基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测系统设计

张涛

（淮南联合大学 智能制造学院，安徽淮南，232038）

0 引言

引发交通事故的一个重要原因是驾驶员疲劳驾驶或突发疾病而使车辆失控。疲劳后，以感知功能减弱、注意力下降、驾驶操作行为紊乱、反应时间延长等表现为驾驶员生理上的变化和对驾驶行为的影响，极易造成判断失误和操作失误，从而导致道路交通事故的发生。因此，应积极利用人防、技防等手段加强对疲劳驾驶行为的监测，以防此类问题引发的交通事故。

国内外主要从驾驶员生理指标检测、驾驶面部特征检测、驾驶操作特征及车辆行驶状态检测等方面开展研究，各种方法均有一定的理论研究基础和技术可行性，其中大部分方法已有产品应用，目前国内外已有相关技术同时，在应用各种方法和技术方面也有局限性。虽然当前普及的大多数疲劳驾驶系统可以在一定程度上对驾驶疲劳进行监测，但仍然存在一些缺欠和短板的地方。现有的方法大多采用接触测量法，对监测生理信息往往需要司机携带或安装大量的设备，这对司机的正常行为会造成一定的困扰。同时，利用机器视觉技术单一地探测环境，使得驾驶员在白天的疲劳测试更为精确，而在夜间是驾驶疲劳的高峰期，驾驶员的疲劳监测的精准度并不理想。基于毫米波雷达的驾驶员疲劳驾驶监测技术可有效弥补现有技术手段的不足，以其非接触性、高灵敏性、抗干扰能力强等特点逐渐成为未来主流技术。

1 系统方案设计

毫米波雷达是利用电磁波向外发射来探测障碍物，传播时如果遇到障碍物就反射信号，通过雷达的接收天线接收回波信号，然后将障碍物的距离和径向速度等物理信息提取出来，进行混频和信号处理。除此之外，毫米波技术还带来了优势，可对人体进行无接触地持续监视。通过捕获和处理反射信号，雷达系统可以确定物体的距离、速度和角度。毫米波雷达在物体距离检测中可以提供毫米级别的精度，因而成为生命体征信号的理想非接触式监测技术。毫米波雷达传感器以体积小、质量轻、精度高为特点，具有全天候全天时工作优势，对雾、烟、粉尘具有较强的抗干扰能力。

雷达核心部分采用了TI 公司的高性能毫米波雷达芯片AWR1843，该芯片是单芯片76GHz～81GHz 的汽车雷达传感器，集成了DSP 子系统、MCU 和硬件加速模块(HWA)。雷达采用3 发4 收MIMO 的设计方案，可在常规雷达的基础上进一步提高角度分辨率，并且缩小雷达尺寸。信号处理算法的实现全部在AWR1843 芯片内完成，并将检测结果通过CAN 发送到车身控制器，进行目标特征提取和模式识别，决策出相应区域有无目标，以及目标生命体征状态信息。同时，通过UART 可以向上位机输出调试状态下的生命体征信息。

雷达支持的直流电压范围是6V～30V。在12V 电源下，工作电流为200mA 左右，峰值电流不超过350mA，系统的寄生电流不超过100μA。当雷达系统收到休眠指令，或从CAN 总线不能得到信息时，会进入休眠模式，休眠模式下，每个雷达传感器的电流不超过50μA。它不受光线、温度和灰尘的影响，相对于驾驶员生理指标检测、驾驶面部特征检测、驾驶操作特征和车辆行驶状态检测而言，具有极高的探测精度。

■1.1 系统框架

根据驾驶员生命体征信息监测对传感器性能的要求，构建出驾驶员生命体征监测系统，由系统硬件和系统软件组成。根据硬件功能的不同，系统可以划分为核心处理模块AWR1843、FLASH 单元、电压状态采集单元、时钟单元、状态数据存储单元、电源单元、对外接口单元等若干模块。其连接关系如图1 毫米波雷达系统硬件框图所示。雷达采用FMCW 技术，在天线阵列布局上，采用最小冗余阵列的设计方法，在阵元数量较少的情况下，可以忽略掉最小冗余阵列造成的栅瓣，因为采用了相对较少的3 发4 收通道数量，以增大天线阵列孔径，仅能提高角度分辨率，同时提高了测角精度。

图1 毫米波雷达系统硬件框图

软件系统是以TI官方开发软件和开发语言开发为基础，控制系统输出驾驶员生命体征信息检测结果。雷达硬件设备与控制计算机之间通过CAN 实现通讯，向主芯片发送雷达参数配置程序。配置雷达参数：CHANNEL_CFG 命令将天线收发方式配置为3 发4 收模式；Profile_CFG 命令配置雷达工作频率为77～81GHz，工作带宽为4GHz，线性调频脉冲数据率为6.25Hz，线性调频脉冲斜率为70MHz/μs，ADC 点数为224，ADC 速率为4558Ksps。接收天线增益30dB；FRAME_CFG 命令配置帧周期为100ms，含线性FM 脉冲数为32/帧。Sensor_START 命令配置启动式传感器；Sensor_STOP 指令配置终止传感器；FLUSH_CFG 命令刷新旧的配置，并在Sensor_STOP 命令之后提供新的配置，向传感器发送配置命令，以备下一次启动。采集雷达获取的回波数据，形成带时间戳的文件保用于算法处理。

