用于道闸控制的毫米波雷达及其控制方法与流程

本发明涉及停车控制领域，尤其涉及一种用于道闸控制的毫米波雷达及其控制方法。

背景技术：

随着城市现代化进程的不断加快以及汽车工业的迅猛发展，城市机动车保有量始终在持续不断增加，由于停车设施不足带来的停车难问题在我国各大城市日益严重。停车需求的持续增长和停车设施供应的相对不足，给城市发展带来了一系列问题：车辆停放出入造成的交通阻塞，寻找泊车空间带来的无效交通，泊车低速行驶造成的环境污染等等。停车难已经成为社会性问题，如何快速、高效的解决停车难问题，需要更多的智慧和力量。

道闸又称挡车器，是专门用于道路上限制机动车行驶的通道出入口管理设备，现在广泛应用于收费站、停车场、小区、企事业单位门口，用来管理车辆的出入。电动道闸可单独通过无线遥控实现起落杆，也可以通过停车场管理系统（即IC刷卡管理系统）实行自动管理状态——入场时，取卡放行车辆；出场时，收取停车费后自动放行车辆。这些传统方法通常需要相对较多的人工介入与干预，以及使用诸如射频识别、电子标签之类的智能芯片技术，造成人力与物力成本的增加。与此同时，传统的道闸控制方式不易准确的控制自动栏杆的起、落时机，尤其是栏杆落下时，往往容易因为时机选择的不对，导致砸到车辆，引起纠纷。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于道闸控制的毫米波雷达及其控制方法首先，利用毫米波雷达完成对进、出车库车辆目标距离与速度信息（速度大小与速度方向）的准确探测；然后，通过将探测到的车辆信息与相关软件算法相结合，合理、准确地设置触发时刻，从而达到精确控制电动道闸的起、落的目的，避免因落杆时间不恰当导致的对车辆的损伤，与此同时，雷达还可完成对出入车库车辆的计数功能，进而完成车位余量、占有率等参数的统计。

本发明提供本发明提出一种用于车库道闸控制的毫米波雷达，该雷达包括发射单元、天线单元、接收单元、信号处理单元与控制单元，其利用调频连续波（FMCW, frequency modulated continuous wave）原理，从雷达的回波中提取目标的相对距离、相对速度（包含大小与方向）、回波幅度信息，通过这些信息与相关软件算法的结合，可以灵活、准确地设置触发间距，从而达到精确控制电动道闸起、落的目的。

车库道闸控制的毫米波雷达系统，由发射单元、天线单元、接收单元、信号处理单元与控制单元组成。

发射单元产生雷达探测所需的毫米波调制波形，以FMCW信号最为典型，考虑到实际车库应用场景中，车辆移动速度较慢，甚至极端情况下有可能出现停车的情况，所以FSK（frequency shift keying）信号、脉冲多普勒（pulse Doppler）信号因为对慢速和静止目标探测能力有限，不适合作为车库道闸雷达的发射波形，发射单元将FMCW波形调制在毫米波频段，同时送至天线端。

天线单元包含发射天线与接收天线两个组成部分，其中发射天线负责将发射单元所产生的毫米波调制信号辐射至自由空间，该信号经过被探测目标反射后形成回波，回波被接收天线捕获，送至接收单元，由于本发明安装于道路的正向，这就要求发射和接收天线都要有相对较窄的波束，其中方位角覆盖约一个车道，根据架设高度以及对覆盖范围的计算，方位角应大约在10°左右，而俯仰角可适当大一些。

接收单元对接收到的回波信号进行下变频、放大和滤波，经过ADC（Analog-to-Digital Converter）变换转变为数字信号。

信号处理单元对经过ADC转换的数字信号完成算法的实现与处理，进而可以得到车辆目标的距离、车辆目标的速度等信息。

自动栏杆的触发分为车辆目标驶出车库与驶入车库两种情况来进行，下面将分别进行说明。

当车辆目标驶出车库时：控制单元根据距离、车速、雷达与自动栏杆之间的间距X合理设置触发距离，且，其中表示触发时间，物理意义代表自动栏杆需要提前抬起的时间，这可以根据实际情况进行合理的调节和设置。

当车辆继续向前行驶，通过自动栏杆后，控制单元要控制栏杆的降落，栏杆的降落通过如下两个条件来进行决策：

策略1：如果雷达与电子栏杆之间的架设距离X大于一个车长，则根据距离来进行决策，距离的计算公式为：，其中，代表雷达所测量出的车辆目标的距离，通常，为了确保落杆的安全，至少要满足大于一个车长。

策略2：如果雷达与电子栏杆之间的架设距离X不超过一个车长，则记录车辆在雷达中消失的时刻。那么，落杆的时刻选择为，其中，表示一个安全、合理的延迟时间。

但是策略1及策略2成立的前提是，当前场景里除本车外，并没有探测到其他车辆的存在，如果除本车外，雷达还探测到有其他车辆目标，则为了安全考虑，自动栏杆并不能落下，需要依然保持开启的状态，

