息跟踪模块和前端射频模块，其中，所述人员和车辆状态信息跟踪模块用于对接收到的信息进行处理并发出相应的警示，所述前端射频模块用于朝向电动车后方收发毫米波信号；

测速模块，用于实时测量电动车的运行速度；

转向模块，用于实时探测电动车的转向角度和/或转向灯信号；

报警模块，用于根据所述人员和车辆状态信息跟踪模块发送的报警信息进行警示；

通信模块，分别与所述人员和车辆状态信息跟踪模块、测速模块、转向模块及报警模块连接，用于将所述测速模块和转向模块探测的信号发送至人员和车辆状态信息跟踪模块中进行处理，及用于将所述人员和车辆状态信息跟踪模块生成的报警信息发送至报警模块。

进一步优选地，所述前端射频模块还用于采用N发M收的MIMO雷达体制发送和接收毫米波信号，并将接收的毫米波信号与发射的毫米波信号进行混频后进行ADC采样后发送至所述人员和车辆状态信息跟踪模块中进行处理。

进一步优选地，所述人员和车辆状态信息跟踪模块中包括射频调参模块和信号处理模块，其中，

所述射频调参单元用于配置所述前端射频模块发送的毫米波信号的波形参数；

所述信号处理模块用于对所述前端射频模块、测速模块和转向模块反馈的信号进行处理生成报警信息。

进一步优选地，所述信号处理模块中包括：

计算单元，用于对所述前端射频模块发送的ADC采样数据进行处理，得到与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度；

比较单元，与所述计算单元连接，用于将将所述转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；及用于将计算得到的与目标物的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度与预设的相应阈值进行比较，判断是否满足转向条件；

判断单元，分别与所述比较单元和计算单元连接，用于根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物；所述转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；

报警信息生成单元，用于根据所述判断单元的判断结果生成相应的报警信息。

本发明还提供了一种电动车驾驶警示方法，应用于上述电动车驾驶警示系统，所述电动车驾驶警示方法包括：

控制前端射频模块朝向电动车后方发射毫米波信号，并对返回的毫米波信号进行接收；

接收前端射频模块将接收的毫米波信号与发射的毫米波信号进行混频后进行ADC采样的信号；

通过通信模块接收测速模块实时测量的电动车的运行速度；

通过通信模块接收转向模块实时探测的电动车的转向角度和/或转向灯信号；

对接收到的信息进行处理并通过通信模块将警示信息发送至报警模块进行警示。

进一步优选地，所述对接收到的信息进行处理并通过通信模块将警示信息发送至报警模块进行警示中，还包括：

对所述前端射频模块发送的ADC采样数据进行处理，得到与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度；

将所述转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；

若是，根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物；

若没有，进一步将计算得到的与目标物的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度与预设的相应阈值进行比较，判断是否满足转向条件；

根据判断结果生成警示信号并通过通信模块发送至报警模块。

进一步优选地，所述根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物中，针对其中一个目标物的判断步骤包括：

根据一目标物相对于电动车的角度判断其是否与电动车存在碰撞风险；

若是，根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物相对于电动车的速度计算车辆安全防撞时间TTC(Time-To-Collision)：

TTC＝ΔS/ΔV

其中，ΔS为电动车与目标物之间的距离，ΔV为目标物相对于电动车的速度；

根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度计算车距预警时间HWM(Headway Monitoring Warning)：

HWM＝ΔS/V

其中，V

判断计算得到的车辆安全防撞时间TTC和车距预警时间HWM是否同时不小于预设的车辆安全防撞时间阈值和车距预警阈值；

判定该目标物不是危险目标物。

进一步优选地，所述根据判断结果生成警示信号并通过通信模块发送至报警模块中，包括：

当判断后方不存在危险目标物，则将警示信号发送至报警模块进行绿灯提示；

当判断电动车不需要转向，但后方存在危险目标物，将警示信号发送至报警模块进行黄灯提示；

当判断电动车需要转向，且后方存在危险目标物，则将警示信号发送至报警模块进行红灯提示。

本发明还提供了一种毫米波雷达系统，包括单芯片发天线阵列、收天线阵列、前端射频、信号处理器、存储器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上述电动车驾驶警示方法的步骤。

