eng
Выпуск #5/2000
В. Расторгуев, В. Нуждин, Н.Сидоров, Ю. Сулимов и др.
Система радиовидения “АвтоРадар”. Управление движением автомобиля
Система радиовидения “АвтоРадар”. Управление движением автомобиля
Просмотры: 2972
Непрерывный рост автомобильных катастроф заставляет ученых всего мира интенсивно искать способы их предотвращения. Проблема обеспечения безопасности транспортного движения особенно остро стоит для условий ограниченной оптической видимости, и решение ее невозможно представить без применения автомобильных радиолокационных средств. Система радиовидения “АвтоРадар”, предлагаемая специалистами Московского государственного авиационного института, обладает большими преимуществами перед оптическими и инфракрасными устройствами этого класса. В перспективе совершенствование “АвтоРадара” приведет к созданию автоматической системы управления автомобилем в любых дорожных, временных и погодных условиях.
Во всем мире по мере развития автомобильной промышленности растут плотность транспортных потоков на дорогах и средняя скорость движения автомобилей, что ведет к увеличению числа автомобильных катастроф. Как правило, причина несчастных случаев – недостаточная информированность водителя о ситуации на дороге, чему способствует ограниченная зона оптической видимости, особенно в ночное время суток, в дождь, туман, снег, при дыме, пыли и т.п. Поэтому сегодня ученые разных стран (России, Германии, Франции, США, Японии) работают над созданием новых информационных систем и датчиков для автомобилей, которые должны снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций, а в будущем полностью заменить водителя.
Основу таких информационных систем составляют радиоэлектронные и оптические средства, обеспечивающие обзор и впереди, и сзади, и сбоку автомобиля. В зависимости от сложности и вариантов решения задач разрабатываемые информационные системы для транспортных средств можно разделить на следующие типы:
• радиолокационные датчики измерения дальности до впереди идущего транспорта и различных препятствий, а также измерения их относительной скорости движения. Это простые устройства, которые решают только часть задачи, а именно – лишь формируют сигналы предупреждения об опасной ситуации (опасного расстояния до автомобиля) в процессе движения;
• многофункциональные системы “радарного зрения – радиовидения”, которые получают большой объем данных и позволяют формировать радиолокационные изображения дороги, других автомобилей, окружающей обстановки, а также измерять необходимые параметры вне зависимости от погодных условий;
• радиолокационные системы, позволяющие не только получать радиолокационные изображения объекта, но и идентифицировать его тип, вид препятствия, состояние дорожного покрытия и т.д.
• радиолокационные системы предыдущего типа, но используемые для автономного и автоматического управления автомобилем – наиболее сложный тип систем.
Среди самых простых устройств – датчиков – можно выделить адаптивную систему управления скоростью автомобиля (фирмы Daimler-Benz AG), в которой доплеровская РЛС с частотой 77 ГГц соединена с системами электронного управления и торможения. Основной недостаток этой системы состоит в низкой информативности, обусловленной использованием однолучевого радиолокационного датчика. Для повышения информативности автомобиль оснащают дополнительными оптическими датчиками, что, соответственно, приводит к зависимости эффективности его управления от оптической прозрачности среды и погодных условий.
Более высокой информативностью, а следовательно, и большей эффективностью обладает система автоматического контроля и управления движением транспортного средства Navlab5, разработанная в рамках Федерального проекта автоматизации автомобильных дорог США в университете Carnegie Mellon. По мнению разработчиков, система Navlab5 обеспечит автоматическое управление автомобилем в заданной полосе движения, поддерживая необходимый скоростной режим, маневрирование на полотне дороги, объезды препятствий, экстренное торможение. В системе можно выделить несколько функциональных блоков:
v четырехлучевая радиолокационная система, состоящая из локатора переднего обзора с непрерывным ЛЧМ-зондирующим сигналом, устройства первичной обработки информации, компьютера, управляющего работой локатора, и цифрового сигнального процессора (рис.1);
• оптическая система, включающая в себя видеокамеру;
• навигационная система GPS;
• блок управления отдельными узлами автомобиля;
• основной бортовой компьютер, обеспечивающий управление и взаимосвязь всех устройств и блоков.
