一種基于ofdm雷達通信一體化的車聯網感知系統及其構建方法
【技術領域】
[0001] 本發明為一種基于OFDM雷達通信一體化的車聯網感知系統及其構建方法，它采 用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，0FDM)、雷達信號處理 等相關技術，實現非合作探測與合作通信兩種方式的有機結合，提高車輛智能化和行車安 全性，屬于數字信號處理領域。
【背景技術】
[0002] 車聯網是指利用先進的傳感技術、網絡技術等，對道路和車輛運行狀況進行全面 感知，實現多個系統間的大范圍、大數據交互，可應用于行車安全、信息娛樂等多個方面，在 豐富車輛娛樂系統的同時，增強車輛行駛的安全性能。
[0003] 目前，車聯網在信息感知與獲取方面主要通過自身行車系統得到行駛速度、車輛 位置等內容，再通過移動互聯網絡與系統內其他用戶共享車輛信息。首先，己方車輛位置信 息主要依靠全球定位系統（Global Positioning System，GPS)定位信息獲得，而民用GPS 信號的精度在10米左右，故不能滿足車輛在正常行駛過程中對安全間距的要求。其次，由 于汽車產業鏈的封閉性，大多數廠商都將車聯網設計為一個封閉的系統，不同廠商的車輛 不能互通，這就極大的限制了不同車輛間信息交互的可能性，降低了車聯網在行車安全方 面的應用效能。第三，雖然越來越多的車輛配置了遍布車輛前后的雷達探頭，亮度高、照射 距離遠的氙氣車燈，甚至激光車燈，但現有雷達探頭主要應用于低速泊車、倒車等情況，其 有效探測距離一般在2米以內，無法為高速行駛狀態下的車輛提供安全距離；此外，雖然高 亮度車燈、激光車燈可以為車輛提供更遠的照射距離，但在雨、霧等惡劣天氣環境下其作用 距離將大大縮短，同時，黑色等深顏色目標由于反射光較弱，其作用效果也將進一步降低。
[0004] 目前，無人駕駛汽車和輔助駕駛技術由于控制車輛行駛方向、速度的需要，多依靠 光學探測器獲取環境圖像，再通過圖像識別技術實時獲取一定范圍內其他車輛或障礙物的 距離、速度、方位等信息。但在雨、霧等可視條件差的情況下，光學探測器的探測距離和成像 質量都會急劇下降，無法為快速行駛狀態下的車輛提供足夠的安全保證。因此需要一種可 在多種氣象條件下獲取周圍障礙物信息的探測技術。
[0005] OFDM技術由于具有頻譜利用率高、抗多徑、抗干擾等特點，現廣泛應用于第三代、 第四代移動通信網絡等無線通信領域。同時，因為OFDM技術具有峰值功率低、頻帶寬等特 點，也在低截獲雷達信號設計中得到應用。雖然通信系統與雷達系統在環境感知中各有長 處，但是由于二者在設計需求、處理方法等方面的差異，目前關于OFDM的雷達與通信融合 應用依然處于起步階段。
[0006] 針對上面提到的情況以及實際應用需求，本發明提出了一種基于0FDM、綜合雷達 主動探測與無線通信的車聯網感知系統設計方法，可以實現對周圍目標的主動探測，以及 同時與合作目標的車際通信。該系統采用OFDM信號，在通信數據中插入本車行駛信息，一 方面，若與周邊其他車輛建立合作通信關系，則既可借助目標車輛的發射信號解調出對方 當前速度及其他狀態特征參數（如是否工作正常、變換車道等），又可利用散射回波信號測 量出己方與目標車輛的相對距離和角度信息；另一方面，若無法與周邊其他車輛有效通信， 則該系統將僅處于非合作探測工作方式，通過自適應調整OFDM發射信號并接收、處理來自 其他車輛的散射回波完成對周邊車輛相對速度、距離和角度的測量。該系統融合了非合作 探測與合作通信兩種工作方式，可提高其對實際復雜交通環境的適用性和安全可靠性，為 有人/無人駕駛汽車提供必要的道路感知信息。此外，由于上述兩種工作方式采用相同信 號波形與收發裝置，系統易于實現集成化和小型化，從而降低其對車輛整體結構的影響。
【發明內容】
[0007] 本發明目的在于提供一種基于OFDM雷達通信一體化的車聯網感知系統及其構建 方法，它是一種綜合非合作探測與合作通信技術的車聯網感知系統設計方法。其采用OFDM 完成對自身行車信息的調制與發射共享，一方面可通過合作通信方式解調出其他車輛的行 駛速度、工作狀態及動向特征數據，另一方面則可利用非合作雷達探測方式測量本車與周 邊其他車輛的相對位置及運動信息，進而為駕駛員或自動駕駛系統實時提供周邊目標運動 情況，幫助其采取必要的合理措施，提高行車安全。
[0008] 1)本發明一種基于OFDM雷達通信一體化的車聯網感知系統，它包括：數據融合單 元、行車信息獲取單元、回波信號提取單元、信號調制單元、信號解調單元、無線收發單元。 它們之間彼此相互連接。