本发明还提供了一种电动车，所述电动车中配置至少一个如上述的毫米波雷达系统；当配置有多个毫米波雷达系统时，所述多个毫米波雷达系统相互通信连接，且每个毫米波雷达将其他毫米波雷达的探测信息进行融合处理。

在本发明提供的电动车驾驶警示系统及方法、毫米波雷达系统及电动车中，测速模块实时获取电动车的运行速度，提供给毫米波雷达系统中的人员和车辆状态信息跟踪模块进行处理，进而能够更加精确稳定的得到目标物的相对速度；转向模块可以模拟或者提供电动车的转向意图，在无需变道/转弯的条件下，不对驾驶进行干扰提示。另外，能够实时对电动车后方的目标物(行人、车辆、动物等)进行监测和跟踪，并测得其相对电动车的相对速度、位置及运动轨迹。对其相对电动车的速度、位置和运动目标的运动轨迹进行分析，判断出有潜在危险的目标物，以此电动车在行驶过程中，将分析信息反馈给驾驶员，警示驾驶员注意安全，尤其是在视野条件差的情况下为驾驶员的安全驾驶提供警示。尤其是在需要变道或者拐弯的时候，在后方有危险目标物时提示驾驶员禁止变道，避免驾驶员在变道时因回头观测后方来车和行人等目标物带来的驾驶风险，提高驾驶安全。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明电动车驾驶警示系统示意图；

图2为本发明通信接口协议示意图；

图3为本发明报警模块外置示意图；

图4为本发明电动车驾驶警示方法流程示意图；

图5为本发明集成一体式毫米波雷达系统示意图；

图6为本发明分离式毫米波雷达系统示意图；

图7为本发明电动车毫米波雷达系统安装示意图。

附图标记：

100-电动车驾驶警示系统，110-毫米波雷达系统，111-人员和车辆状态信息跟踪模块，112-前端射频模块，120-测速模块，130-转向模块，140-报警模块，150-通信模块.

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明的一实施例，如图1所示，一种电动车驾驶警示系统，从图中看出，该电动车驾驶警示系统100中包括：毫米波雷达系统110，配置有相互连接的人员和车辆状态信息跟踪模块111和前端射频模块112，其中，人员和车辆状态信息跟踪模块111用于对接收到的信息进行处理并发出相应的警示，前端射频模块112用于朝向电动车后方收发毫米波信号；测速模块120，用于实时测量电动车的运行速度；转向模块130，用于实时探测电动车的转向角度和/或转向灯信号；报警模块140，用于根据人员和车辆状态信息跟踪模块111发送的报警信息进行警示；通信模块150，分别与人员和车辆状态信息跟踪模块111、测速模块120、转向模块130及报警模块140连接，用于将测速模块120和转向模块130探测的信号发送至人员和车辆状态信息跟踪模块111中进行处理，及用于将人员和车辆状态信息跟踪模块111生成的报警信息发送至报警模块140。

人员和车辆状态信息跟踪模块111中包括射频调参模块和信号处理模块，其中，射频调参单元用于配置前端射频模块112发送的毫米波信号的波形参数；信号处理模块用于对前端射频模块112、测速模块120和转向模块130反馈的信号进行处理生成报警信息。具体，人员和车辆状态信息跟踪模块111接收被探测目标物反射的回波信号后，计算得到电动车后方目标物的运动速度，并对其运动轨迹进行跟踪，进而判断后方是否存在危险目标物(会对电动车造成行驶安全的行人、车辆等)，且根据危险层度级别分类，将相关报警信息发送给报警模块140及时对驾驶进行提示，尤其是在需要转弯/变道时，若危险级别很高，甚至对电动车采取降速并警示驾驶员禁止变道或者拐弯。

前端射频模块112采用N发M收的MIMO雷达体制发送和接收毫米波信号。在电动车行驶过程中，前端射频模块112不断向后方区域发射电磁波信号，并接收后方区域内的多路目标回波信号。且在收到回波信号后，将其与发射的电磁波信号进行混频，之后中频。得到中频信号之后，进一步对其进行ADC采样，并将采样值发送至人员和车辆状态信息跟踪模块111中进行处理。ADC采样模块可以根据实际需求精度进行选定，这里不做具体限定，如采样得到I/Q两路16位精度采样值等。

