安全帶提醒裝置的研究與改進

黃海韻 杜雨桐 雷震男

摘 ? ?要：本裝置利用圖像識別、顏色識別技術(shù)檢測乘員是否佩戴安全帶，并通過限制油門深度，限制車速的方式對司機進行提醒，消除了傳統(tǒng)安全帶提醒裝置防欺騙能力弱，提醒方式有效性、強制性不足的問題，限制車速的提醒方式更可以主動避免危險發(fā)生。不僅可以在私家車上應用此裝置保障安全，還可以應用于公交車、出租車、網(wǎng)約車等職業(yè)領(lǐng)域，更有效地監(jiān)督、提醒司機及乘客佩戴安全帶，保障安全運營。

關(guān)鍵詞：圖像識別;顏色識別;安全帶提醒裝置;交通安全

中圖分類號：U463.99 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0214-03

引 言

安全帶插口處的開關(guān)檢測安全帶是否插入，座椅下的壓力傳感器檢測是否有人坐在座椅上。當安全帶未插入并有人在座椅上時警報開啟。當系統(tǒng)檢測到乘員未系安全帶時提示音響起，一般還會結(jié)合車速提醒，當車速未達到預設(shè)車速時即使未系安全帶也不會有提示音響起，提示音常與警示燈配合工作。但部分車型的提示音在響了一段時間后會自動消失。

1 ?安全帶提醒裝置的研究目的分析

在了解相關(guān)背景和現(xiàn)狀后，我們認為我們的改進應主要向兩個方面進行：①采用充分條件作為系統(tǒng)判斷乘員是否佩戴安全帶的依據(jù)，經(jīng)過分析論證，我們認為最佳方案是檢測安全帶是否繞過乘員身體前方;②采用更有效的提醒方式，并在提醒未被注意到時系統(tǒng)能主動采取措施避免危險而不依賴乘員自身行為?？傮w方案包括兩部分：①通過圖像識別檢測安全帶是否繞過身體前方，比傳統(tǒng)檢測方式更準確可靠，提高裝置防欺騙能力;②通過限制油門深度，同時限制車速的方式提醒，提高提醒的有效性、強制性，若未系安全帶，即使提醒被忽視，車速也將被限定在安全范圍內(nèi)，能主動保護乘員安全。

2 ?安全帶提醒裝置描述

裝置分為兩大板塊：①檢測板塊，主要是電子結(jié)構(gòu);②提醒板塊，主要是機械結(jié)構(gòu)。檢測板塊負責檢測乘員是否佩戴安全帶;提醒部分負責限制油門深度，提醒司機佩戴安全帶。檢測板塊通過主控板控制提醒板塊。

2.1 ?主控板概述

我們使用的是DFROBOT上購買的ROMEOBLE控制器，屬于arduino開源硬件。

因為我們在電路板制作和程序開發(fā)方面的知識水平十分有限，基礎(chǔ)薄弱。由于時間、條件均有限，無法在課題研究期間對相關(guān)知識進行系統(tǒng)性學習，而arduinoIDE基于processingIDE開發(fā)，對初學者來說極易掌握，同時有足夠靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)。所以我們選擇了較為基礎(chǔ)，適合學生使用的開源硬件ROMEOBLE控制器。

控制器就像一個微型電腦，向控制器上上傳一個程序，控制器就能以此對輸入的數(shù)據(jù)進行分析處理并輸出相應數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)傳感器對其他電子元件的控制。

我們在檢測板塊第一階段中，利用紅外線傳感器向控制器輸入信號，控制器根據(jù)信號判斷乘員是否佩戴安全帶并向舵機發(fā)出相應動作指令;在檢測板塊第二階段中，我們用pixy攝像頭向控制器輸入信號，控制器根據(jù)信號判斷乘員是否佩戴安全帶并向舵機發(fā)出相應動作指令。在檢測板塊第一階段，紅外線傳感器使用模擬輸入管腳A0輸入信號，控制器通過數(shù)字口9號向舵機發(fā)出信號。在檢測板塊第二階段，攝像頭通過ICSP下載程序接口與控制器通信，控制器通過數(shù)字口9號向舵機發(fā)出信號。

