基于機器視覺與雷達檢測的汽車智能前照燈系統(tǒng)設(shè)計研究

宋百玲，吳德鴻，毛一鳴，鄒玉琪，常偉斌，楊潤發(fā)，于淼

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱 150040）

1 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計專家預(yù)計，到2030年道路交通事故傷害在全球疾病和傷害負擔(dān)中將排名第五位，嚴重威脅到人們的生命財產(chǎn)安全。黃偉[1]等對2013—2015年的西安市一般交通事故和重大交通事故發(fā)生時間做了統(tǒng)計，統(tǒng)計表明重大交通事故多發(fā)生在凌晨（0～6時）和夜晚（18～24時）。汽車智能前照燈系統(tǒng)是汽車主動安全的重要組成部分，當相向而行的車輛相距150m以內(nèi)時，一方主動開啟近光燈,則被動方也能自動由遠光燈切換成近光燈，會車后自動恢復(fù)遠光燈,該系統(tǒng)解決了行車中強光對雙方駕駛員的干擾，提高了夜間駕車的安全系數(shù)。該系統(tǒng)可大大減少夜間會車時因遠近光切換不當而引發(fā)的交通事故，滿足行車環(huán)境燈照不足時的行車的安全需要，有效保障人民生命財產(chǎn)安全。

2 系統(tǒng)基本組成與工作原理

本文設(shè)計的基于機器視覺與雷達檢測的汽車智能前照燈系統(tǒng)。在夜間行車時，車頭前方150m內(nèi)50m外出現(xiàn)車輛時由遠光燈自動切換成近光燈，車頭前方50m內(nèi)有汽車、行人等障礙物時蜂鳴器自動報警。該系統(tǒng)同時提供手動控制與自動控制兩種模式，駕駛員可通過自動切換控制按鈕自行選擇控制模式。

目前汽車遠近光燈自動切換的實現(xiàn)多基于激光檢測、光敏電阻及光敏二極管系統(tǒng)等綜合應(yīng)用。激光檢測系統(tǒng)考慮到道路兩旁無效障礙物的影響，具有較大的誤操作可能性。對于光敏二極管及光敏電阻的系統(tǒng)而言，其無法對反光效果較弱的電動車、自行車甚至行人進行有效判斷。本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要由相機檢測模塊、毫米波雷達檢測模塊、單片機等組成?？刂破鹘邮盏絻煞叫盘柡螅斚鄼C模塊與毫米波雷達模塊信號同時滿足程序條件時，輸出控制信號，實現(xiàn)蜂鳴器報警與遠近光燈自動轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件功能電路主要包括控制模塊、毫米波雷達傳感器模塊、相機模塊、電源供電電路、蜂鳴器報警電路、遠近光燈切換電路。該系統(tǒng)采用毫米波雷達傳感器與相機傳感器共同采集并分析前方路況信息，單片機對雷達傳感器與相機模塊傳輸來的信號按預(yù)設(shè)程序進行計算處理，將輸出信號發(fā)送給繼電器與蜂鳴器，通過繼電器實現(xiàn)遠近光燈切換，通過蜂鳴器實現(xiàn)報警，從而實現(xiàn)自動控制車輛的遠近光燈切換與蜂鳴器預(yù)警。

3.1 單片機控制模塊

該系統(tǒng)所使用的主控制模塊器件為STC89C52單片機。STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器,內(nèi)置標準MCS-51內(nèi)核，工作頻率范圍在0～40 MHz，具有通I/0口32個，中斷源8個，可編程串行UART通道，有ISP/IAP、專用編程器/仿真器，自帶8位AD轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)系統(tǒng)要求，使用C語言進行應(yīng)用程序編寫，將編譯無誤的應(yīng)用程序，通過編程器將程序?qū)懭雴纹瑱C固化。

3.2 毫米波雷達電路

本系統(tǒng)采用毫米波雷達，它是利用多普勒雷達原理設(shè)計的微波移動探測器，不受溫度、濕度、光線等影響,適合惡劣環(huán)境，抗射頻干擾能力強，輸出功率小，對人體危害小，探測距離遠，支持對非生命體的檢測，微波的方向好，速度等于光速，信息反饋速度快，目前被廣泛應(yīng)用于交通探測領(lǐng)域，在探測精度和探測距離上有著非常大的優(yōu)勢，帶有天線更容易在較小的天線體積下實現(xiàn)窄波束和高增益。

