基于ARM+DSP的汽車防追尾控制系統(tǒng)的研究

汪 磊，周 力，孫 浩

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基于ARM+DSP的汽車防追尾控制系統(tǒng)的研究

*汪 磊，周 力，孫 浩

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽，蕪湖 241000）

針對(duì)汽車追尾事故所帶來(lái)的嚴(yán)重危害，本文運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)、激光測(cè)距雷達(dá)等技術(shù)設(shè)計(jì)了以ARM為控制核心、DSP為數(shù)據(jù)處理核心的雙處理器架構(gòu)的汽車防追尾控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)了整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)兩車間的安全距離算法以及模糊算法進(jìn)行了研究。最后，通過(guò)Matlab的仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)在防止汽車追尾的問(wèn)題上切實(shí)有效。

ARM；DSP；激光測(cè)距雷達(dá)；模糊算法；汽車防追尾

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，交通事故成為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。預(yù)計(jì)至2020年，交通事故將成為造成人類非正常死亡的最大的直接原因之一[1]。一項(xiàng)研究分析表明：80%以上的交通事故是由駕駛員反應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致的, 若駕駛員能夠提前1 s進(jìn)行預(yù)防, 則可避免 90%的事故發(fā)生[2]。因此，汽車防追尾控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外很多公司和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了這方面的研究，且都取得了一些成果。其中，以德國(guó)、美國(guó)、日本等為代表的一些發(fā)達(dá)國(guó)家在該技術(shù)上已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。相對(duì)于國(guó)外很多研發(fā)機(jī)構(gòu)，我國(guó)對(duì)汽車防追尾控制系統(tǒng)的研究仍然處于實(shí)驗(yàn)階段[2]。

現(xiàn)有的汽車防追尾系統(tǒng)采用的是單一的處理器，而該系統(tǒng)對(duì)圖像處理以及數(shù)據(jù)處理速度要求較高，單一的處理器將會(huì)降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。此外，當(dāng)車處于彎道時(shí)，經(jīng)常會(huì)將道路兩邊的樹(shù)木、護(hù)欄等當(dāng)成是前車車輛進(jìn)行處理，從而發(fā)生不必要的虛警情況。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了DSP+ARM雙處理器架構(gòu)的汽車防追尾控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DSP對(duì)照片進(jìn)行圖像處理與模式識(shí)別[4]，判斷前方障礙物是否是車輛。然后，通過(guò)ARM控制執(zhí)行模塊，使汽車減速并報(bào)警。仿真的結(jié)果證明了系統(tǒng)在防止汽車追尾的問(wèn)題上的可行性，在改善汽車防追尾的問(wèn)題上有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。將攝像機(jī)安裝在汽車擋風(fēng)玻璃中心，用來(lái)對(duì)前方汽車的尾部進(jìn)行拍攝。將拍到的照片通過(guò)CCD圖像傳感器由光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)加至DSP中，建立汽車方位的數(shù)學(xué)模型。然后將此數(shù)學(xué)模型做圖像處理與模式識(shí)別，以判斷前方障礙物是不是車輛。將激光測(cè)距雷達(dá)安裝在汽車前部格柵中心，光學(xué)天線發(fā)射的激光束遇到前面的障礙物后，產(chǎn)生向后散射信號(hào)，同樣被光學(xué)天線接收，并調(diào)制出距離和方位信息。當(dāng)確認(rèn)前方是車時(shí)，激光測(cè)距雷達(dá)開(kāi)始工作。通過(guò)ARM計(jì)算出它相對(duì)本車的速度及車間的實(shí)際距離，當(dāng)實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警，并通過(guò)模糊控制原理進(jìn)行分級(jí)減速，從而防止追尾事故的發(fā)生。

圖1 汽車防追尾系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、中央處理模塊、執(zhí)行模塊三個(gè)部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 汽車防追尾控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 中央處理模塊