如图2所示，通信模块150(对应图中的通信接口模块)可以通过WiFi、以太网、CAN、ZigBee、串口(RS232、RS485、RS422)等网络协议来交互数据。转向模块130设置于电动车转向管柱上，通过霍尔传感器实时探测电动车的转向角度和/或转向灯信号，并通过通信模块150发送至毫米波雷达系统110，实时反馈电动车是否存在变道或者转弯的情况。测速模块120设置于电动车轮上，通过测速传感器实时测量电动车的运行速度。

报警模块140除了如图1所示的内置安装，在另一实施例中，图3所示，报警模块140也能通过外置方式进行安装。通讯模块将心跳频率与移动信息发送至该外置报警模块140，外置报警模块140中通信模块150收到信号传递至报警模块140进行报警。即在该报警模块140中内置通讯模块与毫米波雷达系统110进行通信，另外配置蜂鸣器、红灯、绿灯、黄灯等。

更具体来说，信号处理模块中包括：计算单元，用于对前端射频模块发送的ADC采样数据进行处理，得到与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度；比较单元，与计算单元连接，用于将将转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；及用于将计算得到的与目标物的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度与预设的相应阈值进行比较，判断是否满足转向条件；判断单元，分别与比较单元和计算单元连接，用于根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物；转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；报警信息生成单元，用于根据判断单元的判断结果生成相应的报警信息。

在计算单元中，针对前端射频模块发送的ADC采样数据，分别在距离维、多普勒维进行算法处理提取目标径向距离、径向速度(计算过程中以电动车为中心建立高斯平面坐标系，目标径向距离即目标物朝向电动车的距离，径向速度即目标物相对于电动车的速度)等信息，算法包括但不限于傅里叶变换、最大似然、最小二乘法等。之后，对距离维、速度维处理后的数据进行角度维算法处理，获得目标方位角信息，算法包括但不限于傅里叶变换、最大似然法、子空间类方法等，以此得到与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度。

在判断过程中，包括：将转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；当转向角度大于设定阈值θ

在根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物中，针对其中一个目标物的判断步骤包括：根据一目标物相对于电动车的角度判断其是否与电动车存在碰撞风险，判断目标物相对于电动车是后方来车还是侧方来车，在该角度运行下是否会与电动车发生碰撞。若是，根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物相对于电动车的速度计算车辆安全防撞时间TTC，如式(1)：

TTC＝ΔS/ΔV (1)

其中，ΔS为电动车与目标物之间的距离，ΔV为目标物相对于电动车的速度；

根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度计算车距预警时间HWM，如式(2)：

HWM＝ΔS/V

其中，V

判断计算得到的车辆安全防撞时间TTC和车距预警时间HWM是否同时不小于预设的车辆安全防撞时间阈值和车距预警阈值；判定该目标物不是危险目标物。若出现车辆安全防撞时间TTC小于预设的车辆安全防撞时间阈值或车距预警时间HWM小于车距预警阈值，判断该目标物为危险目标物，存在碰撞风险。

针对计算结果，在生成的报警信息中，当判断后方不存在危险目标物，则将警示信号发送至报警模块140进行绿灯提示；当判断电动车不需要转向，但后方存在危险目标物，将警示信号发送至报警模块140进行黄灯提示；当判断电动车需要转向，且后方存在危险目标物，则将警示信号发送至报警模块140进行红灯提示。

在其他实施例中，报警信息可根据不同状态下的报警等级进行进一步的分类，如表1所示：

表1：不同状态下报警等级的分类结果

状态Q1表示电动车有转向动作(转弯或变道)的同时检测到后方的目标物对当前变道存在较高的风险(存在危险目标物)，此时应该将报警信号发送给报警模块，报警模块红灯报警警示电动车禁止转弯或变道。

