基于智能手機平臺的主動安全預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究＊

（科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心 北京 100044）

0 引 言

最新上市的機動車中集成應(yīng)用了更多的主動安全裝備，用于預(yù)防交通事故、降低碰撞傷害，并且主動安全預(yù)警系統(tǒng)目前已經(jīng)成為了越來越多高級轎車的標(biāo)準(zhǔn)配件．最近美國進行了一項主動安全預(yù)警系統(tǒng)對事故降低程度影響的研究，選擇配備主動安全系統(tǒng)和未裝備機動車作為研究對象，道路傷害數(shù)據(jù)研究中心的研究結(jié)果表明：有碰撞預(yù)警裝備車輛發(fā)生碰撞的事故概率會減少14%，有自動剎車系統(tǒng)車輛發(fā)生事故概率下降10%，有自動前車燈系統(tǒng)的車輛事故概率下降10%．如果這些研究結(jié)果在中國適用的話，我國有一半車輛新裝主動安全預(yù)警系統(tǒng)，會減少6 000多人的道路交通事故死亡，挽回1 000萬元的經(jīng)濟損失［1］．

傳感器技術(shù)的發(fā)展為主動安全提供了重要保障［2］，智能手機中的傳感器技術(shù)這2年取得了驚人的進步，并將持續(xù)發(fā)展，這些進步已經(jīng)可以充分保證其為用戶提供更多的功能和體驗，在交通應(yīng)用方面目前主要體現(xiàn)在導(dǎo)航、停車、交通信息獲取等方面．在智能手機上的專業(yè)應(yīng)用仍然處于欠發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但是成為目前科學(xué)研究的熱點問題．Ertico公司的 ADASIS（advanced driver assist systems interface specification）［3］已經(jīng)公開明確表示將提供基于智能手機平臺的解決方案，并且已經(jīng)形成了一款以imaGinyze－Augmented Driving系統(tǒng)為特征的應(yīng)用軟件，其以手機主攝像頭為傳感器進行圖像處理，提供車道偏離預(yù)警功能．Global Mobile Alert是主動安全預(yù)警系統(tǒng)的另一種應(yīng)用形式，當(dāng)車輛靠近路口、學(xué)校區(qū)域等危險地點或路段時，提供駕駛?cè)撕统丝皖A(yù)警信息．利用手機進行車道偏離預(yù)警的功能已經(jīng)被Chen Chaojung［4］，Ren Feixiang［5］等人研發(fā)成功．本文研究的是基于智能手機的主動安全預(yù)警技術(shù)，并分別介紹主要傳感器在實現(xiàn)主動安全系統(tǒng)中發(fā)揮的作用和其具體功能．首先分析智能手機的系統(tǒng)和主動安全預(yù)警系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計體系框架，通過與專業(yè)設(shè)備的比較對基于智能手機的主動安全系統(tǒng)有效性進行評價．

1 智能手機特征分析

智能手機的出現(xiàn)是一種對傳統(tǒng)通話手機的革新，其除能夠?qū)崿F(xiàn)基本的通話和文字、圖像短消息傳輸外，在手機內(nèi)部嵌入了各種新型傳感器用于實現(xiàn)各種使用功能，如利用攝像頭進行拍攝和視頻通話；利用定位GPS設(shè)備進行駕駛導(dǎo)航和路徑規(guī)劃；利用陀螺儀、加速度計等進行游戲．目前已經(jīng)廣泛使用的智能手機嵌入式傳感器見圖1．這些傳感器組成為其實現(xiàn)主動安全功能提供了保障．

圖1 智能手機傳感器組成

按照傳感器功能的不同主要分為圖像傳感器、運動傳感器以及定位傳感器3大類．

1）圖像傳感器成為智能手機標(biāo)準(zhǔn)配置后，使得用戶能夠隨時記錄有趣事件的畫面和視頻，隨著最近3G／4G無線通信網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，遠(yuǎn)程視頻通話也逐步實現(xiàn)，并且促成了面部攝像頭在手機上的出現(xiàn)，使得手機用于環(huán)境和面部兩個攝像頭．