該模塊選用TMS320F2812作為數(shù)據(jù)處理芯片，TMS320F2812是TI公司推出的基于C2000平臺(tái)上的32位DSP芯片。由于本文首先通過(guò)CCD對(duì)前方汽車的尾部進(jìn)行拍攝，再對(duì)照片進(jìn)行處理，建立一個(gè)汽車方位的數(shù)學(xué)模型。然后，將此數(shù)學(xué)模型做圖像處理與模式識(shí)別，以判斷前方障礙物是不是車輛。這樣就可以在很大程度上減少系統(tǒng)虛警的情況。因此，就需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，且數(shù)據(jù)量很大。考慮到DSP在這一方面突出的優(yōu)點(diǎn)，所以本文選用型號(hào)為2812的DSP來(lái)完成這些工作。此外，選用S3C6410作為主控制芯片，SS3C6410是基于SAMSUNG的16/32位RSIC微處理器S3C6410X的一款開(kāi)發(fā)平臺(tái)，S3C6410X是基于ARM1176JZF-S核的用于手持、移動(dòng)等終端設(shè)備的通用處理器。當(dāng)前方是車輛時(shí)，計(jì)算出兩車的實(shí)際距離和相對(duì)速度，當(dāng)兩車的實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，根據(jù)模糊控制原理，向執(zhí)行模塊發(fā)送控制命令，從而使汽車分級(jí)減速并報(bào)警。

2.2 信息采集模塊

該模塊由激光測(cè)距雷達(dá)、車速傳感器、攝像機(jī)組成。目前，測(cè)量?jī)绍囬g距離主要有四種方法：超聲波測(cè)距、毫米波雷達(dá)測(cè)距、視覺(jué)測(cè)距和激光測(cè)距[5]?？紤]到激光測(cè)距雷達(dá)具有測(cè)量周期短、距離遠(yuǎn)、誤差小、分辨力高、價(jià)格適中等特點(diǎn)，故本文選用激光測(cè)距雷達(dá)用來(lái)測(cè)量?jī)绍囬g的距離；車速傳感器選用最常用的磁阻式車速傳感器，用來(lái)測(cè)量本車的速度；攝像機(jī)對(duì)前方汽車尾部進(jìn)行拍攝，通過(guò)DSP進(jìn)行圖像處理與模式識(shí)別，判斷前方是否是車輛，從而減小虛警情況。

2.3 控制執(zhí)行模塊

該模塊包括：節(jié)氣門(mén)控制裝置、LCD顯示裝置、報(bào)警裝置。節(jié)氣門(mén)控制裝置用來(lái)控制節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度，從而達(dá)到控制車速的目的；LCD顯示裝置用來(lái)顯示兩車的實(shí)際距離已經(jīng)相對(duì)速度；報(bào)警裝置接受ARM發(fā)送的控制信號(hào)，根據(jù)不同的情況，鳴響的時(shí)間也不同[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體流程圖

首先，通過(guò)攝像機(jī)對(duì)前方進(jìn)行拍照，然后通過(guò)DSP對(duì)圖像進(jìn)行處理和模式識(shí)別，判斷前方是汽車還是障礙物[7]。當(dāng)確認(rèn)是車輛時(shí)，利用激光測(cè)距雷達(dá)測(cè)得前車與本車之間的實(shí)際距離。最后，當(dāng)實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警并減速。系統(tǒng)的總體流程圖如圖3所示。

圖3 主流程圖

3.2 兩車間安全距離的算法

由于車輛安全距離的數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)防追尾控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以，建立一個(gè)合適的汽車防追尾安全距離模型有著重要的意義[8]。使汽車不發(fā)生追尾的條件是[9]：

式中：U表示本車速度；U表示兩車的相對(duì)速度；G表示前車減速度；G表示本車標(biāo)準(zhǔn)減速度。

激光雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)速公式如下：

3.3 模糊算法的設(shè)計(jì)

