隨著車路協(xié)同系統(tǒng)技術的研究與發(fā)展，感知設備的可靠性、穩(wěn)定性、高性價比、可大規(guī)模部署等要求被提出來。而毫米波雷達正是滿足這一要求的器件。介紹了一種基于智能網(wǎng)聯(lián)平臺的車路協(xié)同的基本組成與架構，闡述其在交通系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。
重點討論了毫米波雷達感知技術的原理與功能，研究以毫米波雷達為主要感知設備搭建車路協(xié)同系統(tǒng)的可行性，研究毫米波雷達技術在智能交叉路口、智能高速 / 快速公路、智能停車場三種車路協(xié)同場景下的應用。可為毫米波雷達技術在車路協(xié)同系統(tǒng)中的應用研究提供參考。
毫米波雷達因具有探測距離遠、測速精度高、集成度高、受天氣條件影響較小等特點，在智能車路協(xié)同系統(tǒng)中廣泛應用。隨著車路協(xié)同技術的發(fā)展，適用于多種場景感知的毫米波雷達產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如交通場景雷達、汽車雷達、智能檢測雷達等。此類毫米波雷達為道路管理、車端決策提供實時場景信息，在車路系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。
目前毫米波雷達技術正向高分辨、多維度、高智能的方向發(fā)展，多通道集成技術、三維成像技術、雷達級聯(lián)成像技術、基于毫米波雷達的障礙物識別與分類技術等是當前的研究熱點。毫米波雷達新技術將融入更多車路協(xié)同場景中，發(fā)揮重要的感知作用，提升交通效率。
1. 車路協(xié)同系統(tǒng)架構系統(tǒng)概述
車路協(xié)同系統(tǒng)基于先進的通信技術和傳感技術，從多維度、多模態(tài)等方面構建信息交互架構，強調實時性強、互聯(lián)性強、全方位、信息低時延等特性，通過 V2X 通信技術，實現(xiàn)車 - 車，車 - 基礎設施，車 - 人，車 - 云端等信息共享和互操作，達到車輛協(xié)同安全控制和道路協(xié)同管理的效果，提高道路安全性、道路通行效率及交通系統(tǒng)資源利用率。
智能網(wǎng)聯(lián)汽車、路側邊緣節(jié)點、智能網(wǎng)聯(lián)平臺和云平臺是車路協(xié)同系統(tǒng)的關鍵組成部分。智能網(wǎng)聯(lián)汽車集成環(huán)境傳感器，線控底盤，車載通信單元等，在交通環(huán)境下，將自身狀態(tài)信息與感知信息通過聯(lián)網(wǎng)實時上傳與共享，汽車可以通過智能網(wǎng)聯(lián)平臺實時獲取道路管控與環(huán)境信息，提供給車載協(xié)同規(guī)劃單元，從而規(guī)劃合理路線，以避開擁堵，交通管控路段，同時保持車輛行駛狀態(tài)滿足交規(guī)要求。
路側邊緣節(jié)點的通信設備將道路控制信息與道路狀態(tài)信息發(fā)布到智能網(wǎng)聯(lián)平臺上，同時也會通過智能網(wǎng)聯(lián)平臺訂閱車輛狀態(tài)信息，以監(jiān)測車輛有無違反交規(guī) 行駛狀態(tài)是否正常等。
