基于本地交通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的電子輔助駕駛系統(tǒng)

張伯約，王麗卿

（1.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局通信發(fā)明審查部，北京100190；2.北京市海淀區(qū)郵電局信息中心，北京100083）

基于本地交通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的電子輔助駕駛系統(tǒng)

張伯約1，王麗卿2

（1.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局通信發(fā)明審查部，北京100190；2.北京市海淀區(qū)郵電局信息中心，北京100083）

在日益擁堵的道路交通環(huán)境下，為了解決汽車駕駛員在陌生路線難于尋找最近加油站、難于選擇最佳行駛路線的問題，選用三星公司的8位單片機(jī)S3C9444為主控制器，以Altera公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA芯片EP2C5Q208C8N作為兼容主要移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，借用本地交通網(wǎng)絡(luò)提供的路線交通指數(shù)信息和附近加油站信息，實(shí)時(shí)為駕駛員提供最近的加油站位置和行駛更暢通的替換路線，提高了汽車輔助駕駛系統(tǒng)的智能化程度。

本地交通網(wǎng)絡(luò)；電子輔助駕駛系統(tǒng)；單片機(jī)；無線收發(fā)器

0 引言

汽車是人類出行的最主要的交通工具。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，私人汽車的擁有量越來越多，然而城市道路交通的發(fā)展往往跟不上汽車的增長(zhǎng)速度，這就造成城市內(nèi)車輛擁堵的現(xiàn)象發(fā)生，尤其在大城市的早晚上下班高峰時(shí)段最為突出。

道路的擁堵給汽車駕駛員帶來了不少難題，例如如何選擇更為暢通的行駛路線，以及需要實(shí)時(shí)了解汽車當(dāng)前油量能夠支撐的行駛區(qū)域內(nèi)的加油站位置。如果第一個(gè)難題無法解決，則會(huì)導(dǎo)致行駛時(shí)間的大量不必要增長(zhǎng)，而如果第二個(gè)難題無法解決，甚至?xí)霈F(xiàn)汽車缺油而不得不停車等待救援的尷尬局面。

當(dāng)前汽車的輔助駕駛系統(tǒng)只能用于在擁堵情況下避免前后車碰撞的發(fā)生，例如使用雷達(dá)或倒車影像幫助駕駛員了解前后車距，而并沒有能夠提供汽車當(dāng)前路線的替換路線信息和附近加油站信息。為了解決上述兩個(gè)難題，本文對(duì)汽車的電子輔助駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過引入能夠與本地交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互的無線收發(fā)器，同時(shí)引入相應(yīng)的電子輔助設(shè)備，并合理利用汽車現(xiàn)有資源，從而幫助駕駛員實(shí)時(shí)了解當(dāng)前路線的替換路線和當(dāng)前位置附近的加油站，為他們的快捷駕駛提供重要參考數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)氡镜亟煌ňW(wǎng)絡(luò)提供的路線數(shù)據(jù)和加油站數(shù)據(jù)，在各種臨界情況下給予駕駛員合理的語音、文字方面的提示，本文基于本地交通網(wǎng)絡(luò)，搭建了一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算機(jī)處理的控制平臺(tái)，該控制平臺(tái)設(shè)置在汽車上，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子輔助駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

其中，平均油耗計(jì)算設(shè)備根據(jù)汽車的歷史油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出汽車的平均油耗。剩余油量檢測(cè)設(shè)備通過安裝在油箱中的油量傳感器檢測(cè)油箱內(nèi)的剩余油量。導(dǎo)航設(shè)備根據(jù)內(nèi)部的電子地圖確定以下信息：（1）汽車所在位置及汽車所在位置附近的各個(gè)加油站；（2）從汽車所在位置到附近各個(gè)加油站的加油行駛路線；（3）與各個(gè)加油行駛路線對(duì)應(yīng)的里程；（4）當(dāng)前行駛路線和多個(gè)替換路線。

圖1中的無線收發(fā)器通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接本地交通網(wǎng)絡(luò)，從本地交通網(wǎng)絡(luò)中接收以下信息：（1）汽車所在位置附近的各個(gè)加油站；（2）當(dāng)前行駛路線的交通指數(shù)和多個(gè)替換路線的交通指數(shù)。無線收發(fā)器連接導(dǎo)航設(shè)備以從導(dǎo)航設(shè)備處接收汽車所在位置、當(dāng)前行駛路線和多個(gè)替換路線，并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給本地交通網(wǎng)絡(luò)。本地交通網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)本地交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，以實(shí)時(shí)提供交通服務(wù)。

