基于多普勒效应的车辆安全预警系统及方法与流程

本发明涉及汽车电子领域，具体涉及一种基于多普勒效应的车辆安全预警系统及方法。

背景技术：

目前主流的车辆安全预警方式主要采用行车雷达或红外的方式来测量相邻的车辆距离，这些方法的缺陷是可测量的距离较短，对于高速行进的车辆车间距往往比较大，如果在车辆车间距离已经极短的情况下才发现安全隐患则难以给到驾驶员足够的反应时间。

本发明拟通过判断其他车辆行驶噪声的方法，较大幅度增加车辆安全预警探测距离。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种基于多普勒效应的车辆安全预警系统及方法，通过行车噪声进行行车安全的判断，实现了较大距离的行车安全预警探测。

本发明提出的一种基于多普勒效应的车辆安全预警系统，包括传声器、噪声信号处理单元、报警装置；所述传声器分别装设于车辆头部和/或车辆尾部，装设于车辆头部的传声器，其主方向为车辆正前方，装设于车辆尾部的传声器，其主方向为车辆正后方，进一步，装设于车辆头部的传声器用于采集车辆前方噪声信号，而装设于车辆尾部的传声器用于采集车辆后方噪声信号；噪声信号处理单元用于识别传声器所采集噪声信号中的行车噪声信号，并计算该行车噪声信号的基频，若接收到行车噪声信号的基频变化超过设定阈值，则向控制报警装置报警；所述的基频变化为基频变化幅度或速度或速率；报警装置用于接收噪声信号处理单元的控制指令进行报警。

应理解的是，在车辆头部和车辆尾部均可装设传声器，且在这种情况下，装设于车辆头部的传声器，其主方向为车辆正前方并用于采集车辆前方噪声信号，装设于车辆尾部的传声器，其主方向为车辆正后方并用于采集车辆后方噪声信号。当仅在车辆头部装设传声器的情况下，该传声器主方向为车辆正前方并用于采集车辆前方噪声信号。当仅在车辆尾部装设传声器的情况下，该传声器主方向为车辆正后方并用于采集车辆后方噪声信号。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警系统中，优选的，所述的传声器为指向性传声器或传声器阵列。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警系统中，优选的，装设于车辆头部的传声器可装设于最前方的前保险杠中部，装设于车辆尾部的传声器可装设于最后方保险杠的中部。与上文描述的示例类似，在车辆头部和车辆尾部均可装设传声器，且在这种情况下，设于车辆头部的传声器装可设于最前方的前保险杠中部，而装设于车辆尾部的传声器可装设于最后方保险杠的中部。当仅在车辆头部装设传声器的情况下，该传声器可装设于最前方的前保险杠中部。当仅在车辆尾部装设传声器的情况下，该传声器可装设于最后方的前保险杠中部。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警系统中，优选的，所述的报警装置为警示灯或TTS(Text To Speech，从文本到语音)语音播报器或蜂鸣器。

本发明还提出一种基于多普勒效应的车辆安全预警方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过定向采集得到车辆前方噪声信号和/或车辆后方噪声信号；

步骤S2，计算步骤S1中所采集的噪声信号的频谱特性，与标准的行车噪声频谱特性进行对比，判断所采集的信号是否为车辆行驶噪声信号，若是车辆行驶噪声信号则执行步骤S3；

步骤S3，计算行车噪声信号的基频，并监测该基频的变化；所述的基频变化为基频变化幅度或速度或速率；

步骤S4，若步骤S3监测到行车噪声信号的基频变化超过设定阈值，则判断为危险情况，并进行报警。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警方法，优选的，步骤S2中通过对所采集的噪声信号进行梅尔倒谱以及归一化计算得到所采集的噪声信号的频谱特性。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警方法，优选的，所述标准的行车噪声频谱特性通过统计学的方法，从大量试验数据中计算得出。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警方法，优选的，步骤S2中计算所采集的噪声信号的频谱特性前，通过低通滤波或降低风噪的算法进行降噪。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警方法，优选的，步骤S3中所述计算行车噪声信号的基频，其方法为：

步骤S31，对降噪后的行车噪声信号进行离散傅立叶变化

X(e^iω)＝DFT[x(n)]

其中x(n)为降噪后噪声信号；

步骤S32，进行频域取对数处理

C(e^iω)＝lnX(e^iω)

步骤S33，进行离散傅立叶逆变化

c(n)＝IDFT[C(e^iω)]

然后，取峰值的频率点作为行车噪声信号的基频。

按照本发明的基于多普勒效应的车辆安全预警方法，优选的，步骤S4中判断危险情况的方法为通过行车噪声信号的基频变化来计算行车噪声信号来源车辆的车速变化，进而计算行车噪声信号来源车辆加速度并与设定阈值进行对比，如超过阈值则判断为危险情况。