云平臺為智能網(wǎng)聯(lián)汽車路側設備 行人管理者等提供定制化服務，如地圖、天氣、停車位預約、交通管理 共享汽車服務 數(shù)據(jù)服務等、管理部門實時監(jiān)控交通聯(lián)網(wǎng)平臺上交通參與者的運行狀態(tài) 通過全局局部優(yōu)化方式 協(xié)同規(guī)劃交通網(wǎng)絡并實時與道路 車輛交互 合理管理與控制每個交通區(qū)域的運行 智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路設施智能網(wǎng)聯(lián)平臺及云平臺等部分的有效協(xié)同 合理規(guī)劃形成一個高效率高安全性的交通系統(tǒng)。
感知網(wǎng)絡是車路協(xié)同系統(tǒng)獲取交通信息的眼睛，其設備的可靠性、穩(wěn)定性、環(huán)境適應性等因素是車路協(xié)同系統(tǒng)有效運行的保障 感知網(wǎng)絡利用多源融合技術集成多個異構傳感器特長以實現(xiàn)系統(tǒng)的強魯棒性，如融合衛(wèi)星定位導航（GNSS） 、慣性導航（INS）、視覺 SLAM、激光雷達 SLAM 等技術來實現(xiàn)車輛的定位。
融合毫米波雷達、攝像頭、激光雷達、聲波雷達等技術實現(xiàn)道路障礙物信息檢測。毫米波雷達可以檢測目標位置、目標速度、 目標初步分類，目標微動特征等信息，在黑夜、霧霾、雨天等復雜場景下可正常探測目標信息，是車路協(xié)同系統(tǒng)中感知信息獲取的高可靠性設備。
車路協(xié)同系統(tǒng)架構
圖片來源：慧爾視
車路協(xié)同系統(tǒng)基于通信技術構建路側多節(jié)點之間，車 - 車之間的連接，將整個交通體系的人、車、路等參與者構建為一個整體，實現(xiàn)人 - 車 - 路等重要交通要素之間的交互和協(xié)作。
車路協(xié)同系統(tǒng)通過布置在智能網(wǎng)聯(lián)汽車，智能路側結點的感知設備實時獲取交通環(huán)境信息，車載通信單元 OBU，路側單元 RSU 實時傳輸交通環(huán)境信息、管理信息、協(xié)同操作信息等。路側邊緣節(jié)點可提供路況信息、路側感知信息、區(qū)域協(xié)同規(guī)劃、管理指揮等。智能網(wǎng)聯(lián)平臺匯聚轉發(fā)各節(jié)點數(shù)據(jù)信息云平臺可以集成邊緣計算服務、天氣服務、交通資源管理、特殊車輛管理等。如圖 1 所示
2. 毫米波雷達感知技術
調頻連續(xù)波（FMCW）雷達因具有探測盲區(qū)小、發(fā)射功率小、帶寬大、結構簡單的特點，并可以檢測障礙物的距離、速度、相對角度、物體特征等信息，在智能汽車、交通場景檢測、智能檢測等領域廣泛應用。本文主要研究調頻連續(xù)波體制的毫米波雷達技術。
障礙物檢測技術
毫米波雷達主要由信號發(fā)射天線、信號接收天線、射頻收發(fā)通道及數(shù)據(jù)處理單元構成，利用發(fā)射天線向周圍輻射電磁波，遇到障礙物后，部分電磁波形成反射，障礙物反射回波經(jīng)接收天線進入雷達系統(tǒng)，雷達數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)障礙物反射回波的頻譜、相位堯、時間等信息解算障礙物與毫米波雷達之間的距離、相對速度、相對角度等信息。
毫米波接收反射信號的功率 P， 與到障礙物的距離 d 的一般計算公式為:
目標分類與識別技術
毫米波雷達根據(jù)目標回波的特征來對物體分類和識別，應用于車路協(xié)同系統(tǒng)中的毫米波雷達目標特征提取技術主要有基于目標雷達截面積 RCS 的目標特征提取技術、目標微動特征的檢測技術、基于一維高分辨率距離像特征提取技術、基于極化信息的特征提取技術。
