交互式車輛安全輔助系統(tǒng)

項目目的和基本思路

本項目的目的是提高車輛安全性能，開發(fā)車輛信息交互，主動預(yù)防交通事故的發(fā)生，保障人民生命和國家財產(chǎn)的安全。

本項目的基本思路如下：

本系統(tǒng)在車輛安裝傳感器，隨時監(jiān)測車輛的運動數(shù)據(jù)及車輛工況數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測駕駛員的駕駛操作。

根據(jù)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，隨時同鄰近車輛交換相關(guān)數(shù)據(jù)，計算鄰近車輛與本車的距離及相對運動速度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險的車輛接近時，本系統(tǒng)可提醒駕駛員注意，同時將危險接近信息通過無線通信模塊向鄰近車輛進(jìn)行危險報警提示；在收到鄰近車輛危險報警提示后，駕駛員可通過系統(tǒng)的確認(rèn)按鍵對該危險報警提示交互確認(rèn)。

如果駕駛員的操作可能對臨近車輛行駛造成影響，并有潛在的交通事故隱患時，本系統(tǒng)將發(fā)送操作請求提示在收到鄰近車輛操作請求提示后，駕駛員可通過系統(tǒng)的確認(rèn)按鍵對該請求提示進(jìn)行交互確認(rèn)。

本系統(tǒng)通過上述的傳感器監(jiān)測及車輛間交互、確認(rèn)功能，能夠有效提醒駕駛員注意周圍車輛的情況，減少交通事故的發(fā)生。

項目研究過程

首先進(jìn)行道路安全事故調(diào)研工作。先到交警隊進(jìn)行調(diào)研，對于道路交通安全事故的情況進(jìn)行研究，了解當(dāng)前道路交通安全事故的特點及典型事故的原因及事故結(jié)論。

對道路安全相關(guān)的文獻(xiàn)、專利進(jìn)行檢索，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，在此基礎(chǔ)上確定題目。

綜合以上調(diào)研結(jié)果后，對目前仍然存在的問題進(jìn)行分析，尋找汽車安全措施方面的薄弱點，找到項目的創(chuàng)新點，對項目的總體結(jié)構(gòu)及各個部分的構(gòu)成，進(jìn)行構(gòu)思設(shè)想。

選擇相應(yīng)的電路模塊，尋找相關(guān)材料。

編寫程序，動手制作。

整體觀察實驗，測試。

整理總結(jié)。

系統(tǒng)硬件電路

本系統(tǒng)主要組成部分包括MCU中央控制單元、GPS定位模塊、激光及超聲距離檢測模塊組、車輛工況通信單元、無線通信模塊、聲光報警顯示單元和車輛間信息交互確認(rèn)按鍵等組成，系統(tǒng)框圖見圖1。

MCU中央處理單元負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的信息處理。MCU中央處理單元整合各傳感器所采集到的本車行駛信息及鄰近車輛的相關(guān)信息，判斷鄰近車輛的距離、速度和駕駛員操作動作，當(dāng)出現(xiàn)鄰近車輛過于接近本車或者鄰近車輛駕駛員的操作可能引起交通事故時，通過聲光報警顯示單元對本車駕駛員進(jìn)行提醒，并在鄰近車輛間進(jìn)行交互信息的發(fā)送及確認(rèn)；如果本車駕駛員沒有注意到相關(guān)提醒，則將接管車輛控制，采取主動安全措施以避免事故的發(fā)生。本系統(tǒng)的MCU中央處理單元選用美國TI公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)TI430F149，系統(tǒng)其余各模塊與MCU中央處理單元采用總線方式進(jìn)行連接。

GPS定位模塊通過GPS接收機(jī)接收GPS衛(wèi)星信號，計算出本車的速度、經(jīng)緯度坐標(biāo)、時間等信息。本系統(tǒng)采用鼎天國際公司的集成GPS接收模塊REB-3571LP，具有集成度高、功耗低、操作簡單等優(yōu)點。模塊上電后直接輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的GPS導(dǎo)航電文，通過軟件編程，可實時獲得車輛的速度、位置信息。

