霧天高速公路輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳鵬 閔永軍 程志國 朱慶華 潘義勇

摘 要：針對目前國內(nèi)霧天高速公路管理措施過于簡化、消極的問題，設(shè)計一種以自編隊(duì)行駛方案為基礎(chǔ)，以多信道通信技術(shù)為核心的嵌入式移動無線節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103為主控芯片，將由GPS報文解析得到的本車位置和速度等信息通過SI4463射頻模塊傳送給相鄰車輛，以提高駕駛員對周圍車輛運(yùn)行狀態(tài)和位置的感知能力。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確，能夠提高霧天高速公路的安全性能和通行能力，達(dá)到交通管理部門“少封路、少降速”的要求。

關(guān)鍵詞：霧天;高速公路;自編隊(duì)行駛方案;多信道通信;輔助駕駛系統(tǒng)

中圖分類號：U495文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2018）06-0055-07

Design and Implementation of an Assisted Driving System for Foggy Expressway

CHEN Peng，MIN Yongjun*，CHENG Zhiguo，ZHU Qinghua，PAN Yiyong

（College of Automobile and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract： Regarding the problem of oversimplified and negative management measures of china，s freeway in fog， an embedded mobile node system based on the self-teaming driving programs and multi-channel communication technology is designed， which is wireless. With STM32F103 as the main control chip， the system transmits the information such as the position and speed of the vehicle， which is analyzed by the GPS message， to the adjacent vehicles through the SI4463 RF module， so as to enhance the driver，s ability to sense the running status and position of the surrounding vehicles. The test results show that the system has been stable in operation， sent and received data accurately， and can not only improve the safety performance and traffic capacity of the freeway under the foggy weather， but also meet the requirements of the traffic management department for

''less sealing and less speed reduction''.

Keywords： Foggy weather; freeway; self-teaming driving program; multi-channel communication; assisted driving system

0 引言

霧天環(huán)境下的安全行車問題已經(jīng)成為制約高速公路帶來經(jīng)濟(jì)效益的瓶頸[1-3]。目前對于濃霧天氣，管理部門主要采取封閉高速公路的措施來保障安全，但實(shí)際上只是將事故轉(zhuǎn)移到了其它道路[4]。因此，開發(fā)一種能夠引導(dǎo)駕駛員在高速公路霧天環(huán)境下安全行駛的輔助駕駛系統(tǒng)具有重要的意義。

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，超聲波、紅外線、激光、毫米波雷達(dá)和機(jī)器視覺等技術(shù)開始用于探測車輛周圍的行駛環(huán)境，并給駕駛員提供相應(yīng)的預(yù)警信息，但由于技術(shù)自身的限制，很難在霧天環(huán)境下獲得良好的效果[5-6]。

智能交通系統(tǒng)（ITS）為解決霧天高速公路安全行車的問題提供了新的技術(shù)手段。卜祥元等[7]提出利用無線射頻天線周期性的收發(fā)GPS模塊獲取的位置信息，以信息交互的方式推算與鄰車的位置關(guān)系從而提高霧天駕駛員對周圍車輛的感知能力。邢剛等[8]利用通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GPRS）將GPS接收的位置信息在車輛間相互轉(zhuǎn)發(fā)，并通過設(shè)置無線數(shù)據(jù)中狀態(tài)位來辨別行駛方向。文獻(xiàn)[7-8]采用車車通信（V2V）的相關(guān)技術(shù)能夠避免障礙物和反向行駛車輛的干擾，但由于現(xiàn)在通用GPS定位精度達(dá)不到車道級定位要求[9]，同向相鄰車道車輛與本車不在同一個車道，對本身并無威脅，系統(tǒng)卻因無法判別兩車所行車道，預(yù)警距離內(nèi)就會產(chǎn)生誤報，導(dǎo)致不能充分地利用高速公路資源。