■1.2 关键元器件

系统关键元器件清单如表1 所示，所有关键元器件均选用车规级别，阻容感等其他非关键元器件也均选用车规级别。其中DSP 处理器是所有数字信号处理、检测、跟踪、聚类和其他算法发生的处理单元。CAN 通信芯片用于完成车机互联，为车辆提供驾驶员疲劳监测数据，雷达系统能捕捉到异常时车辆发出提醒声音以唤醒驾驶者或采取其他必要措施。

表1 系统关键元器件清单

■1.3 对外接口与安装

雷达对外接插件采用TE 公司的6pins 的专用接插件175506-2，定义如表2 所示。雷达由蓄电池供电，雷达采集信息通过CAN总线与车机相连，提供车机关键决策信息。雷达安装在车辆顶部，左右居中，距驾驶员靠背的纵向距离推荐为1m，安装时需确保空间足够，需确保雷达接插件端口相对于车辆方向向左或向右，推荐雷达架设角度为向后倾斜30°，具体安装位置及架设角度视车辆内部空间而定。

表2 对外接插件定义

2 雷达检测原理

毫米波雷达向人体胸部区域发射线性调频脉冲，由于胸部的运动，反射信号是相位调制的，调制涵盖运动的所有分量，包括心跳和呼吸引起的运动。三发射天线分时发射快扫线性调频连续波信号，回波经四路接收天线返回雷达接收机，经混频滤波等处理，由AD 进行中频信号变为数字信号，对四路正交I/Q 信号做乒乓缓存，分别进行距离到一维FFT处理，再进行CAPON 谱估计，形成距离角度的二维热力图，从热力图上进行目标特征提取和模式识别，决策出相应区域成员的生命体征信息，信号处理流程如图2 所示。

图2 信号处理流程

■2.1 测距原理

雷达的基本工作之一就是测量目标的距离。如图3 频差法测距示意图，发射的快速扫描线性调频连续波信号FMCW 电磁波在空气中向前方传播，经障碍物反射，往返一次所需的时间延迟τ，其频率与回波频率相比在这段时间内发生了变化，因而在调频规律和回波延迟共同决定了这个中频信号在混频器输出端的频率差f。通过频差f 可求取延迟时间τ，进而得知目标距离。目标距离由计算公式(1)得，延时时间由计算公式(2)得。

图3 频差法测距示意图

■2.2 测角原理

由于电磁波沿直线传播，目标散射或反射电磁波波前到达的方向，即为目标所在方向。一般情况下，目标角度的测量采用相位法，即利用多根天线所接收的回波信号之间的相位差来测量角度。如图4 所示，设在θ 方向有一远区目标，则到达接收点的目标所反射的电磁波近似为平面波。设两天线的间距为d，所以它们接收到的信号有波程差∆R，而波程差又造成了与其相位差φ 的现象。通过求取该相位差而得到目标回波方向θ，波程差∆R由计算公式(3)得。

图4 相位法测角示意图

通过上述方法可获得距离和方位信息，通过软件设置有效的距离范围、角度范围，从而限定检测区域的边界，满足不同车型驾驶员区域的完整覆盖。

■2.3 技术指标

毫米波雷达技术指示如表3 所示。

表3 毫米波雷达技术指标

■2.4 功能测试

当车辆启动后，雷达被唤醒，开始自动检测，从模块收到探测请求，到完成探测、发送探测结果，一般耗时小于1s。一旦发现驾驶员有疲劳驾驶的行为，迅速发出报警信号，同时汽车中控系统还可以强制启动辅助救助装置，从而达到保障车内人员人身安全的目的，减少交通事故发生的概率。该系统除能精确检测出驾驶员的生命体征状态信息，实时监测驾驶员是否疲劳驾驶，另可用于车内成员检测，避免儿童或宠物被遗留在车内而引发的安全事故发生。如图5 上位机显示所示为驾驶员的心跳与呼吸信息。

图5 心跳与呼吸信息

3 总结

在这样的系统中，由于传统的相机等传感器难以感知到生理信号，且从设计角度来说，摄像头必须裸露在外，视野被遮挡难以避免。而在塑料遮挡物背后可以安装毫米波雷达，且对遮挡并不敏感，因此，毫米波雷达将成为感知系统的重要一环。虽然现在还没有具体规定，但众多半导体巨头已经在积极准备中，车内生理信号识别将是未来毫米波雷达的增量市场。而当车载毫米波雷达在生理信号监测应用中验证了之后，就有机会向健康护理相关应用的医院和家庭推广，值得我们期待这些更深入的应用。基于毫米波雷达的驾驶员生命体征监测系统，能够实现灵敏感知轻微呼吸的胸部运动幅度变化探测，快速判断驾驶员是否疲劳驾驶，必要时可发出警告提醒或采取紧急制动等措施，综合考虑该领域现阶段技术发展情况，我国在该领域尚处于起步阶段。本系统为解决驾驶员疲劳探测问题提供了智能解决方案，避免了驾驶员疲劳驾驶导致的事故和伤亡。