激光及超聲距離檢測模塊分別通過激光測距傳感器及超聲測距傳感器測量車輛間的距離。本系統(tǒng)采用ACETECK公司的LRFS-0200型激光測距儀，它是一種精確測量設(shè)備，其測量范圍為0.05～200m。通過紅色激光瞄準(zhǔn)點的定位，可以清楚地觀測給定的目標(biāo)。在其測量范圍內(nèi)，它的實測性能取決于測量目標(biāo)的反射率、形狀和表面質(zhì)量，測量結(jié)果可以達(dá)到毫米級測量精度。

超聲波測距的基本原理同聲吶回聲定位法的原理基本相同。本系統(tǒng)超聲波傳感器采用US-100超聲波測距模塊，由超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路組成，可實現(xiàn)0.02m～4.50m的非接觸測距，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO、SIO等多種通信方式，內(nèi)帶“看門狗”，工作穩(wěn)定可靠。

無線通信模塊由車輛上裝載的無線終端構(gòu)成，無需商用網(wǎng)絡(luò)支持。在本系統(tǒng)中，每輛汽車都是移動網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點，而且可以自由地加入或離開網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)無線通信模塊采用NRF905模塊，使用433MHz開放ISM頻段，無需專門的使用許可證，在這個頻段內(nèi)有125個頻道，滿足多點通信的要求，能夠適應(yīng)車輛密集的地段使用。模塊采用高效的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合。

車輛工況通信單元在汽車的行駛過程中同汽車的發(fā)動機(jī)電子控制單元進(jìn)行通信。系統(tǒng)通過車輛工況通信單元獲得當(dāng)前的油門踏板開度信息及剎車踏板行程信息以確定當(dāng)前汽車的行駛工況。目前本系統(tǒng)尚處于模型演示階段，采用按鍵代替車輛工況通信單元，在實際應(yīng)用中，可采用CAN總線與發(fā)動機(jī)電子控制單元進(jìn)行通信以獲取車輛當(dāng)前的工況信息。

聲光報警顯示單元用于顯示本車及鄰近車輛駕駛信息，并在系統(tǒng)交互過程中顯示相關(guān)交互內(nèi)容。汽車的儀表盤上方安放一塊液晶顯示面板，該面板實時顯示本車的行駛信息及周圍接近汽車的行駛信息，并在面板上顯示過于接近的車輛標(biāo)志，當(dāng)接近車輛存在安全隱患時，系統(tǒng)通過顯示面板進(jìn)行閃光報警，同時接管車輛的音響系統(tǒng)進(jìn)行聲音報警。

系統(tǒng)工作過程說明

所有安裝本系統(tǒng)的車輛都分配一個唯一的內(nèi)部地址用于對車輛進(jìn)行區(qū)分、識別。車輛的MCU單元根據(jù)各自GPS定位模塊、距離檢測模塊組及車輛工況通信單元的輸出信號，對本車位置及速度信息進(jìn)行計算，采集本車的油門踏板、剎車踏板傳感器輸出及駕駛員的操作，并將上述信息通過無線通信模塊進(jìn)行廣播發(fā)送。當(dāng)系統(tǒng)檢測出幾種典型的交通事故隱患時，將在鄰近車輛間進(jìn)行交互式預(yù)防操作。下面對系統(tǒng)工作過程進(jìn)行簡要說明。

追尾事故的預(yù)防（見圖2）。發(fā)生追尾事故主要是因為車輛間距離過近及駕駛員處理不及時。當(dāng)A車檢測出與前車B車的距離小于安全距離且兩車在持續(xù)接近時，系統(tǒng)將通過報警顯示單元對A車駕駛員進(jìn)行提示，同時通過無線通信系統(tǒng)對B車駕駛員進(jìn)行報警顯示，兩車駕駛員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)提示加大車輛間距離以避免事故發(fā)生；若駕駛員未采取適當(dāng)操作，車輛距離繼續(xù)接近，兩車的交互式安全輔助系統(tǒng)將進(jìn)行溝通，對A車實施減速操作，直至車輛間距離滿足安全距離，以避免追尾事故的發(fā)生。