Четырехлучевой датчик системы, работающий в 4-мм диапазоне радиоволн, характеризуется высоким разрешением по дальности (менее 1 м). Недостаток информационно-измерительной системы Navlab5 – низкая угловая разрешающая способность (ширина диаграммы направленности в азимутальной плоскости – 3°). Это не позволяет с расстояния 50–100 м раздельно наблюдать препятствия, отстоящие друг от друга менее чем на 5 м, и осуществлять надежные и безопасные маневры автомобиля.
Все недостатки, присущие приведенным системам, исключены в системе радиовидения, которая использует многолучевые датчики и локаторы, работающие с высокой скоростью обзора пространства. Обладая высокой информативностью, она обеспечивает автоматическое управление автомобилем практически в любых дорожных ситуациях и погодных условиях.
Система радиовидения – качественно новый этап развития радиолокационных систем, предназначенных для применения на наземном транспорте. Здесь объединены достижения в области радиолокации, антенной техники мм-диапазона длин волн, а также программно-аппаратных средств цифровой обработки радиолокационных сигналов. Система радиовидения открывает новый этап в управлении движением транспортных средств в условиях ограниченной оптической видимости и создает предпосылки для создания системы автоматического управления транспортными средствами.
Разработанная авторами система радиовидения “АвтоРадар” предназначена для управления автомобилем в условиях ограниченной оптической видимости, когда движение автомобиля при визуальном контроле либо по данным оптических датчиков затруднено, а порой невозможно. Таким образом, “АвтоРадар” не только повышает безопасность движения автомобиля в условиях ограниченной оптической видимости, но и открывает совершенно новые возможности – управление движением в отсутствие оптической видимости.
“АвтоРадар” формирует в реальном времени радиолокационное изображение местности впереди автомобиля, которое водитель наблюдает на индикаторе, расположенном в салоне. На изображении видны границы автодороги и автомобили на ней в пределах заданной (10–500 м) дальности с учетом динамики движения собственного автомобиля, а также всех движущихся попутных и встречных транспортных средств.
Общий принцип построения и работы антенной и приемопередающей частей “АвтоРадара” основан на традиционной схеме импульсной РЛС кругового обзора. Антенна “АвтоРадара” имеет веерообразную диаграмму направленности, т. е. узкую в азимутальной и достаточно широкую в угломестной плоскостях (рис. 2). При вращении такая антенна обеспечивает не только требуемый обзор в вертикальной и горизонтальной плоскостях, но и измерение азимутальных координат объектов локации.
Экспериментальный образец “АвтоРадара” конструктивно выполнен в виде трех функциональных модулей (рис. 3):
– антенного и приемопередающего модуля;
– специализированного вычислительного модуля;
– индикаторного устройства.
Антенный и приемопередающий модуль устанавливается на крыше (рис.4), а вычислительный и индикаторный модули – в салоне автомобиля. Генератор тактовых импульсов формирует периодическую последовательность импульсов, которые воздействуют на модулятор. Видеоимпульсы последнего модулируют СВЧ-колебания генератора, в результате чего образуются радиоимпульсы, которые через циркулятор поступают в антенну. Отраженные от объектов радиоимпульсы поступают на вход приемника с некоторой задержкой, после чего с помощью АЦП и бортового компьютера преобразуются в двухмерное радиолокационное изображение дорожной ситуации с координатами: по горизонтали – угол азимута, по вертикали – дальность. Препятствия (автомобили, ограждения и т.п.) отображаются в виде ярких отметок на темном фоне.
Экспериментальный образец системы прошел большое число натурных испытаний, в результате которых были получены синхронные записи оптических и радиолокационных изображений различных дорожных ситуаций (рис. 5 и 6). Проведенные испытания, кроме того, показали:
– в целом “АвтоРадар” и системы подобного класса адекватно решают задачу радиовидения автодороги и могут быть использованы для управления автомобилями в условиях ограничения или полного отсутствия оптической видимости;
– радиолокационные изображения, формируемые “АвтоРадаром”, дают полное представление об обстановке на трассе – все автомобили наблюдаются четко, по изображению можно прослеживать направления их движения, отличать встречные, обгоняющие или стоящие автомобили, а также визуально наблюдать в динамике всю дорожную ситуацию;
– сравнительный анализ энергетических характеристик рассеяния различных целей показал, что эффективная площадь рассеяния цели (автомобиля) зависит от размера автомобиля и его ракурса. Легковые автомобили устойчиво наблюдались на дальностях до 100–150 м, а грузовые – до 200–250 м, также хорошо различались дорожные знаки, ограждения.