1）基于目標 RCS 的特征提取技術。在雷達信號處理中，RCS 是描述目標本質特征的指標，主要與目標的形狀、材質、信號入射角度、輻射信號頻率相關。在目標的外在形狀、材質、入射頻率等確定不變的情況下，目標狀態(tài)的改變引起電磁波入射角變化，進而引起目標 RCS 值改變，可據(jù)此來推算目標運動特征。
2）目標微動特征提取技術。目標質心相對于雷達運動時，會產(chǎn)生多普勒頻率，而目標或其組成部分相對于目標質心的振動、轉動及加速度等微動特征會產(chǎn)生微多普勒效應。解析微多普勒效應中產(chǎn)生的微多普勒信號，即可得到目標微動特征信息，進而做目標分類和識別。
3）基于一維高分辨率距離像的目標特征提取技術。一維高分辨率距離像（HRRP），建立在較大帶寬的基礎上，具有較高的距離向分辨率，在散射點模型下，目標回波在雷達距離向上產(chǎn)生多個散射點，可以體現(xiàn)目標在雷達視線方向下的相對的結構數(shù)據(jù)與散射強度特征。根據(jù)一維高分辨率距離像表現(xiàn)出的特征，可做目標的分類與識別。
4）基于極化信息的特征提取技術。極化信息是描述雷達電磁波矢量特征的參數(shù)，是表征目標散射特性的一個重要屬性。雷達輻射的電磁波照射到目標后，目標會產(chǎn)生極化信息變化的回波，回波極化信息變換與目標外形、尺寸、結構等密切相關。根據(jù)目標極化散射特性，可以對目標進行識別。
3. 基于毫米波感知技術的車路協(xié)同場景
智能交叉路口
在城市的交叉路口交通場景中，由于多路口交通量匯入、信號燈調節(jié)干擾等原因，造成交通環(huán)境復雜、車流量大、交叉路口行人密集，極易造成擁堵或者交通事故。基于車路協(xié)同技術構建的智能交叉路口，綜合區(qū)域內感知設備獲取的交通信息，可以對信號燈、經(jīng)過車輛、行人等做合理規(guī)劃與管控，有效疏解車輛與行人，縮短車輛通行時間，減少擁堵與交通事故，提高交叉路
口通行效率。如圖 2 所示。
圖片來源：慧爾視
安裝在路側的交通雷達，具備目標檢測、目標類型識別、車流量統(tǒng)計、車速檢測、目標狀態(tài)跟蹤、車隊長度檢測等能力。車載毫米波雷達可以實時檢測車輛周圍目標速度、位置等信息，除作為本車規(guī)劃與決策單元的有效輸入之外，將此信息上傳至交叉路口智能網(wǎng)聯(lián)平臺，成為交叉路口交通信息的有效補充。毫米波雷達和攝像頭聯(lián)動，輔助管理部門對交叉路口內的車輛進行交通執(zhí)法。
合理布局毫米波雷達設備，實現(xiàn)雷達監(jiān)視范圍覆蓋所有路口，可有效感知整個交叉路口的交通信息，掌控整個交叉路口交通狀態(tài)。路側交通雷達監(jiān)視各路口車輛、行人狀態(tài)、車載毫米波雷達融合其他設備感知本車周圍障礙物信息，所有感知信息，信號燈信息，交通管理信息等上傳至智能網(wǎng)聯(lián)平臺。車輛訂閱智能網(wǎng)聯(lián)平臺，獲取盲區(qū)信息、信號燈信息、交通管控信息等。交叉路口控制中心通過智能網(wǎng)聯(lián)平臺獲取車輛、非機動車、行人等狀態(tài)信息，利用局部協(xié)同控制算法技術優(yōu)化設置信號燈相位、規(guī)劃車輛行駛路線及速度，實現(xiàn)車輛、非機動車輛、行人等安全、快速通行。
智能高速 / 快速路