電子輔助駕駛系統(tǒng)還包括顯示屏，在單片機(jī)根據(jù)已有信息判斷當(dāng)前為臨界情況時(shí)，顯示相應(yīng)警示或提示文字信息；語音播放設(shè)備用于在單片機(jī)根據(jù)已有信息判斷當(dāng)前為臨界情況時(shí)，播放相應(yīng)警示或提示語音文件；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)各類信息或文件；供電設(shè)備用于為電子輔助駕駛系統(tǒng)內(nèi)除了供電設(shè)備以外的各個(gè)電子設(shè)備提供必要的工作用電。

1.1 單片機(jī)

考慮到在運(yùn)算速度、功耗和價(jià)格之間的平衡，本文的電子輔助駕駛系統(tǒng)選擇三星公司的8位單片機(jī)S3C9444為主控制器[1]。

S3C9444芯片是一款8位的多功能通用型微控制器，能夠提供高效快速的CPU處理功能、豐富的外圍接口以及各種類型的可編程ROM，其數(shù)據(jù)/地址總線結(jié)構(gòu)和位編程I/O口為用戶提供了靈活的編程環(huán)境[2]。S3C9444芯片具有4 KB的片內(nèi)ROM和208 B的RAM，具有定時(shí)、計(jì)數(shù)、PWM、多路A/D轉(zhuǎn)換等功能，其內(nèi)部特有的CMOS技術(shù)使得芯片呈現(xiàn)出低功耗和寬電壓工作范圍的特性。S3C9444芯片集成了多個(gè)外圍接口：3個(gè)可編程I/O口、4個(gè)中斷源、1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)8位PWM輸出接口[3]。

1.2 無線收發(fā)器

為了提高本文的電子輔助駕駛系統(tǒng)的通信兼容性，兼顧不同城市使用的不同移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)中的無線收發(fā)器采用了ALTERA公司的EP2C5Q208C8N，通過編程該款FPGA芯片以兼容現(xiàn)行主流移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括GPRS、3G、4G等[4]。

EP2C5Q208C8N擁有4 608個(gè)LEs，片上RAM共計(jì)119 808 bit，還具有13個(gè)18×18硬件乘法器、2個(gè)高性能PLL以及多達(dá)142個(gè)用戶自定義I/O，該芯片可外接大容量的SDRAM和Flash ROM等存儲(chǔ)單元，具有DC 5 V的電源管理模塊，易于擴(kuò)展，性價(jià)比高。

1.3 導(dǎo)航設(shè)備

當(dāng)前主流的四個(gè)導(dǎo)航設(shè)備為GPS導(dǎo)航設(shè)備、格洛納斯導(dǎo)航設(shè)備、伽利略導(dǎo)航設(shè)備和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，本文選擇了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星；地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站；用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端[5]。

本系統(tǒng)中，導(dǎo)航設(shè)備為單片機(jī)和無線收發(fā)器提供包括汽車當(dāng)前位置、行駛路線、加油站位置等多種導(dǎo)航信息，其顯示器可與本系統(tǒng)的顯示屏集成為一塊綜合顯示屏，以進(jìn)行文字、圖形等信息的顯示，為駕駛員提供重要的駕駛參考數(shù)據(jù)。導(dǎo)航設(shè)備的顯示器與本系統(tǒng)的顯示屏也可分離放置。

2 控制邏輯

為了提供汽車當(dāng)前路線的替換路線信息和附近加油站信息，作為電子輔助駕駛系統(tǒng)主控制的單片機(jī)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)并行控制邏輯，以在臨界情況下為駕駛員提供各個(gè)輔助信息。

2.1 加油站控制邏輯

單片機(jī)定時(shí)觸發(fā)本控制邏輯，用于實(shí)時(shí)為駕駛員提供與汽車剩余油量匹配的附近加油站信息，定時(shí)時(shí)間可以由用戶自行設(shè)定，默認(rèn)為出廠設(shè)定值。本加油站控制邏輯首先判斷本地交通網(wǎng)絡(luò)與導(dǎo)航設(shè)備提供的附近加油站信息是否一致，在確定加油站信息可靠時(shí)，方啟動(dòng)后續(xù)的剩余油量覆蓋加油站數(shù)量的判斷操作。

加油站控制邏輯的具體流程如圖2所示。

圖2 加油站控制邏輯流程圖

在剩余里程范圍內(nèi)的加油站數(shù)量為3時(shí)，表示到了需要提示駕駛員關(guān)注汽車油量的時(shí)刻，通過顯示屏或語音播放設(shè)備進(jìn)行提示操作；在剩余里程范圍內(nèi)的加油站數(shù)量為1時(shí)，表示到了汽車油量必須加油的時(shí)刻，通過顯示屏或語音播放設(shè)備進(jìn)行警示操作；在剩余里程范圍內(nèi)的加油站數(shù)量為0時(shí)，表示已經(jīng)無法通過附近加油站加油的方式進(jìn)行加油，同樣通過顯示屏或語音播放設(shè)備告知駕駛員需要等待救援。