將激光測(cè)距雷達(dá)測(cè)得的兩車之間的實(shí)際距離以及相對(duì)速度(其中：代表前車的速度，代表本車的速度)作為輸入量，制動(dòng)力度作為輸出量[10-11]。當(dāng)兩車的實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，通過(guò)模糊算法使汽車分級(jí)減速，具體的模糊算法設(shè)計(jì)如下：

首先，分別對(duì)實(shí)際距離、相對(duì)速度和制動(dòng)力度進(jìn)行模糊化處理[12]：定義“實(shí)際距離R”的模糊詞集為：很近 (VC)，較近(C)，一般（M），較遠(yuǎn)(F)，很遠(yuǎn)(VF)；定義“相對(duì)速度V”的模糊詞集為：正大(PB)，正小(PS)，零(ZE)，負(fù)小(NS)，負(fù)大(NB)；定義“制動(dòng)力度U”的模糊詞集為：零(ZE)，較小(S)，適中(M)，大(B)，很大(VB)。

然后，根據(jù)兩車實(shí)際距離越近，制動(dòng)力度越大；以及相對(duì)速度越小，制動(dòng)力度也應(yīng)越大的原則，制定出具體的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 仿真及分析

本文采用Matlab對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行仿真，得出系統(tǒng)的控制過(guò)程曲面圖，如圖4所示。從圖中輸入軸R（實(shí)際距離）可以看出，本車與前車在100 m范圍內(nèi)開(kāi)始制動(dòng)，隨著相對(duì)距離越來(lái)越近，輸出軸（制動(dòng)力度）也越來(lái)越大。同樣，根據(jù)圖中輸入軸（相對(duì)速度）可以看出，當(dāng)為正時(shí)且相對(duì)距離很遠(yuǎn)汽車正常行駛；當(dāng)為負(fù)時(shí)，相對(duì)速度越大，輸出軸（制動(dòng)力度）也越來(lái)越大。

圖4 系統(tǒng)的控制過(guò)程曲面圖

5 結(jié)論

本文在安全距離數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了ARM+DSP的汽車防追尾控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用DSP進(jìn)行圖像處理與模式識(shí)別，判斷前方障礙物是否是車輛，并通過(guò)激光測(cè)距雷達(dá)測(cè)得兩車之間的實(shí)際距離。然后，利用ARM控制執(zhí)行模塊，根據(jù)模糊控制原理使汽車減速并報(bào)警。最后，通過(guò)Matlab的仿真結(jié)果，證實(shí)了系統(tǒng)的可行性，在防止汽車追尾的問(wèn)題上切實(shí)有效，具有重要的的應(yīng)用前景。

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DESIGN OF AUTOMOBILE ANTI-REAR-END COLLISION CONTROL SYSTEM BASED ON ARM AND DSP

*WANG Lei, ZHOU Li, SUN Hao

(Anhui Key Laboratory of Electric Drive and Control, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China)

In view of the serious damage brought by rear-end collision, we adopt ARM as control core, DSP as data processing core and design the automobile anti-rear-end collision control system with dual processor architecture by applying modern sensor technology and laser ranging radar technology. We introduced the principle of the system and designed the hardware structure. Furthermore, the safe distance algorithm between two cars and fuzzy algorithm are studied. Finally, the simulation results through Matlab show that the system is practical and effective in preventing rear-end collision.

ARM; DSP; laser ranging radar; fuzzy algorithm; automobile anti-rear-end collision

1674-8085(2015)01-0077-04

TP273+.4

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2015.01.015

2014-05-19；修改日期：2014-09-25

安徽省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ2008A010）

*汪 磊(1989-)，男，安徽銅陵人，碩士生，主要從事自動(dòng)控制、人工智能控制研究(E-mail:765442256@qq.com)；

周 力(1957-)，男，安徽蕪湖人，教授，碩士，主要從事自動(dòng)控制、人工智能控制研究(E-mail:zhouli5761@sina.com)；

孫 浩(1989-)，男，江蘇淮安人，碩士生，主要從事自動(dòng)控制、人工智能控制研究(E-mail:272465135@qq.com).