2.2 ?紅外線傳感器檢測方案

總體設(shè)計思路：紅外線傳感器檢測方案原理圖，接收到紅外線信號判斷為已佩戴安全帶，未接收到紅外線信號判斷為未佩戴安全帶。

2.2.1 ?紅外線傳感器概述

紅外線傳感器由紅外線發(fā)射管、紅外線接收管、比較器電路、指示燈、VCC、GND、D0管腳組成。發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理后，綠色指示燈亮起，同時信號輸出接口（D0）輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），若接收管未接收到紅外線，則輸出高電平信號。

2.2.2 ?程序設(shè)計

使用的編程軟件mixly（米思齊）：

Mixly采用了Blockly圖形化編程引擎，使用圖形化的積木塊代替了復雜的文本操作，適合初學者的使用和學習。Mixly在功能的設(shè)計上力求和ArduinoIDE的文本編程保持一致，目前最新發(fā)布的Mixly0.96版已經(jīng)實現(xiàn)了Arduino的所有官方功能（包括中斷處理），并加入了大量的第三方擴展庫功能，如紅外遙控、超聲波等，可以保證課程開設(shè)和各類創(chuàng)客比賽的雙重需求。Mixly在設(shè)計上考慮了絕對的普適性：①對Arduino官方支持的所有開發(fā)板，Mixly都提供了完美的支持：Mixly會根據(jù)開發(fā)板的類型自動改變模塊中的管腳號、中斷號、模擬輸出管腳等;②對Arduino支持的第三方開發(fā)板，用戶只要把相應開發(fā)板的定義復制到Mixly中，依然可以得到支持。如國內(nèi)大量的ESP8266開發(fā)板、各類用戶修改后的開發(fā)板等，從而保證了用戶在開發(fā)板選擇上的最大自由度。

2.2.3 ?實驗與測試

首先要確定反光條的位置，反光條的位置需要滿足以下條件：①能保證隨安全帶一起抽出，在乘員身體前方當安全帶未按正確方式使用時（例如繞在乘員身后）無法反射紅外線信號;②當安全帶正常使用時反光條不會被乘員正常身體活動遮擋安全帶在此處的扭轉(zhuǎn)角度較小，測試時不同區(qū)域安全帶在下列常見情況下被遮擋的情況，將遮擋時間除以總時間作為該區(qū)域在做某事的情況下被遮擋的概率，使用手機加權(quán)0.4，吃東西加權(quán)0.15，睡覺加權(quán)0.4，看報紙加權(quán)0.05，粗略估算出乘客的安全帶不同區(qū)域被遮擋的概率;方向盤從最左到最右加權(quán)0.1，不遮擋加權(quán)0.9，粗略估算出司機安全帶不同區(qū)域被遮擋概率：

根據(jù)以上條件，并結(jié)合生活經(jīng)驗和實際檢驗，我們初步確定將反光條設(shè)置在安全帶正常使用時經(jīng)過人鎖骨處的一段。若正確使用安全帶，安全帶在該區(qū)域會拉的比較平整，而且在一般情況下該區(qū)域很少被遮擋。確定紅外線傳感器的位置，若將反光條設(shè)置在此處，紅外線傳感器固定位置應滿足的條件，紅外線信號不能被雜物遮擋，與反光條的距離不能過遠，與反光條的連線大致垂直于反光條平面，根據(jù)以上條件，傳感器的位置可以設(shè)置在A柱上或是擋風玻璃與車頂交界處，二者與反光條的距離均在40cm左右。

測試驗證系統(tǒng)是否能滿足以上條件并正常運行實驗結(jié)果：

反光條對紅外線的反射能力顯著高于其他物體表面，檢測距離與允許的偏轉(zhuǎn)角度均能滿足要求?？梢岳梅垂鈼l與其他材質(zhì)反射能力的差異讓系統(tǒng)從其他物體中區(qū)分出安全帶而不會與其他物體混淆。主要存在以下問題：①安全帶寬度不大，紅外線傳感器與反光條之間不易對準容易造成誤判。②反光條易于復制，不能排除乘員使用其他反光條代替安全帶上的反光條欺騙系統(tǒng)的情況，防欺騙能力達不到預期。③紅外線傳感器易被陽光干擾。

