[發明專利]一種基于毫米波雷達的道路車輛檢測系統

有效

• 申請號: 202110349499.7
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113093191B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 陳江偉;謝爍紅;黃玉春;孟小亮;王力行;顏思睿
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S13/91
• 分類號: G01S13/91;G01S13/92;G01S7/292;G01S7/35;G08G1/01;G08G1/052
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

1.一種基于毫米波雷達的道路車輛檢測系統，其特征在于：包括毫米波雷達系統和雷達數據處理系統，所述毫米波雷達系統布置于交通信號燈橫桿上，所述毫米波雷達系統主動發射電磁波信號，通過計算接收信號與發射信號的多普勒頻移來提供探測目標的相對距離、相對速度以及方位角三個數據信息，然后將三個數據信息輸出給數據處理系統，由數據處理系統完成信號的濾波，并最終輸出車輛的位置信息和速度信息；所述的濾波包括兩個步驟：有效目標初選和目標有效性檢驗，所述有效目標初選是利用極坐標系運算規則來剔除不在道路區域內的虛假目標，所述目標有效性檢驗是利用卡爾曼濾波算法來計算相鄰幾個周期內目標出現和移動的連續性，以此剔除噪聲數據的干擾；

有效目標初選的具體實現方式如下；

先將雷達探測目標的有效區域劃分出來，設有效區域是一個由x₁＝A₁,x₂＝A₂,y₁＝B₁,y₂＝B₂所包圍而成的矩形，其中A₁，A₂，B₁，B₂代表矩形的四條邊在以毫米波雷達為原點的直角坐標系下的邊界值，是由先驗知識得到的；

判別目標有效性，即判別目標是否在道路區域內的公式為：

其中，r為目標與雷達的相對距離，α為目標與雷達的方位角，若某一目標的r與α符合公式(4)，即可認為其有效；

目標有效性檢驗的具體實現步驟如下；

①設定周期閾值N；

②確定待跟蹤目標，在第1個周期中，選擇該周期中新出現的目標為待跟蹤目標；

③計算目標的預測狀態向量，首先需要得到第n個周期時描述待跟蹤目標的狀態向量，狀態向量包括位置信息和速度信息，1≤n≤N-1：X_n|n＝[x_n|n,y_n|n,v_xn|n,v_yn|n]^T，及其協方差P_n|n，其中X表示狀態向量，x表示待跟蹤目標在以毫米波雷達為原點的直角坐標系下的橫坐標，y表示縱坐標，v_x表示待跟蹤目標的速度矢量在橫坐標軸上的分量，v_y表示在縱坐標軸上的分量，下標n|n表示加入了第n個周期的觀測值后由卡爾曼濾波方法計算得到的值，若下標是n|n-1，則表示該值是利用第n-1個周期的狀態向量利用卡爾曼濾波方法預測得到的值；

若周期序數n＝1，則將待跟蹤目標的位置坐標從極坐標系轉換到直角坐標系，得到位置觀測值，利用xy正交分解將待跟蹤目標的位置坐標和速度矢量從極坐標系下轉換到直角坐標系下，得到速度觀測值，公式為：

其中，r為目標與雷達的相對距離，α為目標與雷達的方位角，v為目標與雷達的相對速度，下標1表示周期序數，則X_1|1＝[x_1|1,y_1|1,v_x1|1,v_y1|1]^T＝[x₁,y₁,v_x1,v_y1]^T，P_1|1由毫米波雷達生產廠商提供；

若周期序數n≠1，則說明在上一個周期中已經得到了使用卡爾曼濾波計算出的結果X_n|n，P_n|n；

假設該目標在一個周期的間隔內近似認為做勻速直線運動，則第n+1周期該目標的預測狀態向量可通過公式(7)來預測：

即

其中，T為雷達掃描周期，x_n+1|n、y_n+1|n、v_xn+1|n、v_yn+1|n為根據第n個周期計算所得的第n+1周期該目標的預測狀態向量

協方差通過公式(8)來計算：

P_n+1|n＝FP_n|nF^T+Q_n (8)

其中Q_n為均值為零的高斯協方差矩陣；

④判斷相鄰兩個周期內觀測到的是否是同一個目標，將目標的預測狀態向量與實際觀測得到的狀態向量比較，設第n+1周期觀測到的該目標的實際狀態向量為：X_n+1＝[x_n+1,y_n+1,v_xn+1,v_yn+1]^T，則比較公式如下：

其中，Δx，Δy，Δv_x，Δv_y是人為設定的誤差差限，若X_n+1與滿足公式(9)，則認為在第n+1周期內觀測到的該目標與在第n個周期觀測到的是同一個目標；若是同一個目標，則進行下一步，否則認為丟失該目標，即該目標為噪聲；

⑤計算卡爾曼濾波結果，第n+1周期的卡爾曼濾波結果為：

P_n+1|n+1＝P_n+1|n-K_nP_n+1|n (11)

K_n＝P_n+1|n(P_n+1|n+R_n+1),R_n+1＝P_1|1 (12)

其中，K_n為卡爾曼增益，R_n+1為第n+1個周期觀測的協方差矩陣，由于近似認為同一個毫米波雷達每次觀測的誤差相等，故有R_n+1＝P_1|1；

⑥重復步驟③-⑤，直至目標消失或周期序數達到N，若在周期序數達到N之前目標消失，則認為該目標是噪聲，放棄跟蹤；若周期序數達到N，即n+1＝N，則輸出X_n+1|n+1。