Полученные результаты все же не обеспечивают данной системе широкого применения, что связано с недостаточно высокими качеством и информативностью радиолокационного изображения. Для повышения характеристик “АвтоРадара” проводится его техническое усовершенствование, заключающееся в разработке новой антенны с электронным сканированием, переходе в 4-мм диапазон длин волн и применении частотной модуляции. Это повысит разрешающую способность радара до 2 м, предельную дальность до 500 м. При этом масса СВЧ-модуля снизится до 1 кг, а общая масса “АвтоРадара” – до 2 кг.
Совокупность всех этих технических новшеств позволит создать малогабаритный промышленный образец системы радиовидения с высокими тактико-техническими характеристиками, обеспечивающими решение задачи управления автомобилем в условиях отсутствия оптической видимости дорожной обстановки, а также приступить к созданию системы автоматического управления автомобилем.
Литература
Nujdin V. M., Chukin L. F. Elaboration of a Front Survey Automobile Radar for Movement in the Conditions of Limited Visibility. - Proc. of Third Scientific Exchange Seminar “Radiotechnical Systems and Devices of UHF”: TUM, Munich, Germany, 1995.
Klioutcharev M. Yu., Nujdin V. M., Rastorguev V. V., Chukin L. F., Usmanov V. L. – The Experimental Research of a Front Survey Automobile Radar. – Proc. of Fifth Scientific Exchange Seminar “Radiotechnical Systems and Devices of UHF”: TUM, Munich, Germany, 1997.
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 1999, №3,
с. 42–44.
Dirk Langer. – An Integrated MMW Radar System for Outdoor Navigation.– Tech. Report SMU-RI-TR-97-03, 1997.
Представляем авторов
Расторгуев Владимир Викторович. Кандидат технических наук, заведующий кафедрой радиоприемных устройств МАИ. Окончил МАИ в 1972 году. Автор более 70 научных трудов (монографий, статей, докладов и изобретений). Сфера профессиональных интересов – устройства обработки радиолокационных изображений в реальном времени. Контактный телефон: 158-4728.
Нуждин Владимир Михайлович. Кандидат технических наук, доцент МАИ. Окончил МАИ в 1963 году. Автор более 50 научных трудов (монографий, статей, докладов и изобретений). Сфера профессиональных интересов – автономные информационно-измерительные радиолокационные системы. Контактный телефон: 158-4084.
Основу таких информационных систем составляют радиоэлектронные и оптические средства, обеспечивающие обзор и впереди, и сзади, и сбоку автомобиля. В зависимости от сложности и вариантов решения задач разрабатываемые информационные системы для транспортных средств можно разделить на следующие типы:
• радиолокационные датчики измерения дальности до впереди идущего транспорта и различных препятствий, а также измерения их относительной скорости движения. Это простые устройства, которые решают только часть задачи, а именно – лишь формируют сигналы предупреждения об опасной ситуации (опасного расстояния до автомобиля) в процессе движения;
• многофункциональные системы “радарного зрения – радиовидения”, которые получают большой объем данных и позволяют формировать радиолокационные изображения дороги, других автомобилей, окружающей обстановки, а также измерять необходимые параметры вне зависимости от погодных условий;
• радиолокационные системы, позволяющие не только получать радиолокационные изображения объекта, но и идентифицировать его тип, вид препятствия, состояние дорожного покрытия и т.д.
• радиолокационные системы предыдущего типа, но используемые для автономного и автоматического управления автомобилем – наиболее сложный тип систем.