2.2 替換路線控制邏輯

單片機(jī)定時(shí)觸發(fā)本控制邏輯，用于在駕駛員當(dāng)前行駛路線交通指數(shù)較高時(shí)，即當(dāng)前行駛路線較為擁堵，需要選擇替換路線以盡快到達(dá)目的地時(shí)，實(shí)時(shí)幫助駕駛員決定是否需要切換到替換路線行駛，以及在需要切換時(shí)，提供要切換到的相對(duì)來說最暢通的替換路線。定時(shí)時(shí)間可以由用戶自行設(shè)定，默認(rèn)為出廠設(shè)定值。

該替換路線控制邏輯的具體流程如圖3所示。

圖3 加油站控制邏輯流程圖

本地交通網(wǎng)絡(luò)通過無線收發(fā)器為單片機(jī)提供了當(dāng)前行駛路線和多條替換路線的交通指數(shù)，在當(dāng)前行駛路線的交通指數(shù)大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，例如該預(yù)設(shè)閾值為4，則將交通指數(shù)更小的多條替換路線發(fā)送給導(dǎo)航設(shè)備以進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)，通過顯示屏或語音播放設(shè)備進(jìn)行替換路線切換的提示操作[6]。

3 輔助效果

當(dāng)駕駛員駕駛安裝了本電子輔助駕駛系統(tǒng)的汽車時(shí)，即使面對(duì)擁堵的交通狀況，也不用時(shí)刻關(guān)注汽車的油量剩余情況，不會(huì)陷入路線選擇困擾。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出的輔助信息，能夠輕松找到剩余油量所支持的附近加油站，不需目測(cè)、經(jīng)驗(yàn)判斷和收聽交通節(jié)目，就能輕松找到替換路線。如圖4所示，駕駛員以天安門為出發(fā)點(diǎn)，以西北旺鎮(zhèn)為目的地駕車出行，在當(dāng)前行駛路線擁堵的情況下，系統(tǒng)提供多條替換路線供駕駛員選擇。

圖4 導(dǎo)航設(shè)備的多條替換路線顯示圖

從圖4可以看出，基于本地交通網(wǎng)絡(luò)的電子輔助駕駛系統(tǒng)，其導(dǎo)航設(shè)備接收單片機(jī)選擇的多條相對(duì)暢通的替換路線并實(shí)時(shí)顯示，方便駕駛員選擇其中一條以繼續(xù)行駛，提高了車輛的行駛效率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)駕駛員在擁堵路段行駛會(huì)經(jīng)常遇到的兩個(gè)經(jīng)典問題，即擁堵時(shí)難于找到剩余油量能支持的附近加油站和無法確定其他替換路線是否更為擁堵，基于本地交通網(wǎng)絡(luò)提供的附近加油站信息和各條行駛路線的交通指數(shù)信息，經(jīng)過合理的邏輯判斷，為用戶選擇合適的附近加油站和替換路線，減輕了駕駛員的選擇負(fù)擔(dān)，在保證車輛正常行駛的同時(shí)，節(jié)省了到達(dá)目的地的行駛時(shí)間。

[1]李廣弟，朱月秀，冷月祁.單片機(jī)基礎(chǔ)（第3版）[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007.

[2]王東鋒，陳園園，郭向陽.單片機(jī)C語言應(yīng)用100例（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3]姜志海，黃玉清，劉連鑫.單片機(jī)原理及應(yīng)用（第3版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[4]金慶江.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[5]姜衛(wèi)忠，魏向東.汽車多媒體導(dǎo)航系統(tǒng)藍(lán)皮書（技術(shù)篇）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[6]申忠宇，鄭啟文，王川，等．無線通信網(wǎng)絡(luò)的多智能小車編隊(duì)控制系統(tǒng)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，43（S1）：18-21．

Electronic auxiliary driving system based on local traffic netw ork service

Zhang Boyue1，Wang Liqing2
（1.Communication Invention Examination Department，State Intellectual Property Office，Beijing 100190，China；2.Information Center，Haidian District Post Office of Beijing，Beijing 100083，China）

In an increasingly congested road traffic environment，it is difficult for a driver on a strange road to find the nearest gas station，or to select the best route.In order to solve the problem，Samsung 8 bit singlechip S3C9444 is used as a main controller，and Altera Field Programmable Gate Array（FPGA）chip EP2C5Q208C8N is selected as a wireless transceiver which is compatible with main mobile communication standards.Using route traffic index information and nearby gas sation information provided by the local traffic network，the nearest gas station or the more smooth route can be real time provided for the driver，and the intelligent degree of the car auxiliary driving system is improved.

local traffic network；electronic auxiliary driving system；singlechip；wireless transceiver

TP399；U491

A

1674-7720（2015）09-0068-03

2014-12-15）

張伯約（1981-），男，碩士研究生，主要研究方向：通信、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字圖像。

王麗卿（1982-），女，本科，主要研究方向：通信、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)。