高速公路 / 城市快速路對駛入車輛類型、車速有明確規(guī)定，劃分有超車道、快車道、慢車道、應急車道，對每個車道的車速范圍有明確的限制，禁止行人、非機動車、超標車輛等進入，行駛環(huán)境相對于普通道路較簡單，作為城市市區(qū)內、城市間路網(wǎng)主干，承擔著較大比重的交通量。
根據(jù)規(guī)劃與建設特點，高速 / 快速公路可分為：出入匝道口、通行路段、服務區(qū)。出入匝道口承擔著引導車流匯入、分流主干道車流、通行收費等任務，易發(fā)生擁堵與事故。通行路段，劃分多類型車道，通行效率受天氣條件、違規(guī)行駛車輛、事故車輛等事件影響。服務區(qū)輸入車流速度較慢，輸出匝道口車流匯入主路，影響主干道通信效率。如圖 3 所示。
引入車路協(xié)同技術構建智能高速 / 快速公路，利用感知設備實時監(jiān)控匝道口、通行路段、服務區(qū)匝道口交通信息，智能網(wǎng)聯(lián)平臺匯聚高速 / 快速公路交通信息和管理信息，控制中心依據(jù)路況信息協(xié)同管控車流、優(yōu)化路網(wǎng)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車依據(jù)傳感器及控制中心信息規(guī)劃本車行駛路徑，避免擁堵和交通事故，提高高速 / 快速公路通行效率。
匝道口安裝交通雷達，可進行車流量檢測、車輛分類、車速檢測、逆行檢測等，為管理中心實時提供匝道口交通信息。
行駛路段路側安裝交通雷達，具有交通計數(shù)與分類、事件檢測、應急車道占用、與攝像頭聯(lián)動執(zhí)法等功能。長距雷達可在高速行駛環(huán)境下感知遠距離障礙物，角向雷達輔助車輛感知周圍信息，為變道超車、自動巡航、防止碰撞、列隊行駛等提供感知信息。車內智能檢測雷達，檢測駕駛人員、乘客人數(shù)、乘客人員的心率與呼吸， 可防止疲勞駕駛、人員超載、并具備人員健康狀況檢測功能。
智能停車場
停車場，是行駛車輛的目的地，合理的設計與布局，可以減少車輛在公路上行駛的時間，既可提高通行效率，又可方便居民停車?，F(xiàn)實生活中停車場出入口比較難找，停車位數(shù)量不可預知，一些地下停車場內部布局復雜，給車主帶來很多麻煩。針對停車難的問題，引入車路協(xié)同技術，智能化設計停車場。
停車場位置信息、收費信息、車位數(shù)量上傳云平臺，方便車主訂閱與查 看。停車場出入口智能設計，引導車輛安全通行。實時共享停車場內部高精地圖，方便車輛找停車位。車輛利用感知設備與高精地圖自主泊車，解決車主停車焦慮。如圖 4 所示
道閘雷達，安裝在停車場出入口，可以識別車輛與行人，控制閘桿抬起、落下，有效防止閘桿誤傷行人與車輛。車位檢測雷達，檢測車位有無停車，上報空余車位。車載寬帶成像雷達可以獲取停車場三維信息，引導車輛前行，輔助車輛自主泊車。
車內智能檢測雷達，檢測車內生命體征，防止嬰兒遺忘車內，并具備車輛侵入告警功能。毫米波雷達與其他傳感器構成智能停車場感知架構，提升停車場工作效率，方便車主使用。
結束語
本文研究了毫米波雷達技術在車路協(xié)同系統(tǒng)中的應用，并基于毫米波雷達感知技術搭建了交叉路口、高速 / 快速路、停車場三種典型場景下的車路協(xié)同框架，毫米波雷達測距、測速、目標識別、交通計數(shù)等感知技術，為協(xié)同規(guī)劃、區(qū)域協(xié)同管理與控制、路網(wǎng)優(yōu)化等提供依據(jù)，保證車路協(xié)同系統(tǒng)有效、穩(wěn)定運行。分析表明，以毫米波雷達為主要感知手段的車路協(xié)同系統(tǒng)可提升 交通管理水平、提高交通效率、保障交通安全。