当车辆目标驶入车库时：雷达安装架设环境与驶出车库时有所不同，其余基本步骤与车辆目标驶出车库时相同。

雷达通过对目标运动状态的测量，由算法形成决策的同时，由内部处理器产生一个控制信号送入到控制单元来完成自动栏杆的起、落。

雷达在每个发射周期对目标有无进行一次判断：没有发现目标记为0，发现目标记为1，通过对0和1的判断可以进行对车辆目标的计数，例如，如果出现01，即可判断当前处理过程中出现一个车辆目标，考虑到雷达在探测过程中，可能存在虚警、漏警，通常单次判断不一定可靠，通过多次判决可大大提高判决的准确性，例如，在总共M次的测量结果里，如果有不少于N次判定认为当前回波出现目标，则判断为出现目标，否则，判断为无目标出现，这样，雷达可在控制自动栏杆起落的同时，也可以完成对进出车库车辆计数的功能，进一步结合车库总车位的信息，可完成车库车位余量、及占有率等参数的统计。

本发明的有益效果是：利用了FMCW雷达的原理，通过对进出地库车辆目标距离与速度的测量，可合理、准确地设置触发时刻，从而达到精确控制电动道闸的起、落的目的。相对于传统的电动道闸控制方法，本发明不仅可以实现无人值守，同时又节约了成本。而毫米波雷达高精度、体积小、重量轻、全天时、全天候工作的特点，也为该发明的广泛应用提供了技术保障。

附图说明

图1是本发明的后向防撞雷达组成框图；

图2是本发明的车库入口道闸控制的毫米波雷达安装示意图；

图3是本发明的车库出口道闸控制的毫米波雷达安装示意图；

图4是本发明所采用的FMCW雷达波形；

图5是本发明的雷达控制自动栏杆起落的软件流程图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本实施例提供一种车库道闸毫米波雷达包括发射单元、天线单元、接收单元、信号处理单元与控制单元。各个单元之间依次相连，如图1所示。

车库道闸毫米波雷达安装示意图如图2与图3所示：雷达架设在距离自动栏杆距离为X的位置，X建议为0.5m~3m，而架设高度根据实际情况进行设置。

雷达发射波形为FMCW，如图3所示。一个发射周期包含一个上扫频信号与一个下扫频信号。这两个信号的持续时间都为T，带宽为B。

发射单元产生的FMCW信号经由天线单元辐射到空间中，通过目标反射形成回波信号。回波信号与由发射单元产生的本振信号进行混频，得到混频完的中频差拍信号，且上扫频的差拍信号记为f₊，下扫频的差拍信号记为f_-。中频f₊与f_-的大小可以通过ADC采样后，利用快速傅里叶变换（FFT，fast Fourier transform）来计算。 那么，由下式可计算出目标的距离R与速度v信息。

其中，代表光速，代表发射电磁波波长。

车库道闸毫米波雷达安装架设示意图如图2所示：雷达架设在距离自动栏杆距离为X的位置，而架设高度根据实际情况进行设置。

自动栏杆的触发分为车辆目标驶出车库与驶入车库两种情况来进行，下面将分别进行说明。

当车辆目标驶出车库时：控制单元根据距离、车速、雷达与自动栏杆之间的间距X合理设置触发距离，且，其中表示触发时间，物理意义代表自动栏杆需要提前抬起的时间，这可以根据实际情况进行合理的调节和设置。

当车辆继续向前行驶，通过自动栏杆后，控制单元要控制栏杆的降落。栏杆的降落通过如下两个条件来进行决策：

策略1：如图2，如果雷达与电子栏杆之间的架设距离X大于一个车长，则根据距离来进行决策。距离的计算公式为：，其中，代表雷达所测量出的车辆目标的距离。通常，为了确保落杆的安全，至少要满足大于一个车长。

策略2：如图2，如果雷达与电子栏杆之间的架设距离X不超过一个车长，则记录车辆在雷达中消失的时刻。那么，落杆的时刻选择为，其中，表示一个安全、合理的延迟时间。

但是策略1及策略2成立的前提是，当前场景里除本车外，并没有探测到其他车辆的存在。如果除本车外，雷达还探测到有其他车辆目标，则为了安全考虑，自动栏杆并不能落下，需要依然保持开启的状态。

当车辆目标驶入车库时：雷达安装架设环境与驶出车库时有所不同，如图3所示。基本步骤与车辆目标驶出车库时相同。

雷达通过对目标运动状态的测量，由算法形成决策的同时，产生一个控制信号接入到控制单元来完成自动栏杆的起、落。具体软件流程图如图5所示。

雷达在每个发射周期对目标有无进行一次判断：没有发现目标记为0，发现目标记为1，通过对0和1的判断可以进行对车辆目标的计数。例如，如果出现01，即可判断当前处理过程中出现一个车辆目标。考虑到雷达在探测过程中，可能存在虚警、漏警，通常单次判断不一定可靠，通过多次判决可大大提高判决的准确性。例如，在总共M次的测量结果里，如果有不少于N次判定认为当前回波出现目标，则判断为出现目标。否则，判断为无目标出现。这样，雷达可在控制自动栏杆起落的同时，也可以完成对进出车库车辆计数的功能，进一步结合车库总车位的信息，可完成车库车位余量、及占有率等参数的统计。