本文主要針對上述不能區(qū)分同向車道的問題，參考交通學(xué)跟馳理論，制定自編隊(duì)行駛方案，并基于多信道通信技術(shù)開發(fā)了一套輔助駕駛系統(tǒng)。系統(tǒng)按車道劃分不同的無線通信中心頻率，同車道各車隊(duì)采用中心頻率附近的不同信道進(jìn)行車隊(duì)內(nèi)部通信，可避免由于定位精度不足產(chǎn)生不能區(qū)分同向車道的現(xiàn)象，保證車輛在霧天高速公路環(huán)境下安全高效的行駛。通過相關(guān)試驗(yàn)測試表明，系統(tǒng)基本能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)的總體方案

自編隊(duì)行駛方案要求進(jìn)入高速公路的車輛以編隊(duì)行駛的方式通過霧區(qū)。每個車道上行駛的若干個由領(lǐng)頭車、中間車輛和尾車組成的子車隊(duì)統(tǒng)稱為主線車隊(duì)。主線車隊(duì)之間采用不同的中心頻率通信，其內(nèi)部各子車隊(duì)采用該中心頻率附近的信道通信，確保每個子車隊(duì)擁有獨(dú)立的通信信道[10]。

系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，車輛在進(jìn)入高速公路前，由交通管理部門人員進(jìn)行編隊(duì)并發(fā)放駕駛輔助系統(tǒng)，告知駕駛員開啟系統(tǒng)并按提示信息輸入起始信息。起始信息包括通信信道的頻率值和車輛所處車隊(duì)內(nèi)位置等信息，即領(lǐng)頭車、中間車輛或者尾車的位置信息。信息設(shè)定結(jié)束后，由領(lǐng)頭車的系統(tǒng)直接向其它車輛發(fā)送位置請求信息，其它車輛的系統(tǒng)采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA） 的方式向領(lǐng)頭車的系統(tǒng)發(fā)送自車的位置信息[11]。隨后領(lǐng)頭車的系統(tǒng)按距離的遠(yuǎn)近向子車隊(duì)內(nèi)其它車輛的系統(tǒng)分配逐漸增大的獨(dú)立的ID號和通信時隙[12]。最后系統(tǒng)在完成按通信時隙與后方車輛的系統(tǒng)握手通信（RTS/CTS信號）后才開始真正的數(shù)據(jù)傳遞[13]。上述操作完成后，子車隊(duì)方可駛?cè)敫咚俟贰?/p>

子車隊(duì)在行駛過程中，車輛不斷的接收并解析GPS報文，并在自車的通信時隙內(nèi)將最新的行駛信息發(fā)送給后方的車輛;在自車通信時隙的上一個時隙，接收來自前車的行駛信息。領(lǐng)頭車和尾車由于處在特殊的位置，會在空閑的時隙內(nèi)開啟信道檢測功能，與其它車隊(duì)的領(lǐng)頭車和尾車建立起通信[14]。車載系統(tǒng)在獲得前方車輛行駛信息的情況下，結(jié)合自車的行駛信息進(jìn)行計算，并給駕駛員發(fā)出行車提示或警告，控制前后兩車保持安全的車距，以保證霧天高速公路環(huán)境下的行車安全。

本嵌入式移動無線節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要由主控模塊、無線射頻模塊、GPS模塊、人機(jī)交互模塊和報警模塊等組成。主控模塊通過UART接口與GPS模塊通信，通過I/O口和SPI接口與其它模塊通信，在主控模塊的管理下，無線射頻模塊負(fù)責(zé)在車輛間建立起通信聯(lián)系、完成獨(dú)立ID號的分配和行駛信息的共享，GPS模塊負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供時間、位置和速度信息，人機(jī)交互模塊接收駕駛員提供的起始信息，并通過報警模塊發(fā)出提示或警告信息引導(dǎo)駕駛員安全行駛。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 ARM MCU的選擇

本文主控模塊選用的MCU是意法半導(dǎo)體（ST）公司基于Cortex-M3內(nèi)核生產(chǎn)的STM32F103ZET6芯片，其采用ARM Cortex-M3內(nèi)核用于要求功耗低、性能高、成本低的場合。STM32F103ZET6內(nèi)部集成了豐富的片上資源，簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾能量，因此處理的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和精確[15]。