本发明对于复杂路面情况下的高速行驶车辆，通过其行车噪声信号的变化来进行危险情况预警，能够第一时间发现行车噪声信号来源车辆的异常加速或减速，并向驾驶员发出报警信息，避免驾驶员单纯靠人眼判断行车安全情况判断错误或判断延误，有助于防止车辆追尾和被追尾情况的发生。

附图说明

图1是本发明实施例的基于多普勒效应的车辆安全预警系统结构框架示意图；

图2是本发明基于多普勒效应的车辆安全预警方法的流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于多普勒效应的车辆安全预警系统10，包括传声器、噪声信号处理单元101、报警装置102。

本实施例采用车辆同时具有前方和后方安全预警的方案进行描述，如图1所示，该方案中传声器分别装设于车辆头部和车辆尾部，其主方向分别对应为车辆正前方和车辆正后方。装设于车辆头部的传声器103采集车辆前方噪声信号，装设于车辆尾部的传声器104采集车辆后方噪声信号。按照本实施例的传声器为指向性传声器或传声器阵列，作为示例，装设于车辆头部的传声器103可装设在车辆头部最前方的前保险杠中部，装设于车辆尾部的传声器104可装设在车辆尾部最后方保险杠的中部。在实际的使用中，也可以单独的将传声器安装车辆头部或车辆尾部，对应的实现车辆前方或后方单一方向的安全预警。

噪声信号处理单元用于识别传声器所采集噪声信号中的行车噪声信号，并计算该行车噪声信号的基频，若接收到行车噪声信号的基频变化超过设定阈值，则控制报警装置报警。所述的基频变化为基频变化幅度或速度或速率。

报警装置为警示灯或TTS语音播报器或蜂鸣器，用于接收噪声信号处理单元的控制指令进行报警。

本发明的一种基于多普勒效应的车辆安全预警方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1，利用分别装设于车辆头部和/或车辆尾部的指向性传声器或传声器阵列，通过定向采集得到车辆前方噪声信号和/或车辆后方噪声信号；

步骤S2，通过对所采集的噪声信号进行梅尔倒谱以及归一化计算，得到步骤S1中所采集的噪声信号的频谱特性，与标准的行车噪声频谱特性进行对比，判断所采集的信号是否为车辆行驶噪声信号，若是车辆行驶噪声信号则执行步骤S3；

步骤S3，计算行车噪声信号的基频，并监测该基频的变化；所述的基频变化为基频变化幅度或速度或速率；

步骤S4，若步骤S3监测到行车噪声信号的基频变化超过设定阈值，则判断为危险情况，并进行报警。

通过基频变化来进行危险报警的原理为：

根据多普勒效应，波在波源向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低，观察者和发射源的频率关系如公式(1)所示：

其中f′为观察到的频率；f为发射源于该介质中的原始发射频率；v为波在该介质中的行进速度；v₀为观察者移动速度，若观察者接近发射源，则前方运算符号为“+”号,反之则为“-”号；v_s为发射源移动速度，若发射源接近观察者，则前方运算符号为“-”号，反之则为“+”号。

在本发明应用场景中，当发射源接近观察者时，公式(1)中分子是行车噪声传播速度和观察者速度之和v+v₀，分母是行车噪声传播速度和行车噪声来源车辆速度之差v-v_s，然后和声源原始频率进行乘法运算，得到观察者接收到的频率，比行车噪声的原始频率变高。反之，当发射源远离观察者的时候，分子减法运算变小，分母加法运算变大，计算得到的频率比行车噪声的原始声音频率变低。根据上述原理可知，利用监测到的行车噪声信号的基频变化，可以反映出行车噪声来源车辆的速度，加入时间因素还可以反映行车噪声来源车辆的加速度情况，因而，可以通过利用监测到的行车噪声信号的基频变化对行车噪声来源车辆的加速情况作出预警，如后车的突然加速或前车的突然减速，进而快速的提醒驾驶员注意前车或后车的情况，有利于驾驶员快速作出反应，避免追尾和被追尾。

本实施例中标准的行车噪声频谱特性通过统计学的方法，从大量试验数据中计算得出。

本实施例中，在步骤S2中计算所采集的噪声信号的频谱特性前，通过低通滤波或降低风噪的算法进行降噪。

本实施例步骤S3中所述计算行车噪声信号的基频，其方法为：

步骤S31，对降噪后的行车噪声信号进行离散傅立叶变化，如公式(2)所示

X(e^iω)＝DFT[x(n)] (2)

其中x(n)为降噪后噪声信号；

步骤S32，进行频域取对数处理，如公式(3)所示

C(e^iω)＝lnX(e^iω) (3)

步骤S33，进行离散傅立叶逆变化，如公式(4)所示

c(n)＝IDFT[C(e^iω)] (4)

然后，取峰值的频率点作为行车噪声信号的基频。

步骤S4中判断危险情况的方法为通过行车噪声信号的基频变化来计算行车噪声信号来源车辆的车速变化，进而计算行车噪声信号来源车辆加速度并与设定阈值进行对比，如超过阈值则判断为危险情况。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。