2.3 ?圖像識別/顏色識別檢測方案（第二階段）

2.3.1 ?1pixy攝像頭概述

Pixy是一個開源的圖像識別傳感器，支持多物體，多色彩的顏色識別，最高支持7種顏色。你可以告訴它你想要的顏色，教它找東西。Pixy支持多種通信方式，如SPI，I2C等，可以直插在Arduino控制板上面。它搭載的圖像傳感器配合強大的硬件，可以配合PC跟蹤、分析多色的數(shù)據(jù)。Pixy是由Charmed實驗室聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學共同推出的一款圖像傳感器。其強大的處理器上搭載著一個圖像傳感器，它會選擇性的處理有用的信息，因為它采用以顏色為中心的辦法——使該產(chǎn)品只是將特定顏色的物體的視覺數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺數(shù)據(jù)以進行圖像處理。所以你的Arduino板或其它微控制器很容易跟它交流，并滕出許多CPU來執(zhí)行其他事件。利用該攝像頭，我們先教它一段特定的顏色組合，再將該顏色組合印在安全帶上，這樣，顏色組合相當于一段密碼，可以增強系統(tǒng)防欺騙能力，攝像頭自帶的圖像跟蹤功能還解決了了安全帶在使用過程中移動而造成誤判的問題。該攝像頭與arduino兼容，便于程序設(shè)計。

2.3.2 ?程序設(shè)計

依據(jù)之前對攝像頭的學習，我們進行了初步的程序流程圖設(shè)計，查找示例程序，因為我們都是arduino初學者，對編程的很多方面還未能有深入了解，運用也遠未達到熟練，而該攝像頭的部分代碼米思齊無法滿足，所以我們采取“逆向開發(fā)”的策略，因為arduino是開源電子原型平臺，網(wǎng)上有豐富的資源可以利用，所以我們先找到了一段和我們類似的程序，再進行部分改編，避免了很多初學者可能面臨的困難，減少了一些不必要的麻煩，降低了工作量。

以下代碼來源于：吳家豪robot.有趣的CMUcam5_Pixy機器人[OL]. [2014-7-25].https：//www.arduino.cn/thread-6582-1-1.html

#include

#include ? ? ? ? ?//Pixy庫函數(shù)

#include

Pixy pixy;

Servo myservo_1; ? ? ? ? ? //定義舵機

Servo myservo_2;

Servo myservo_3;

int upsize=50;

int downsize=150;

int center=90;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

Serial.print（"Starting...＼n"）;

myservo_1.attach（9）; ? ? ? //定義舵機的引腳

myservo_2.attach（8）;

myservo_1.write（90）;

myservo_2.write（90）;

myservo_3.attach（7）;

myservo_3.write（center）;

pixy.init（）;

}

void advance（） ? ? ? ?//前進

{

myservo_1.write（0）;

myservo_2.write（180）;

}

void back（） ? ? ? ? ? //后退

{

myservo_1.write（160）;

myservo_2.write（20）;

}

void left（） ? ? ? ? ? ?//左轉(zhuǎn)

{

myservo_1.write（0）;

myservo_2.write（90）;

}

void right（） ? ? ? ? ? //右轉(zhuǎn)

{

myservo_1.write（90）;

myservo_2.write（180）;

}

void Stop（） ? ? ? ? ? ?//停止

{

myservo_1.write（90）;

myservo_2.write（90）;

}

void loop（）

{

static int i =0;

int j;

uint16_tblocks;

char buf[32];

blocks =pixy.getBlocks（）; ? ?//讀取數(shù)值

Serial.print（pixy.blocks[0].width）;

Serial.print（" "）;

Serial.print（pixy.blocks[0].height）;

Serial.print（" "）;

Serial.print（pixy.blocks[0].x）;

Serial.print（" "）;

Serial.println（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].height）;

//通過物塊面積追蹤

if（blocks）

{

if（pixy.blocks[0].x<200&&pixy.blocks[0].x>100）

{

if（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].height<55000）

advance（）;

elseif（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].height>55000）

back（）;

}

if（pixy.blocks[0].x>200）

{

right（）;

}

if（pixy.blocks[0].x<100）

{

left（）;

}

if（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].height>500）

{

if （pixy.blocks[0].y < 90 &¢er> upsize）

{

center-=2;

delay（2）;

}

if（pixy.blocks[0].y>120 && center

{

center+= 2;

delay（2）;

}

}

}

myservo_3.write（center）;

