A W R1642雷达传感器的移动车辆测速测距设计
秦吕，胡星星，赵耀，曾洁
(成都理工大学信息科学与技术学院，成都610059)
摘要：为了检测电动自行车是否超速，本文设计了一种移动电动自行车测速测距系统㊂该设计采用77G H z毫米波雷达，在AWR1642采集到回波信号后，在时域上进行F F T，通过计算其相位的变化㊁C F A R处理㊁峰值聚集㊁多普勒补偿等后，得出车辆的距离㊁速度和行驶角度，并用C A N总线传送数据到上位机，车辆的运动可以在MA T L A B的界面进行实时显示㊂将验证系统固定在公路边的平台上，对普通家用电动自行车进行测量测试结果表明，该系统可以准确测出电动自行车的距离㊁速度等信息㊂
关键词:AWR1642;F M C W；移动车辆；测速；测距；测角
中图分类号:T P311.5文献标识码:A
S p e e d a n d D i s t a n c e M e a s u r i n g S y s t e m f o r M o b i l e E l e c t r i c B i c y c l e
B a s e d o n A W R1642R a d a r S e n s o r
Q i n L v,H u X i n g x i n g,Z h a o Y a o,Z e n g J i e
(S c h o o l o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,C h e n g d u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,C h e n g d u610059,C h i n a)
A b s t r a c t:I n o r d e r t o d e t e c t w h e t h e r t h e E-b i k e i s s p e e d i n g,a s p e e d a n d d i s t a n c e m e a s u r e m e n t s y s t e m o f m o b i l e e l e c t r i c b i c y c l e b a s e d o n AWR1642i s d e s i g n e d.I n t h i s d e s i g n,77G H z m i l l i m e t e r w a v e r a d a r i s u s e d.A f t e r AWR1642c o l l e c t s t h e e c h o s i g n a l,F F T i s c a r r i e d o u t i n t h e t i m e d o m a i n.A f t e r c a l c u l a t i n g t h e p h a s e c h a n g e,C F A R p r o c e s s i n g,p e a k g a t h e r i n g,D o p p l e r c o m p e n s a t i o n,e t c,t h e d i s t a n c e,s p e e d a n d d r i v i n g a n g l e o f t h e v e h i c l e a r e o b t a i n e d,a n d t h e d a t a i s t r a n s m i t t e d t o t h e u p p e r c o m p u t e r b y C A N b u s.T h e m o v e m e n t o f t h e v e h i-c l e c a n b e d i s p l a y e d i n r e a l t i m e i n t h e MA T L A
B i n t e r f a c e.T h e v e r i f i c a t i o n s y s t e m i s f i x e d o n t h e p l a t f o r m b e s i d e t h e r o a d t o m e a s u r e t h e d i s t a n c e a n d s p e e d o f t h e o r d i n a r y h o u s e h o l d e l e c t r i c b i c y c l e.T h e t e s t s h o w s t h a t t h e s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y d e t e c t t h e d i s t a n c e,s p e e d a n d d r i v i n g a n g l e o f t h e v e h i c l e.
K e y w o r d s:AWR1642;F M C W;m o b i l e v e h i c l e;r a n g i n g;s p e e d m e a s u r e m e n t;a n g l e m e a s u r e m e n t
0引言
在我国外卖服务业飞速发展的今天，主要驾驶工具为电动自行车，按国家规定电动自行车时速不得超过20公里，在某些规定道路上不得超过15公里㊂但很多外卖员为节约时间而超速通过十字路口，导致交通事故不断发生[1-2]㊂为了检测是否超速通过十字路口，本文设计了一种基于AWR1642的移动电动自行车测速测距系统㊂该系统可以采集到移动车辆的速度㊁距离以及行驶方向，并且可以在上位机界面进行实时显示㊂经测试该系统的识别率高㊁功耗低㊁体积小，为监测违规行驶车辆提供了一种新的途径㊂
1测量原理
1.1L F M C W测距原理
在L F M C W雷达系统中所有的信号其频率会随时
间
图1L F M C W雷达框图
变化呈线性升高，这种
类型的信号也被称为
线性调频脉冲㊂
L F M C W雷达框图如
图1所示㊂其中R X
和T X两个信号将在
混频器合并在一起，并
产生一个中频(I F)信
号[3]㊂当混频器输入
两个正弦信号时，其输出为一个新频率的信号，其瞬时频率等于两个输出正弦信号的瞬时频率之差，输入信号的相位之差就是输出相位[4]:
x1=s i n w1t+ϕ1(1)