2.2 SI4463射頻模塊電路的設(shè)計

SI4463是一款具有發(fā)送器、接收器和收發(fā)器的高度集成單片無線ISM芯片。通信距離可達(dá)2 500 m，可提供433、868、915 MHz 3個中心頻率各50個信道的大范圍頻率信號，同時兼容空閑信道評估與檢測（CCA）和自動頻率控制（AFC）等功能，相鄰信道射頻互調(diào)抗拒比可達(dá)60 dB，能夠滿足自編隊(duì)通信的需求，其中無線射頻模塊電路圖如圖2所示。

SI4463芯片的GPIO0 ～ 3引腳與MCU的SPI接口相連，用以接收主芯片的控制指令。其中，SCLK、SDI引腳分別為串行時鐘和數(shù)據(jù)輸入，SDO是數(shù)字輸出引腳，NSEL引腳為系統(tǒng)提供選擇、使能功能，NIRQ是中斷輸出引腳。RX和TX引腳分別為信號的輸入和輸出端，左上角UPG2214TP芯片作為Si4463芯片的專用天線使用。

為保證無線信號收發(fā)的穩(wěn)定性，電路圖下方電容C12、C13、C14和C15與電源并聯(lián)，濾除雜波脈沖提供穩(wěn)定的電壓輸入。左邊專用天線收發(fā)端以電容C6 、C7、C4和電感L3組成低通濾波電路，避免低頻信號的干擾。上方C1、L1、L2等為輸入阻抗匹配電路，左下方C10、L5、L6等為輸出阻抗匹配電路。

2.3 GPS模塊的選擇

系統(tǒng)要求GPS模塊擁有足夠的刷新速率，以便及時更新車輛的行駛信息。基于上述考慮，本文選用瑞士U-blox公司以U-BLOX NEO-6M芯片為基礎(chǔ)開發(fā)的ATK-NEO-6M高性能GPS定位模塊，該模塊自帶MAXIM 20.5dB高增益LNA芯片和陶瓷天線，信號穩(wěn)定且搜星能力強(qiáng)。該模塊各參數(shù)見表1。

ATK-NEO-6M GPS模塊兼容5V/3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，與本系統(tǒng)MCU的通信通過UART（串口）來實(shí)現(xiàn)，輸出的定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議，控制協(xié)議為UBX協(xié)議，5Hz的刷新速率足以滿足通信的需求。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用C語言在Keil軟件平臺上完成軟件設(shè)計的部分編譯和調(diào)試，包含主程序設(shè)計、SI4463無線射頻模塊初始化、GPS報文接收模塊初始化、按鍵掃描程序設(shè)計和行車預(yù)警模塊程序設(shè)計等，下面主要介紹主程序MCU、SI4463無線射頻模塊和行車預(yù)警模塊，其它僅作簡要說明。

3.1 主程序MCU軟件設(shè)計

系統(tǒng)復(fù)位后主程序首先完成程序的初始化：初始化STM32，配置SPI、SI4463以及GPS配置的初始化。接著按鍵掃描模塊檢測駕駛員輸入的起始信息，并由領(lǐng)頭車分配獨(dú)立的ID號和通信時隙，執(zhí)行握手通信。當(dāng)握手通信成功后，主程序開始循環(huán)執(zhí)行行車預(yù)警模塊的程序，具體的流程如圖3所示。

3.2 SI4463無線射頻模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)無線通信模塊初始化函數(shù)為：

void SI4463_Init（void）

{ SI4463_IOSET（void）;

SI446X_RESET（void）;

SI446X_CONFIG_INIT（void）;}

其中void SI4463_IOSET（void）是SI4463模塊的IO口（不包括SPI口）配置，具體配置SI4463芯片的不同功能。void SI446X_RESET（void）為無線傳輸模塊復(fù)位子程序。SI446X_CONFIG_INIT（void）為硬件的配置，包括傳輸數(shù)據(jù)包配置和參數(shù)配置，具體設(shè)置發(fā)射功率為+20 dBm，調(diào)制方式是FSK，傳輸方式為FIFO模式，有效數(shù)據(jù)包的載荷為64個字節(jié)等。