状态Q2表示电动车有转向动作的时候检测到后方存在目标物，但是目标物的距离、相对速度及位置不会对转弯或变道造成危险，此时亮高频率黄灯，表示后方检测到存在行人或者车辆但是可以安全变道或者转弯。

状态Q3表示电动车没有转向意图，但是后方存在检测到的目标物，此时亮低频率黄灯，表示后方没有检测到行人或者车辆可以继续安全驾驶。

状态Q4表示电动车没有转向的意图，后方也没有检测到相关的行人和车辆，此时亮绿灯，表示后方没有检测到行人或者车辆可以继续安全驾驶。

状态Q5表示电动车有转向动作的时候，电动车后方没有检测到相关的行人和车辆，此时亮绿灯，表示后方没有检测到行人或者车辆可以安全变道和转弯。

相对应地，本发明还提供了一种电动车驾驶警示方法应用于上述电动车驾驶警示系统，如图4所示，该电动车驾驶警示方法包括：

S10控制前端射频模块朝向电动车后方发射毫米波信号，并对返回的毫米波信号进行接收；

S20接收前端射频模块将接收的毫米波信号与发射的毫米波信号进行混频后进行ADC采样的信号；

S30通过通信模块接收测速模块实时测量的电动车的运行速度；

S40通过通信模块接收转向模块实时探测的电动车的转向角度和/或转向灯信号；

S50对接收到的信息进行处理并通过通信模块将警示信息发送至报警模块进行警示。

具体，在步骤S10中，人员和车辆状态信息跟踪模块中的射频调参模块设定好要发射的毫米波波形参数并发送给前端射频模块，前端模块根据设定波形以MIMO方式向电动车后方区域发射电磁波。在接收到回波信号后，在步骤S20中，将其与发射的电磁波信号进行混频，之后中频。得到中频信号之后，进一步对其进行ADC采样，并将采样值发送至人员和车辆状态信息跟踪模块中进行处理。ADC采样模块可以根据实际需求精度进行选定，这里不做具体限定，如采样得到I/Q两路16位精度采样值等。

在步骤S50中，针对前端射频模块发送的ADC采样数据，分别在距离维、多普勒维进行算法处理提取目标径向距离、径向速度(计算过程中以电动车为中心建立高斯平面坐标系，目标径向距离即目标物朝向电动车的距离，径向速度即目标物相对于电动车的速度)等信息，算法包括但不限于傅里叶变换、最大似然、最小二乘法等。之后，对距离维、速度维处理后的数据进行角度维算法处理，获得目标方位角信息，算法包括但不限于傅里叶变换、最大似然法、子空间类方法等，以此得到与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度。

在判断过程中，包括：将转向模块探测的电动车的转向角度与预设的角度阈值进行比较，判断电动车是否需要转向；当转向角度大于设定阈值θ

在根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物中，针对其中一个目标物的判断步骤包括：根据一目标物相对于电动车的角度判断其是否与电动车存在碰撞风险，判断目标物相对于电动车是后方来车还是侧方来车，在该角度运行下是否会与电动车发生碰撞。若是，根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物相对于电动车的速度计算车辆安全防撞时间TTC，如式(1)；根据计算得到的与目标物之间的距离、目标物的运动速度计算车距预警时间HWM，如式(2)；判断计算得到的车辆安全防撞时间TTC和车距预警时间HWM是否同时不小于预设的车辆安全防撞时间阈值和车距预警阈值；判定该目标物不是危险目标物。若出现车辆安全防撞时间TTC小于预设的车辆安全防撞时间阈值或车距预警时间HWM小于车距预警阈值，判断该目标物为危险目标物，存在碰撞风险。

在这一过程中，根据计算得到的与目标物的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度判断后方是否存在危险目标物；具体，综合电动车与目标物之间相对速度、目标物相对电动车的方位、距离等，判断目标物是否会对电动车造成危险，构成危险目标物。这里，计算的车辆安全防撞时间TTC用于描述当前电动车与后车或其他运动目标物相对速度下发成碰撞的时间。车距预警时间HWM作为另外一个评价指标，在车距过近的情况下向发出警报。例如：当前后两车的距离为20米，后车(目标物)的车速为60Km/h，前车(电动车)的车速为80Km/h，此时计算得到的车距预警时间HWM为1.2s，后车潜在追尾碰撞时间TTC是3.6s，均小于预设的时间阈值5s，发出预警。如果前后车的车速都为60Km/h，虽然车距预警时间HWM显示的时间同样是1.2s，但是并不会，因为两车虽然距离很近，但是速度相同，并不会追尾。