2）運動傳感器主要是指手機中的陀螺儀、加速度計．陀螺儀是一種根據(jù)角度動量原理測量或保持某種方位信息的設(shè)備．陀螺儀廣泛用于導(dǎo)航系統(tǒng)或姿態(tài)識別系統(tǒng)中，判斷位置和設(shè)備的方位角．加速度傳感器是一種檢測設(shè)備方向的傳感器，并自適應(yīng)新的方位，當(dāng)設(shè)備在垂直方向被旋轉(zhuǎn)90°時，加速度能夠檢測到其旋轉(zhuǎn)角度，能夠調(diào)整屏幕以適應(yīng)新的方位，加速度采集的數(shù)值是相對于自由落體的比值．當(dāng)陀螺儀和加速度共同工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)上下、左右、前后以及翻轉(zhuǎn)、側(cè)傾、橫擺6個自由度的方位檢測．

3）定位系統(tǒng)是指利用衛(wèi)星進行定位，并根據(jù)獲取的經(jīng)緯度信息，并在地圖顯示的系統(tǒng)，根據(jù)不同時刻的位置信息，能夠解算出智能手機的運動速度．利用獲取的圖像判斷距離和車道位置信息，利用陀螺儀和加速度計判斷運動狀態(tài)，利用定位系統(tǒng)判斷車輛速度和所在路段，這些都是實現(xiàn)主動安全預(yù)警系統(tǒng)的基本要素，為基于智能手機開展主動安全系統(tǒng)研發(fā)提供了可能．

2 主動安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

2.1 框架設(shè)計

當(dāng)所獲取的行為或狀態(tài)參數(shù)超過預(yù)警閾值時，給出預(yù)警信息是主動安全研究的基礎(chǔ)．因此，根據(jù)參數(shù)獲取和預(yù)警功能等模塊間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計基于智能手機的主動安全預(yù)警框架見圖2．

圖2 智能手機主動安全系統(tǒng)框架

手機內(nèi)部傳感器作為整個系統(tǒng)的硬件部分，在軟件系統(tǒng)初始化完成后會被激活用于數(shù)據(jù)采集；參數(shù)是直接由傳感器提供的各種數(shù)據(jù)，與參數(shù)不同的是，指標(biāo)項是直接用于判斷安全閾值的數(shù)據(jù)，不需要再進行轉(zhuǎn)換，部分參數(shù)和指標(biāo)是一致的，直接用于安全閾值比較；不能直接用于判斷安全狀態(tài)的參數(shù)會通過轉(zhuǎn)換成為指標(biāo)．主動安全應(yīng)用是系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能．

2.2 功能設(shè)計

本研究選擇了2種用戶較為廣泛的智能手機主動安全預(yù)警軟件作為分析對象，介紹功能設(shè)計過程．2種軟件系統(tǒng)的主工作界面見圖3．

圖3 手機平臺主動安全預(yù)警系統(tǒng)界面

車速、方位以及車頭時距或間距在2個系統(tǒng)中都能夠?qū)崟r顯示，車道線邊緣檢測結(jié)果通過有顏色的條狀圖形進行顯著標(biāo)注．除此之外，在進入主界面前，用戶需要進行參數(shù)配置．

根據(jù)用戶使用系統(tǒng)的步驟，將功能模塊劃分為4大主要部分：（1）初始化．當(dāng)軟件或系統(tǒng)被用戶開啟后，預(yù)警所需的傳感器會被檢測一遍，確保能夠正常工作，當(dāng)它們未能正確開啟，或被其他設(shè)備單獨占用時，給與用戶及時反饋、提示；（2）配置和校正．用戶需要根據(jù)系統(tǒng)的安裝位置，進行參數(shù)配置，并進行測試．以圖像預(yù)警為例，需要配置攝像頭高度以及在車輛中的橫向位置；（3）實時顯示和預(yù)警．設(shè)備能夠正常工作后，需要將獲取的實時信息在圖像界面中進行顯示，以提醒用戶其目前的工作態(tài)，特別是當(dāng)安全閾值被觸發(fā)時，應(yīng)當(dāng)通過聲音和圖形的方式進行提醒；（4）數(shù)據(jù)存儲．在數(shù)據(jù)實時采集和顯示過程中，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫文件中，并形成軟件運行日志文件．

3 典型應(yīng)用分析評價

本研究選擇兩種分別基于Android和iOS平臺的iOnroad和imaGinyze－Augmented Driving軟件，與目前公認(rèn)的專業(yè)主動安全系統(tǒng)Mobileye系統(tǒng)進行了橫向測評，手機分別選取了三星GTI9001和Iphone 4S．軟件安裝完畢后，將其固定在車輛中，其固定位置見圖4．

圖4 測試設(shè)備位置布局

通過實車實驗的方式，對這3個系統(tǒng)的功能組成和用于界面布局等指標(biāo)進行了比較，結(jié)果見表1．表明：在正式使用之前，這3個系統(tǒng)都需要進行配置或校正，都具備了車道偏離和前碰撞預(yù)警功能，但只有Mobileye提供了行人預(yù)警功能，由于不集成GPS信號，不具備超速預(yù)警和車速實時顯示功能．