x2=s i n w2t+ϕ2(2) x o u t=s i n[(w1t-w2t)+(ϕ1-ϕ2)](3)混频器输出信号作为时间的幅度函数是一个正弦波，因
为具有恒定频率㊂故I F 信号的初始相位由下式可得[11
]:
ϕ
0=2πf c τ(4)ϕ0=4πd λ
(5
)I F 信号会是一个正弦波:
A s i n2πf 0t +ϕ0
(6
)其中,f 0=S 2d c ,ϕ0=4πd
λ
㊂使用调频的方法测量雷达和目标之间的距离，利用的
是T X 信号和R X 目标回波信号之间的差频[6]
㊂其延时
(τ
)可以通过数学方法推导，其中d 是与目标之间的距离,c 为光速,S 为调频连续波的斜率㊂
τ=2d
c
(7
)由图2可知，雷达前面的目标产生的中频信号的频率为:
f 0=
2S d
c
(8)所以雷达到目标的距离为:
d =
f 0
c 2S
(9
)图2 发射信号㊁接收信号与中频信号频谱
当频率满足下式时就可以分辨两个I F 单音信号,
其中T c 为观测时长:
Δf >
1
T c
(10
)又因为Δf =
S 2Δd
c
Δd >c 2S T c =
c
2B
(11
)故距离分辨率为:d R e s =c
2B
㊂距离分辨率仅取决于线性调频脉冲扫频的带宽㊂
1.2 L F M C W 测速原理
使用L F M C W 发出的两个线性调频脉冲,
每个线性调频脉冲的距离F F T 将在同一位置出现峰值,
但是相位不同[5]㊂测量的相位差对目标有一个v T c 的运动[12]
㊂两
个连续周期的调频连续波的相位差被用作估计目标的速
度[7,15]
㊂通过式(5
)
可得:Δϕ=v 4πT c
λ
(12
)v =λΔϕ4πT c
(13)由于速度测量基于相位差，因而存在模糊性，这种测
量仅在|Δϕ
|小于π时具有模糊性及v <λ/4T c ，所以速度最大为:
v m a x =
λ
4T c
(14
)
汽车雷达
图3 一发两收测角
1.3 L F M C W 测角原理
角度估计需要至少两
个接收天线[8]
，如图3所
示㊂一根天线发送，两根天线接收进行角度测
量[13]
，从目标到每个接收
天线的不同距离导致在2D F F T 峰值有一个相位的改变，被用来估计目
标的角度[
5,14]
㊂其相位为:
Δϕ=2πΔd
λ
(15
)在假设平面波的前提下，基本几何显示为:Δd =L s i n (θ)(16
)其中L 为天线之间的距离㊂所以角度为:
θ=s i n
-1
λΔϕ2πL
(17
)最大雷达视野角度的准确测量离不开|Δw |<180ʎ
㊂2πL s i nθ
λ
<π(18
)所有两个间隔L 的天线可以服务的最大视角为:θm a x =
s i n -1
λ
2L
(19
)在间距L 为λ/2时，导致最大视野角度为ʃ90ʎ
，雷达最大角度示意图如图4所示
㊂
图4 雷达最大角示意图
2 系统硬件设计
系统控制板芯片采用T I 公
司的A W R 1642㊂A W R 1642芯片是一款工作在76~81G H z 频段
的单芯片毫米波雷达传感器，同
时还具有4G H z 的可用带宽,
有4个接收通道和两个发
送通道㊂内部集成了D S P 子系统和A R M 子系统，该D S P
子系统包含了高性能C 674X D S P 用于处理雷达信号[9];
同时也包含1个基于A R M C o r t e x R 4F 的处理器子系统[10]
㊂AWR 1642功能框图如图5所示
㊂
图5 A W R 1642功能框图
在射频前端接收到返回信号后，在混频器中进行混频，将射频前端接收到的高频信号降低至中频信号，再使用A D C 对其进行采样㊂使用数字终端发送数据至A D C B u f f e r ,D S P 读取缓冲区的数据后进行计算,
在得到车辆的距离㊁速度和行驶方向后返回数据至A R M ,A R M 通过
C A N 总线再以串口的形式传输至P C 端,
在上位机上实时显示车辆信息㊂硬件原理图如图6所示
㊂
图6 硬件原理图
3 系统软件设计
首先在A R M 中进行射频前端的配置,
然后数据进入D S P ,D S P 对信号做距离维F F T ，将计算后的数据都存到对应的存储器中，在一帧的所有数据存储到存储器后，再进行速度维的F F T ，完成后进行C F A R ㊁峰值聚集和多普勒补偿，可以得到目标准确的距离和速度信息，之后通过角度维的F F T 获取目标的角度信息，在所有的计算完成后,D S P 处理后的数据结果会由A R M 通过C A N 总线上传到上位机，在上位机中可以进行实时显示，系统软件流程图如图7所示㊂
4 系统验证
系统固定在马路搭建的平台上，对行驶中的普通家用电动自行车进行距离㊁方位以及角度的测量㊂
该系统的上
图7 系统软件流程图
位机界面使用MA T L A B R 2018a 设计编写,
再实时显示从C A N 总线接收到的数据㊂MA T L A B 上位机界面如
图8所示㊂测量后的车辆的移动轨迹如图9所示，车辆的速度和方向如图10所示㊂
图8 M A T L A B
上位机界面
图9 车辆运动轨迹
5 结 语
为了检测电动自行车是否超速通过十字路口，本文设
计了一种基于AWR 1642的移动测速测距系统,
本系统具
图10 车辆速度及方向
有一定的稳定性㊁实用性㊁可靠性且功耗低㊂测试结果表明，该方案具有可行性，并且该系统的测量精度较高，雷达覆盖范围约70m ，雷达覆盖角度约为120度,
能够有效获取车辆的速度与距离㊂
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秦吕(硕士研究生)，主要从事嵌入式方面的研究㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-0
7-29
) 的实验验证,
本文所设计的无线激光甲烷传感器能很好地解决传统甲烷探头易中毒㊁误报等弊端，同时避免了在实际使用中频繁更换传感器电池的问题，实现井下无线甲烷传感器高精度㊁远距离㊁低功耗㊁可靠的传输㊂L o -
R a 通信技术在无线激光甲烷传感器上的运用有助于提升煤矿安全监控系统运维的高效性与智能性，为煤矿井下无
线传感器的设计方案提供了一个有利补充，符合智慧矿山建设发展的大趋势㊂
参考文献
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苗可彬(副研究员)，现主要从事煤矿安全技术与装备研究工作㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-08-12
)