基于機(jī)器視覺(jué)與雷達(dá)檢測(cè)的汽車智能前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

宋百玲 吳德鴻 毛一鳴 鄒玉琪 常偉斌 楊潤(rùn)發(fā) 于淼

【摘 要】研究表明，汽車前照燈系統(tǒng)是汽車主動(dòng)安全的重要組成部分。論文設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)器視覺(jué)與毫米波雷達(dá)檢測(cè)相結(jié)合的汽車智能前照燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)夜間行車光照條件不足時(shí)對(duì)前方車輛及障礙物進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)障礙物預(yù)警與遠(yuǎn)近光燈智能切換。論文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的基本組成與工作原理，包括硬件電路設(shè)計(jì)與軟件程序設(shè)計(jì)。該智能前照燈系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確、可靠性高，較好地保障了夜間光照不足時(shí)的行車安全。

【關(guān)鍵詞】智能前照燈; 機(jī)器視覺(jué); 毫米波雷達(dá);遠(yuǎn)近光燈切換;障礙物預(yù)警

【Keywords】 intelligent headlamp; machine vision; millimeter wave radar; switching of far and near lights; obstacle warning

【中圖分類號(hào)】U46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）01-0152-02

1 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)專家預(yù)計(jì)，到2030年道路交通事故傷害在全球疾病和傷害負(fù)擔(dān)中將排名第五位，嚴(yán)重威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。黃偉[1]等對(duì) 2013—2015 年的西安市一般交通事故和重大交通事故發(fā)生時(shí)間做了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)表明重大交通事故多發(fā)生在凌晨（0 ～6 時(shí)）和夜晚（18 ～24 時(shí)）。汽車智能前照燈系統(tǒng)是汽車主動(dòng)安全的重要組成部分，當(dāng)相向而行的車輛相距150m以內(nèi)時(shí)，一方主動(dòng)開(kāi)啟近光燈，則被動(dòng)方也能自動(dòng)由遠(yuǎn)光燈切換成近光燈，會(huì)車后自動(dòng)恢復(fù)遠(yuǎn)光燈，該系統(tǒng)解決了行車中強(qiáng)光對(duì)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(huì)車時(shí)因遠(yuǎn)近光切換不當(dāng)而引發(fā)的交通事故，滿足行車環(huán)境燈照不足時(shí)的行車的安全需要，有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2系統(tǒng)基本組成與工作原理

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺(jué)與雷達(dá)檢測(cè)的汽車智能前照燈系統(tǒng)。在夜間行車時(shí)，車頭前方150m內(nèi)50m外出現(xiàn)車輛時(shí)由遠(yuǎn)光燈自動(dòng)切換成近光燈，車頭前方50m內(nèi)有汽車、行人等障礙物時(shí)蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警。該系統(tǒng)同時(shí)提供手動(dòng)控制與自動(dòng)控制兩種模式，駕駛員可通過(guò)自動(dòng)切換控制按鈕自行選擇控制模式。

目前汽車遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換的實(shí)現(xiàn)多基于激光檢測(cè)、光敏電阻及光敏二極管系統(tǒng)等綜合應(yīng)用。激光檢測(cè)系統(tǒng)考慮到道路兩旁無(wú)效障礙物的影響，具有較大的誤操作可能性。對(duì)于光敏二極管及光敏電阻的系統(tǒng)而言，其無(wú)法對(duì)反光效果較弱的電動(dòng)車、自行車甚至行人進(jìn)行有效判斷。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由相機(jī)檢測(cè)模塊、毫米波雷達(dá)檢測(cè)模塊、單片機(jī)等組成?？刂破鹘邮盏絻煞叫盘?hào)后，當(dāng)相機(jī)模塊與毫米波雷達(dá)模塊信號(hào)同時(shí)滿足程序條件時(shí)，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警與遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件功能電路主要包括控制模塊、毫米波雷達(dá)傳感器模塊、相機(jī)模塊、電源供電電路、蜂鳴器報(bào)警電路、遠(yuǎn)近光燈切換電路。該系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)傳感器與相機(jī)傳感器共同采集并分析前方路況信息，單片機(jī)對(duì)雷達(dá)傳感器與相機(jī)模塊傳輸來(lái)的信號(hào)按預(yù)設(shè)程序進(jìn)行計(jì)算處理，將輸出信號(hào)發(fā)送給繼電器與蜂鳴器，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光燈切換，通過(guò)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制車輛的遠(yuǎn)近光燈切換與蜂鳴器預(yù)警。