另外，当判断电动车需要转向时，进一步将计算得到的与目标物的距离、目标物的运动速度、目标物相对于电动车的角度和速度与预设的相应阈值进行比较，判断是否满足转向条件；当根据跟踪的目标物信息小于变道阈值时，表示目标物在后方且会对电动车的转向造成危险，此时则将警示信号发送至报警模块进行红灯提示。再有，在行驶得过程中，当判断后方不存在危险目标物，则将警示信号发送至报警模块进行绿灯提示；当判断电动车不需要转向，但后方存在危险目标物，将警示信号发送至报警模块进行黄灯提示。

在其他实施例中，还可以根据判断结果控制警示灯的闪烁频率，如当判断电动车需要转向、后方有目标物但是危险程度低时，将警示信号发送至报警模块进行黄灯提示，且控制其以预先设定的高频进行闪烁；当判断电动车无需转向、后方有目标物时，将警示信号发送至报警模块进行黄灯提示，且控制其以预先设定的低频进行闪烁。

本发明还提供了一种毫米波雷达系统，包括单芯片发天线阵列、收天线阵列、前端射频、信号处理器、存储器及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被执行时实现上述电动车驾驶警示方法的步骤。

在实际应用中，上述前端射频模块(单芯片N发M收天线收发阵列)、射频调参单元(调频模块)和信号处理模块(处理器)的不同实施例中，可以为集成一体式毫米波雷达系统或者分离式毫米波雷达系统。发射的毫米波包括但不限于24G、60G或77G，采用连续调频的方法，每隔周期T向电动车后方扫描一次N个chirps。

在集成一体式毫米波雷达系统的实例中，如图5所示，集成有：单芯片发天线阵列、收天线阵列、前端射频RF及DSP信号处理器，其中，DSP信号处理器控制前端射频RF发射60GHz或77GHz毫米波信号经发射天线阵列(对应图中n个发射天线)发射至电动车后方被检测空间，经被检测区域内行人、动物、车辆等反射，接收天线阵列(对应图中m个接收天线)接收回波信号，前端射频RF将处理后的回波数据于RF内部RAM1中缓存，并通过EDMA驱动将RF中RAM回波数据以ping-pong模式搬到信号处理器的内部RAM2中存放，SPT信号处理通过回波信号分析检测目标物的速度、距离方位角和移动信息，实现对多目标的实时跟踪。

在分离式毫米波雷达系统的实例中，如图6所示，包括：收发天线阵列、前端射频RF芯片、DSP信号处理器集成SOC，其中，前端射频RF发射60GHz或77GHz毫米波，接收经被检测区域内行人、动物和车辆反射回波信号后进行ADC采样，采样数据通过EDMA驱动搬运至DSP信号处理器的RAM中存放SPT信号处理通过回波信号分析检测目标物的速度、距离方位角和移动信息，实现对多目标的实时跟踪。

本发明还提供一种配置至少一个毫米波雷达系统的电动车。当配置有多个毫米波雷达系统时，多个毫米波雷达系统相互通信连接，在接收到来自不同安装位置的毫米波雷达系统数据时，对目标物的数据进行目标点多元融合，以提高目标物信息的准确性，提高信息处理的效率和准确度。

如图7所示为不同类型电动车毫米波雷达系统的安装示意图，其中，对于两轮电动车来说，在其后方安装一个毫米波雷达系统；对于三轮电动车和四轮电动车来说，可以左右两边各自安装一个毫米波雷达系统以扫除检测区域内的盲区。当左右两边都安装有毫米波雷达系统时，对其检测的目标物信息进行融合，以提高目标跟踪的自信度。当然，为了节约成本，也可以在三轮电动车和四轮电动车后方安装一个毫米波雷达系统。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通相关人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。