3.3 行車預(yù)警模塊軟件設(shè)計

圖4為預(yù)警模塊的工作流程是主程序的一個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)先調(diào)取自車與前車最新的行駛信息并進(jìn)行判斷，當(dāng)實(shí)際車距與理論車距偏差較大時，會提示駕駛?cè)藛T執(zhí)行加速或減速操作，以避免發(fā)生車輛碰撞或掉隊(duì)的現(xiàn)象。

考慮到高速公路霧天行車環(huán)境的復(fù)雜性，本文以最小安全距離作為理論的行車間距。從駕駛員意識到前方發(fā)生突發(fā)狀況，到經(jīng)過一定的反應(yīng)時間開始制動直到車輛停止并正好不與前方車輛產(chǎn)生碰撞的距離為最小安全距離[16]。圖5是同車道行駛車輛不發(fā)生碰撞時的安全距離示意圖，本系統(tǒng)為了確保行車的安全性，只考慮Vb0≥Va0和Sa = 0這兩種極端情況。

經(jīng)運(yùn)動學(xué)分析和綜合考慮實(shí)際行駛工況[17]，車輛B要避免追尾車輛A，需要滿足以下條件：

式中：L為B車制動開始時A、B兩車的實(shí)際距離，單位為m;Sb1為在駕駛員反應(yīng)階段（tr1）、制動器協(xié)調(diào)階段（tr2）和減速度增長時間（ti）車輛B行駛的距離，Sb2為持續(xù)制動階段車輛B行駛的距離;tr = tr1+ tr2，取tr = 1.5 s，ti = 0.1 ～ 0.2 s;同時考慮到霧天環(huán)境下道路附著系數(shù)降低，可取最大制動減速度amax = 5 m/s2。另外，考慮到GPS的精度誤差、刷新的速率和車身長度等因素，取縱向預(yù)留間隙Dsafe為30 m。

由公式（3）可知，B車行駛的距離主要取決于B車采取制動時的初速度，系統(tǒng)通過GPS模塊測得自車的速度并進(jìn)行理論距離的計算，從而實(shí)現(xiàn)速度預(yù)警的控制策略。

4 系統(tǒng)性能測試及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本輔助系統(tǒng)的可行性，同時考慮到霧天環(huán)境對GPS報文和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)并無任何的影響，所以選擇某段流量稀少的雙車道道路進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。GPS接收設(shè)備和輔助駕駛系統(tǒng)安放在車內(nèi)，GPS接收天線放置在車頂。

經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行，不同信道移動無線節(jié)點(diǎn)之間無明顯干擾，同信道移動無線節(jié)點(diǎn)在車輛組隊(duì)行駛中能維持良好的通信，響應(yīng)時間在0.27 s內(nèi)，可滿足車輛間信息通信的需求。GPS信號穩(wěn)定，經(jīng)緯度、速度和時間等數(shù)據(jù)均能準(zhǔn)確接收和存儲。其中同頻通信的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析見表2。

通信測試表明：當(dāng)測試采用相同的通信距離時，高頻通信的丟包率和誤包率通常要高于低頻通信，而且在通信距離增加時，進(jìn)行高頻通信的丟包和誤包概率也隨之增加。盡管在200 m的測試距離內(nèi)丟包和誤包的概率在容錯范圍內(nèi)，但為了保證系統(tǒng)足夠的安全，無線射頻模塊在使用不同頻率進(jìn)行通信時應(yīng)盡量避免采用高頻進(jìn)行通信。

5 結(jié)束語

本文以自編隊(duì)行駛方案為基礎(chǔ)，結(jié)合多信道通信技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個高速公路霧天行車輔助駕駛系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好的解決霧天高速公路環(huán)境下由于GPS定位精度不足產(chǎn)生的誤報問題，同時也為智能網(wǎng)聯(lián)汽車和環(huán)境感知技術(shù)等方面的研究提供了參考。

雖然系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了基本功能，還具有良好的穩(wěn)定性，但在細(xì)節(jié)方面尚有改進(jìn)的余地。尤其是在理論車距的計算方面，只是著重的從安全性能的方面做出考慮，未來將進(jìn)一步結(jié)合高速公路的通行效率進(jìn)行研究。

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