}

以上代碼實現(xiàn)的功能為通過物塊面積追蹤控制多個舵機，我們需要將其改編為通過檢測物塊有無控制單個舵機。

程序改編與簡單說明

#include

#include ? //庫函數(shù)

#include

Pixy pixy;

Servo myservo_1;

int upsize=50; ? ? ?//定義舵機

int downsize=150;

int center=90;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

Serial.print（"Starting...＼n"）; ? ? ?//定義舵機引腳

myservo_1.attach（9）;

myservo_1.write（45）;

}

void loop（）

{

static int i = 0;

int j; ? ? ? //讀取數(shù)值

uint16_t blocks;

char buf[32];

blocks = pixy.getBlocks（）;

Serial.print（blocks）; ? ? ?//串行打印

if（blocks）

{

myservo_1.write（45）; ? ?//當識別到物體時舵機轉(zhuǎn)動45°，否則轉(zhuǎn)動60°

delay（20）;

}

else

{

myservo_1.write（60）;

delay（20）;

}

}

2.3.3實驗測試

與紅外線傳感器相比，該攝像頭檢測能力有了大幅度提升，檢測范圍范圍更廣，準確率更高，解決了紅外線傳感器方案檢測范圍狹窄，失誤率高的問題;每秒50幀的傳輸速率以及自帶的圖像跟蹤功能更適合于追蹤位置、角度會不斷變化的安全帶;而使用顏色組合的方法則大大提高了裝置的防欺騙能力，同時存在夜間難以使用的問題。

3 ?安全帶提醒裝置優(yōu)勢

與傳統(tǒng)裝置相比，由于以安全帶繞過乘員身體前方這一充分條件作為判斷依據(jù)，并結(jié)合了圖像識別顏色組合的方式，安全帶提醒裝置防欺騙能力顯著提升。采用限制油門深度、限制車速的方式作為提醒方式，提醒有效性、強制性明顯改善，同時，提醒是否能夠保障安全不再取決于乘員自身行為，限制車速本身就能夠主動、直接避免危險發(fā)生，安全性更高。這種提醒方式尤其適合于在出租車、公交車、網(wǎng)約車等場合下提醒司機或乘客系上安全帶，避免了因口頭提醒可能出現(xiàn)的尷尬，保障從業(yè)者與消費者的生命財產(chǎn)安全。裝置結(jié)構(gòu)原理簡單，具有很大靈活性，適用于多種不同場合。

4 ?安全帶提醒裝置改進空間分析

①攝像頭在夜間無法使用，而紅外線可以在夜間使用，兩者可以結(jié)合，例如模仿紅外線掃描條形碼的技術(shù)，打印一段黑白色塊組成的條形碼，利用黑色與白色對紅外線反射的區(qū)別識別條形碼，或是利用紅外線反射/吸收涂層對標記進行隱形處理。我們采用顏色識別方案之前就對此方案進行過研究，但因相關(guān)資料匱乏，實施難度大，掃描模塊與arduino不能兼容等問題放棄了此方案。②如今汽車電子化程度非常高，幾乎每一輛車都配備有ECU（電子控制單元）控制車輛運行，而油門則普遍采用了電子油門，司機踩動電子油門，電子油門就會向ECU輸入特定的電壓信號，ECU對信號進行分析處理后控制電子節(jié)氣門，以此控制發(fā)動機工作。所以可以對電子油門輸出信號的特性曲線與ECU的控制程序進行改動，使之在乘員未系安全帶時限制節(jié)氣門打開程度以限制車速，并以此方式提醒司機。此提醒方式不需要加裝機械結(jié)構(gòu)，更簡潔，而且，ECU的電子限速方式比機械式的油門限制方式更能精確控制車速。

5 ?結(jié)束語

與傳統(tǒng)裝置相比，由于以安全帶繞過乘員身體前方這一充分條件作為判斷依據(jù)，并結(jié)合了圖像識別顏色組合的方式，安全帶提醒裝置防欺騙能力顯著提升，提醒有效性、強制性明顯改善，保障從業(yè)者與消費者的生命財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1]Python極客團隊.機器人Python極客編程入門與實戰(zhàn)，電子工業(yè)出版社，2017，9.

[2]機械制圖基礎(chǔ).北京航空航天大學出版社，2009，6.

收稿日期：2018-12-12