該雷達工作原理：由雷達發(fā)射機TX產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)RX傳輸給天線，天線既能發(fā)射電磁波，又能接收電磁波，發(fā)射出的電磁波碰到障礙物即反射回來，基于張雙喜[2]，陳偉民[3]等人的研究，根據(jù)反射波頻率可以得出汽車前方物體的距離與速度。再將接收到的微小信號經(jīng)過放大，經(jīng)過比較電路將信號轉(zhuǎn)換為方波信號，輸出數(shù)字信號，由P01管腳傳送進單片機處理。

3.3 相機識別模塊

本系統(tǒng)采用Open MV作為相機處理模塊，Open MV是一個低成本，功能強大的機器視覺模塊。以STM32F427CPU為核心，集成OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效地實現(xiàn)核心機器視覺算法，搭載MicroPython解釋器，使用Python編程。本文利用IIC總線串行口通信實現(xiàn)STC89C52單片機模塊與OpenMV模塊信息傳遞，與毫米波雷達共同實現(xiàn)路況信息檢測。

3.4 串行口通信電路

本文采用USB轉(zhuǎn)RS-232串行通信口進行相機模塊與STC89C52之間通信以及相機模塊與STC89C52的程序?qū)懭?，RS-232是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）1969年修訂RS-232C標準。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的物理接口標準。RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器，連接器的尺寸及每個插針的排列位置都有明確的定義。由于STC89C52單片機具有TTL電平特性，即以電平高低表示邏輯狀態(tài)，而RS-232串口是EIA電平特性，以電壓正負來表示其邏輯狀態(tài)。在此采用MAX-IM公司生產(chǎn)的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)TTL?EIA電平雙向轉(zhuǎn)換，采用CH340芯片實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口通信。

3.5 蜂鳴器報警電路

系統(tǒng)使用自激蜂鳴器實現(xiàn)聲音提醒。自激蜂鳴器由直流電壓驅(qū)動，不需要利用交流信號進行驅(qū)動，只需對單片機驅(qū)動口輸出驅(qū)動電平并通過ULN2003達林頓管作為電流放大電路。ULN2003D的1～5管腳分別與單片機的P10～P13管腳相連以及P15管腳相連，12管腳與蜂鳴器電流輸入管腳BZ相連，驅(qū)動電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，通過改變單片機引腳輸出的波形頻率可控制其音調(diào)，改變輸出電平的高低電平占空比可控制聲音大小，方便簡潔。

3.6 遠近光燈切換電路

遠近光燈切換電路工作方式，自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)可讓駕駛員自行選擇自動或手動模式，在自動變光模式失效的情況下，通過此開關(guān)仍可以實現(xiàn)人工操縱變光。在自動變光模式下，汽車開啟遠光燈，單片機根據(jù)傳感器采集的信號進行分析，若有會車、跟車現(xiàn)象或道路有較好的照明度時，單片機P00管腳輸出高電平，使三極管8550導(dǎo)通，繼電器線圈通電工作，使開關(guān)K由常閉觸點2切換到觸點3，前照燈由遠光燈自動切換為近光燈。本系統(tǒng)通過繼電器實現(xiàn)自動切換，根據(jù)單片機判斷的近光/遠光路況，P00管腳輸出相應(yīng)的高低電平控制8550三極管通斷，控制繼電器通斷電，完成切換工作。

3.7 電源模塊

考慮到直接采用汽車蓄電池供電，本系統(tǒng)采用7805芯片將汽車上的12V電壓轉(zhuǎn)化為5V的電壓并采用USB口對單片機模塊供電，對遠近光工作電路采用12V電源供電。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的汽車智能前照燈系統(tǒng)，通過毫米波雷達采集夜間行車時前方車輛以及各種障礙物的距離與速度信息，采用相機模塊，運用機器視覺對車前燈與車尾燈的檢測和跟蹤，在有跟車、會車現(xiàn)象時會由遠光燈轉(zhuǎn)換為近光燈，并在檢測到有障礙物時蜂鳴器會報警提醒駕駛員。在未來工作中，將針對視覺處理算法進行改進與優(yōu)化，實現(xiàn)更多種路況環(huán)境的適應(yīng)，并爭取實現(xiàn)大燈由遠光到近光之間的無級變化。