Среди самых простых устройств – датчиков – можно выделить адаптивную систему управления скоростью автомобиля (фирмы Daimler-Benz AG), в которой доплеровская РЛС с частотой 77 ГГц соединена с системами электронного управления и торможения. Основной недостаток этой системы состоит в низкой информативности, обусловленной использованием однолучевого радиолокационного датчика. Для повышения информативности автомобиль оснащают дополнительными оптическими датчиками, что, соответственно, приводит к зависимости эффективности его управления от оптической прозрачности среды и погодных условий.
Более высокой информативностью, а следовательно, и большей эффективностью обладает система автоматического контроля и управления движением транспортного средства Navlab5, разработанная в рамках Федерального проекта автоматизации автомобильных дорог США в университете Carnegie Mellon. По мнению разработчиков, система Navlab5 обеспечит автоматическое управление автомобилем в заданной полосе движения, поддерживая необходимый скоростной режим, маневрирование на полотне дороги, объезды препятствий, экстренное торможение. В системе можно выделить несколько функциональных блоков:
v четырехлучевая радиолокационная система, состоящая из локатора переднего обзора с непрерывным ЛЧМ-зондирующим сигналом, устройства первичной обработки информации, компьютера, управляющего работой локатора, и цифрового сигнального процессора (рис.1);
• оптическая система, включающая в себя видеокамеру;
• навигационная система GPS;
• блок управления отдельными узлами автомобиля;
• основной бортовой компьютер, обеспечивающий управление и взаимосвязь всех устройств и блоков.
Четырехлучевой датчик системы, работающий в 4-мм диапазоне радиоволн, характеризуется высоким разрешением по дальности (менее 1 м). Недостаток информационно-измерительной системы Navlab5 – низкая угловая разрешающая способность (ширина диаграммы направленности в азимутальной плоскости – 3°). Это не позволяет с расстояния 50–100 м раздельно наблюдать препятствия, отстоящие друг от друга менее чем на 5 м, и осуществлять надежные и безопасные маневры автомобиля.
Все недостатки, присущие приведенным системам, исключены в системе радиовидения, которая использует многолучевые датчики и локаторы, работающие с высокой скоростью обзора пространства. Обладая высокой информативностью, она обеспечивает автоматическое управление автомобилем практически в любых дорожных ситуациях и погодных условиях.
Система радиовидения – качественно новый этап развития радиолокационных систем, предназначенных для применения на наземном транспорте. Здесь объединены достижения в области радиолокации, антенной техники мм-диапазона длин волн, а также программно-аппаратных средств цифровой обработки радиолокационных сигналов. Система радиовидения открывает новый этап в управлении движением транспортных средств в условиях ограниченной оптической видимости и создает предпосылки для создания системы автоматического управления транспортными средствами.
Разработанная авторами система радиовидения “АвтоРадар” предназначена для управления автомобилем в условиях ограниченной оптической видимости, когда движение автомобиля при визуальном контроле либо по данным оптических датчиков затруднено, а порой невозможно. Таким образом, “АвтоРадар” не только повышает безопасность движения автомобиля в условиях ограниченной оптической видимости, но и открывает совершенно новые возможности – управление движением в отсутствие оптической видимости.
“АвтоРадар” формирует в реальном времени радиолокационное изображение местности впереди автомобиля, которое водитель наблюдает на индикаторе, расположенном в салоне. На изображении видны границы автодороги и автомобили на ней в пределах заданной (10–500 м) дальности с учетом динамики движения собственного автомобиля, а также всех движущихся попутных и встречных транспортных средств.
Общий принцип построения и работы антенной и приемопередающей частей “АвтоРадара” основан на традиционной схеме импульсной РЛС кругового обзора. Антенна “АвтоРадара” имеет веерообразную диаграмму направленности, т. е. узкую в азимутальной и достаточно широкую в угломестной плоскостях (рис. 2). При вращении такая антенна обеспечивает не только требуемый обзор в вертикальной и горизонтальной плоскостях, но и измерение азимутальных координат объектов локации.
Экспериментальный образец “АвтоРадара” конструктивно выполнен в виде трех функциональных модулей (рис. 3):
– антенного и приемопередающего модуля;
– специализированного вычислительного модуля;
– индикаторного устройства.