[0009] 所述數據融合單元為本發明的核心單元。它分別與行車信息獲取單元、車載多 媒體系統、信號調制單元、信號解調單元、回波信號提取單元相連接，完成從行車信息獲取 單元和車載多媒體系統讀取行駛數據幀和多媒體數據幀，經數據封裝后發送給信號調制單 元；同時，對信號解調單元獲得的數據進行數據幀解包，一方面將解包后獲得的多媒體信息 傳輸給車載多媒體系統進行顯示播放，另一方面對回波信號提取單元提取的信息進行回波 信號處理，并通過數據融合，構成對周圍目標運動狀態的實時感知結果，為有人/無人駕駛 汽車提供必要的輔助信息。
[0010] 所述行車信息獲取單元，它通過標準的車載診斷系統（On-Board Diagnostic， 0BD)接口接入車載電子控制單元（Electronic Control Unit，EQJ)，同時通過內部總線連 接數據融合單元，完成對本車瞬時速度、平均速度、GPS位置、制動情況等行駛數據的讀取， 以及將這些數據封裝為行駛數據幀等功能。
[0011] 所述回波信號提取單元，它與無線收發單元、數據融合單元相連接，負責從無線信 號中提取回波信號，即從無線收發單元接收的無線信號中提取己方發射信號通過目標車輛 后向散射得到的電磁回波，并將該散射回波信號傳輸給數據融合單元進行處理。
[0012] 所述信號調制單元，它與數據融合單元、無線收發單元相連接，負責完成發射信號 的OFDM調制，即將數據融合單元生成的通信數據根據頻率分配協議調制到各子載波上，然 后傳輸至無線收發單元。
[0013] 所述信號解調單元，它與無線收發單元、數據融合單元相連接，負責完成接收信號 的OFDM解調，即將無線收發單元接收的信號按照頻率分配協議解調為不同目標的通信數 據，然后傳輸至數據融合單元進行處理。
[0014] 所述無線收發單元，它與信號調制單元、信號解調單元、回波信號提取單元相連 接，負責完成OFDM信號的發射和接收，即一方面將調制后的數字信號轉換為模擬信號并發 射，另一方面將接收的高頻模擬信號轉換為數字信號，再分別傳輸至信號解調單元和回波 信號提取單元進行處理。
[0015] 本發明所提一種基于OFDM雷達通信一體化的車聯網感知系統，其工況概述如下：
[0016] 車輛啟動，系統讀取本車速度、位置等行車信息；判斷周圍目標是否為合作目標， 若為合作目標則建立通信鏈路，同時獲取目標行車信息；車輛行駛過程中，在與合作目標通 過數據通信進行實時信息共享的同時，利用來自對方車輛的散射回波提取該目標的距離信 息，以此修正基于GPS的位置推算結果；對于周圍的非合作目標，將從其散射回波中提取該 目標的速度、距離等特征信息；在上述分別針對合作與非合作目標的兩種處理方式中，該系 統將對通信數據幀做自適應調整，以實現測量性能的優化；在此基礎上，系統綜合判斷各目 標的運動狀態，生成車輛輔助駕駛信息。系統流程如圖2所示。
[0017] 本發明一種基于OFDM雷達通信一體化的車聯網感知系統的構建方法，它包括下 述幾個步驟：
[0018] 步驟一：獲取本車行駛狀態信息并構成行駛數據幀
[0019] 車輛行駛信息主要包括瞬時速度、平均速度、GPS位置、制動、瞬時油耗、發動機轉 速、變速器檔位、續航里程等。通過GPS位置可以計算相對距離，通過瞬時速度和制動情況 可以計算相對運動趨勢，依靠相對距離和相對運動趨勢，輔助駕駛技術則可以為駕駛者提 供障礙預警、車輛避讓等駕駛提示，在特殊情況下還能夠幫助車輛進行緊急制動。此外，系 統利用ECU獲取己方發動機各部分的工作狀態數據，為車輛輔助駕駛提供所必需的形式信 息。而OBD是標準的車輛診斷接口，通過該接口可以連接ECU獲取車輛行駛信息。獲取行 駛數據幀原理圖如圖3所示。
[0020] 獲取本車行駛信息并構成行駛數據幀的方法是：將行駛信息獲取單元連接車輛 OBD接口，系統啟動后，按照標準協議從E⑶獲取本車行駛信息，進而封裝為行駛數據幀。
[0021] 步驟二：獲取多媒體數據并構成多媒體數據幀
[0022] 車聯網的主要功能是車輛與車輛的互聯互通。在此基礎上，可以實現車際音/視 頻通話、多媒體共享、網絡通信等諸多功能，但這些功能都需要以高速互連的車聯網為基 礎。車載多媒體系統通過標準數據接口，接入車聯網控制單元。獲取多媒體數據幀原理圖 如圖4所示。
[0023] 獲取多媒體數據并構成多媒體數據幀的方法是：車聯網控制單元通過標準數據接 口與車載多媒體系統進行連接，將多媒體數據寫入數據緩存，并以固定周期從緩存中讀取 數據，按照數據協議封裝為多媒體數據幀。
[0024] 步驟三：行駛數據幀和多媒體數據幀按協議構成通信數據幀
[0025] 行駛數據和多媒體數據是組成車輛互連數據的基本單元。其中，車輛行駛狀態由 于變化頻繁，所以其數據具有數據量小、長度固定、變化頻率高等特點；多媒體數據依照多 媒體應用的不同，具有數據量大、長度可變等特點。因此，車輛互連需要兼顧車輛行駛