3.1 單片機(jī)控制模塊

該系統(tǒng)所使用的主控制模塊器件為STC89C52單片機(jī)。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(chǔ)器，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)MCS-51內(nèi)核，工作頻率范圍在0～40 MHz，具有通I/0口32個(gè)，中斷源8個(gè)，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(yǔ)言進(jìn)行應(yīng)用程序編寫，將編譯無(wú)誤的應(yīng)用程序，通過(guò)編程器將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)固化。

3.2 毫米波雷達(dá)電路

本系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)，它是利用多普勒雷達(dá)原理設(shè)計(jì)的微波移動(dòng)探測(cè)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(qiáng)，輸出功率小，對(duì)人體危害小，探測(cè)距離遠(yuǎn)，支持對(duì)非生命體的檢測(cè)，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(cè)領(lǐng)域，在探測(cè)精度和探測(cè)距離上有著非常大的優(yōu)勢(shì)，帶有天線更容易在較小的天線體積下實(shí)現(xiàn)窄波束和高增益。

該雷達(dá)工作原理：由雷達(dá)發(fā)射機(jī)TX產(chǎn)生的電磁波，經(jīng)收發(fā)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(lái)，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(hào)經(jīng)過(guò)放大，經(jīng)過(guò)比較電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，輸出數(shù)字信號(hào)，由P01管腳傳送進(jìn)單片機(jī)處理。

3.3 相機(jī)識(shí)別模塊

本系統(tǒng)采用Open MV作為相機(jī)處理模塊，Open MV是一個(gè)低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)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(yǔ)言高效地實(shí)現(xiàn)核心機(jī)器視覺(jué)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(shí)現(xiàn) STC89C52單片機(jī)模塊與OpenMV模塊信息傳遞，與毫米波雷達(dá)共同實(shí)現(xiàn)路況信息檢測(cè)。

3.4 串行口通信電路

本文采用USB轉(zhuǎn)RS-232串行通信口進(jìn)行相機(jī)模塊與STC89C52之間通信以及相機(jī)模塊與STC89C52的程序?qū)懭?，RS-232是EIA（美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)）1969年修訂RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器，連接器的尺寸及每個(gè)插針的排列位置都有明確的定義。 由于 STC89C52 單片機(jī)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(fù)來(lái)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(shí)現(xiàn) TTL？EIA 電平雙向轉(zhuǎn)換，采用CH340芯片實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口通信。

3.5 蜂鳴器報(bào)警電路

系統(tǒng)使用自激蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲音提醒。自激蜂鳴器由直流電壓驅(qū)動(dòng)，不需要利用交流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只需對(duì)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)口輸出驅(qū)動(dòng)電平并通過(guò)ULN2003達(dá)林頓管作為電流放大電路。ULN2003D的1～5管腳分別與單片機(jī)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(dòng)電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，通過(guò)改變單片機(jī)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(jiǎn)潔。

3.6 遠(yuǎn)近光燈切換電路

遠(yuǎn)近光燈切換電路工作方式，自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可讓駕駛員自行選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式，在自動(dòng)變光模式失效的情況下，通過(guò)此開(kāi)關(guān)仍可以實(shí)現(xiàn)人工操縱變光。在自動(dòng)變光模式下，汽車開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈，單片機(jī)根據(jù)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行分析，若有會(huì)車、跟車現(xiàn)象或道路有較好的照明度時(shí)，單片機(jī)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(kāi)關(guān)K由常閉觸點(diǎn)2切換到觸點(diǎn)3，前照燈由遠(yuǎn)光燈自動(dòng)切換為近光燈。本系統(tǒng)通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，根據(jù)單片機(jī)判斷的近光/遠(yuǎn)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(duì)單片機(jī)模塊供電，對(duì)遠(yuǎn)近光工作電路采用12V電源供電。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的汽車智能前照燈系統(tǒng)，通過(guò)毫米波雷達(dá)采集夜間行車時(shí)前方車輛以及各種障礙物的距離與速度信息，采用相機(jī)模塊，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)對(duì)車前燈與車尾燈的檢測(cè)和跟蹤，在有跟車、會(huì)車現(xiàn)象時(shí)會(huì)由遠(yuǎn)光燈轉(zhuǎn)換為近光燈，并在檢測(cè)到有障礙物時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警提醒駕駛員。在未來(lái)工作中，將針對(duì)視覺(jué)處理算法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更多種路況環(huán)境的適應(yīng)，并爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)大燈由遠(yuǎn)光到近光之間的無(wú)級(jí)變化。

【參考文獻(xiàn)】

【1】黃偉.西安市道路交通事故致因因素及對(duì)策研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2017.

【2】陳偉民，李存龍.基于微波雷達(dá)的位移/距離測(cè)量技術(shù)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29（09）：1251-1265.

【3】閆蘇琪. 基于sCMOS的高動(dòng)態(tài)范圍圖像合成技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所），2018.