Антенный и приемопередающий модуль устанавливается на крыше (рис.4), а вычислительный и индикаторный модули – в салоне автомобиля. Генератор тактовых импульсов формирует периодическую последовательность импульсов, которые воздействуют на модулятор. Видеоимпульсы последнего модулируют СВЧ-колебания генератора, в результате чего образуются радиоимпульсы, которые через циркулятор поступают в антенну. Отраженные от объектов радиоимпульсы поступают на вход приемника с некоторой задержкой, после чего с помощью АЦП и бортового компьютера преобразуются в двухмерное радиолокационное изображение дорожной ситуации с координатами: по горизонтали – угол азимута, по вертикали – дальность. Препятствия (автомобили, ограждения и т.п.) отображаются в виде ярких отметок на темном фоне.
Экспериментальный образец системы прошел большое число натурных испытаний, в результате которых были получены синхронные записи оптических и радиолокационных изображений различных дорожных ситуаций (рис. 5 и 6). Проведенные испытания, кроме того, показали:
– в целом “АвтоРадар” и системы подобного класса адекватно решают задачу радиовидения автодороги и могут быть использованы для управления автомобилями в условиях ограничения или полного отсутствия оптической видимости;
– радиолокационные изображения, формируемые “АвтоРадаром”, дают полное представление об обстановке на трассе – все автомобили наблюдаются четко, по изображению можно прослеживать направления их движения, отличать встречные, обгоняющие или стоящие автомобили, а также визуально наблюдать в динамике всю дорожную ситуацию;
– сравнительный анализ энергетических характеристик рассеяния различных целей показал, что эффективная площадь рассеяния цели (автомобиля) зависит от размера автомобиля и его ракурса. Легковые автомобили устойчиво наблюдались на дальностях до 100–150 м, а грузовые – до 200–250 м, также хорошо различались дорожные знаки, ограждения.
Полученные результаты все же не обеспечивают данной системе широкого применения, что связано с недостаточно высокими качеством и информативностью радиолокационного изображения. Для повышения характеристик “АвтоРадара” проводится его техническое усовершенствование, заключающееся в разработке новой антенны с электронным сканированием, переходе в 4-мм диапазон длин волн и применении частотной модуляции. Это повысит разрешающую способность радара до 2 м, предельную дальность до 500 м. При этом масса СВЧ-модуля снизится до 1 кг, а общая масса “АвтоРадара” – до 2 кг.
Совокупность всех этих технических новшеств позволит создать малогабаритный промышленный образец системы радиовидения с высокими тактико-техническими характеристиками, обеспечивающими решение задачи управления автомобилем в условиях отсутствия оптической видимости дорожной обстановки, а также приступить к созданию системы автоматического управления автомобилем.
Литература
Nujdin V. M., Chukin L. F. Elaboration of a Front Survey Automobile Radar for Movement in the Conditions of Limited Visibility. - Proc. of Third Scientific Exchange Seminar “Radiotechnical Systems and Devices of UHF”: TUM, Munich, Germany, 1995.
Klioutcharev M. Yu., Nujdin V. M., Rastorguev V. V., Chukin L. F., Usmanov V. L. – The Experimental Research of a Front Survey Automobile Radar. – Proc. of Fifth Scientific Exchange Seminar “Radiotechnical Systems and Devices of UHF”: TUM, Munich, Germany, 1997.
ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 1999, №3,
с. 42–44.
Dirk Langer. – An Integrated MMW Radar System for Outdoor Navigation.– Tech. Report SMU-RI-TR-97-03, 1997.
Представляем авторов
Расторгуев Владимир Викторович. Кандидат технических наук, заведующий кафедрой радиоприемных устройств МАИ. Окончил МАИ в 1972 году. Автор более 70 научных трудов (монографий, статей, докладов и изобретений). Сфера профессиональных интересов – устройства обработки радиолокационных изображений в реальном времени. Контактный телефон: 158-4728.
Нуждин Владимир Михайлович. Кандидат технических наук, доцент МАИ. Окончил МАИ в 1963 году. Автор более 50 научных трудов (монографий, статей, докладов и изобретений). Сфера профессиональных интересов – автономные информационно-измерительные радиолокационные системы. Контактный телефон: 158-4084.
Отзывы читателей