表1 主動安全系統(tǒng)功能比較結(jié)果

功能直接比較結(jié)果見表1，但Mobileye系統(tǒng)相對于另外2個系統(tǒng)，它與車輛信息之間的聯(lián)系更為緊密，預(yù)警結(jié)果也更加科學(xué)，其通過采集CAN總線或模擬信號，讀取車輛的轉(zhuǎn)向燈、車速、剎車、車前大燈等信息，用于減少誤報率．如當(dāng)駕駛?cè)耸艿角胺铰嚫蓴_，車距較近時，通過剎車踏板調(diào)節(jié)距離，開啟轉(zhuǎn)向燈進行換道操作．Mobileye設(shè)備檢測距離后，判斷出駕駛?cè)瞬认铝藙x車踏板，不會給出預(yù)警，雖然駕駛?cè)顺霈F(xiàn)了越線行為，但由于開啟了轉(zhuǎn)向燈，因此不認(rèn)為是無意識壓線行為，不提示車道偏離．

開展實車道路實驗，對設(shè)備精度進行橫向測評，分別進行了10次近距離跟車以及換道操作．選擇最小車頭時距指標(biāo)作為比較前碰撞精度的依據(jù)，車道偏離預(yù)警聲音發(fā)布與否用于比較車道偏離精度．實驗數(shù)據(jù)采集結(jié)果見圖5（當(dāng)數(shù)據(jù)為空時，表明該數(shù)據(jù)未被采集，即未找到前方目標(biāo)車輛或未能有效判斷越線行為）．

圖5 系統(tǒng)精度分析比較結(jié)果

研究結(jié)果表明：iOnroad軟件在前碰撞預(yù)警過程中丟失了3個數(shù)據(jù)，沒有給出預(yù)警，imaG－inyze－Augmented Driving丟失了1個前碰撞預(yù)警，最小間距與mobileye相比，相關(guān)系數(shù)分別為68%和85%．10組越線行為的判斷中，iOnroad判斷出了60%，imaGinyze－Augmented Driving判斷出了80%．根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，智能手機能夠?qū)崿F(xiàn)與專業(yè)設(shè)備相比在主動安全預(yù)警方面的功能，但數(shù)據(jù)精度上存在差距，但這種差距并不顯著，由于涉及到安全問題，因此，這些差距還是在將來有待解決．

4 結(jié)束語

本研究通過分析主動安全預(yù)警系統(tǒng)的創(chuàng)新平臺－智能手機及其關(guān)鍵技術(shù)，介紹了手機嵌入式傳感器的功能和作用．通過實車實驗的方法，對手機平臺和專業(yè)平臺主動安全系統(tǒng)的功能和精度進行了評測．結(jié)果表明：在功能上可以實現(xiàn)專業(yè)平臺所實現(xiàn)的預(yù)警，但在精度上還存在一定的差距．因此，基于智能手機或其他職能系統(tǒng)平臺的安全駕駛預(yù)警系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的，部分國家或地區(qū)正在開發(fā)基于智能手機的疲勞、分神等不良駕駛行為識別［6－7］．

［1］公安部交通管理局．中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料匯編［G］．無錫：公安部交通管理科學(xué)研究所，2011．

［2］周智勇．MEMS傳感器開創(chuàng)汽車主動安全系統(tǒng)的新時代［J］．電子產(chǎn)品世界，2008（2）：37－38，40，42．

［3］Imaginyze－Augmented Driving［EB／OL］．http：／／www．imaginyze．com／Site／Welcome．html．

［4］CHEN Chaojung，WU Bingfei，LIN Wenhsin，et al．Mobile lane departure warning systems［C］／／Digest of Technical Papers－IEEE International Conference on Consumer Electronics．Kyoto，Japan．Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc．2009：90－93．

［5］REN Feixiang，HUANG Jinsheng，JIANG Ruyi，et al．Lane detection on the iPhone［J］．Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences，Social－Informatics and Telecommunications Engineering，2010，30：198－205．

［6］張 迅，趙勝川，楊智偉．公共交通信息服務(wù)媒體選擇影響因素研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011，35（4）：679－682，687．

［7］肖獻(xiàn)強，王其東．基于駕駛行為的汽車主動安全技術(shù)研究［J］．中國機械工程，2010，19：2390－2393．