變更車道事故的預(yù)防（見圖3）。在車輛變更車道時，如果駕駛員觀察不夠，就存在發(fā)生車輛剮蹭事故的可能。A車駕駛員在變更車道時，按動交互按鈕，通過無線通信模塊發(fā)送變更車道請求，鄰近車輛B車收到變更車道請求后，根據(jù)情況判斷是否允許A車變更車道，是否需要對本次請求進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)判斷需要響應(yīng)時，B車駕駛員按動交互按鈕，向A車發(fā)送同意變更車道確認(rèn)，A車收到確認(rèn)信號后，進(jìn)行變更車道操作；若A車駕駛員沒有收到B車的確認(rèn)信號，則系統(tǒng)將提醒A車駕駛員在變更車道過程中注意安全。

超車事故的預(yù)防（見圖4）。當(dāng)A車需要進(jìn)行超車操作時，A車將發(fā)送超車請求信號，前方車輛B車收到A車的超車請求信號后，將通過聲光報警顯示單元進(jìn)行聲音、閃光指示，B車駕駛員可根據(jù)情況判斷是否同意本次超車操作，如同意該次超車操作，可按動車輛間信息交互確認(rèn)按鍵，發(fā)送超車操作確認(rèn)信號，A車駕駛員收到確認(rèn)信號后，可放心進(jìn)行超車操作；若未收到確認(rèn)信號，系統(tǒng)將提醒A車駕駛員小心駕駛，并在超車過程中隨時通知鄰近車輛A車的狀態(tài)，以確保車輛安全。

轉(zhuǎn)彎車輛與直行車輛間事故的預(yù)防（見圖5）。當(dāng)A車需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時，系統(tǒng)將根據(jù)傳感器所采集到的信息，將A車的速度、當(dāng)前行駛方向、欲轉(zhuǎn)入方向的信息進(jìn)行發(fā)送。路口范圍內(nèi)的車輛B車收到A車的轉(zhuǎn)向信息及請求后，B車的MCU單元將計算A車是否存在與本車發(fā)生碰撞的可能，如果存在碰撞可能，將通過聲光報警顯示單元進(jìn)行聲音、閃光指示，B車駕駛員可根據(jù)情況判斷是否同意本次轉(zhuǎn)向按動操作，如同意該次轉(zhuǎn)向操作，可按動車輛間信息交互確認(rèn)按鍵，發(fā)送轉(zhuǎn)向操作確認(rèn)信號，A車駕駛員收到確認(rèn)信號后，可放心進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作；若未收到確認(rèn)信號，系統(tǒng)將提醒A車駕駛員小心駕駛。

項目創(chuàng)新點

本項目的創(chuàng)新之處在于：在綜合上述輔助安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種交互式主動安全系統(tǒng)。系統(tǒng)利用多種傳感器對車輛之間的相對位置、距離信息進(jìn)行綜合監(jiān)測，結(jié)合本車的實時工況數(shù)據(jù)及駕駛員的操作動作，在鄰近車輛之間進(jìn)行車輛駕駛信息的傳遞和交換，隨時掌握鄰近車輛的動態(tài)駕駛信息；在駕駛員進(jìn)行變更車道、超車、轉(zhuǎn)向等可能影響鄰近車輛安全的操作時，能夠向鄰近車輛發(fā)送請求信息，并在鄰近車輛問進(jìn)行駕駛操作確認(rèn)；當(dāng)出現(xiàn)危急情況時對汽車的駕駛情況進(jìn)行主動干預(yù)，以期確保駕駛安全。