汽車盲區(qū)清除系統(tǒng)

張雪鋒 梅聰聰 孫進(jìn)越

摘 要：針對(duì)汽車駕駛時(shí)A柱和B柱的盲區(qū)遮擋司機(jī)視野而造成諸多交通事故的問題，設(shè)計(jì)一種汽車盲區(qū)清除系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)安全駕駛?；赟TM32系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的汽車盲區(qū)清除系統(tǒng)，利用超聲波對(duì)頭部進(jìn)行定位，采用廣角攝像頭獲取圖像信息，定位成功后選取所需要的圖像進(jìn)行拼接從而消除視覺圖像重復(fù)問題，使駕駛員在駕車時(shí)能夠?qū)崟r(shí)獲得更加完整的視野，實(shí)現(xiàn)安全行車。

關(guān)鍵詞：安全行車;盲區(qū)清除;汽車定位;圖像顯示;安全駕駛;STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）08-00-03

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車走進(jìn)了千家萬戶，而行車安全也成為了汽車使用的首要問題。行車安全與汽車盲區(qū)息息相關(guān)，汽車盲區(qū)是導(dǎo)致車禍的一大殺手，尤其是牽引車、掛車等大型車輛的事故有不少是因駕駛員視野盲區(qū)而造成的。在諸多交通事故中，汽車盲區(qū)造成的意外事故僅中國就約占了30%，美國則約占20%。這是由于人眼生理結(jié)構(gòu)、汽車設(shè)計(jì)等因素共同導(dǎo)致和造成的[1]。

在眾多盲區(qū)中，汽車的A柱對(duì)駕駛員視線影響最大。

A柱是汽車左右前方連接車頂和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的連接柱，它承載著汽車頂蓋的重量，因此具有一定的寬度，這樣會(huì)在行車過程中對(duì)駕駛員的視覺造成干擾，特別是在轉(zhuǎn)彎時(shí)，A柱的遮擋會(huì)形成一定角度的視覺障礙[2]。在解決汽車盲區(qū)這方面汽車制造公司也做過許多努力，但都無法推廣使用，例如：將汽車的框架做成透明的材質(zhì)、采用高硬度的透明玻璃來代替金屬的A柱、采用三角窗結(jié)構(gòu)。而汽車A柱這樣的部位比較特殊，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)可以減少汽車的受力，從而保護(hù)駕駛員和乘客的生命安全，所以需要高強(qiáng)度的材料。上述方法由于成本問題也無法普遍使用，導(dǎo)致汽車A柱盲區(qū)還在困擾著司機(jī)朋友，所以研究汽車盲區(qū)清除系統(tǒng)對(duì)提高駕駛安全性有重要的實(shí)際意義[3]。

本文研制一款集價(jià)格低廉、兼容性高、反應(yīng)速度快、圖像信息清晰[4]、圖像拼接等特點(diǎn)于一身的基于STM32的定位透視與盲區(qū)清除系統(tǒng)，采用廣角攝像頭獲取圖像信息，通過定位結(jié)果選取所需要的圖像進(jìn)行拼接，從而消除視覺圖像重復(fù)問題[5]。超聲波測距方法不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，精度較高，成本較低，適用于移動(dòng)目標(biāo)的定位[6-7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用兩個(gè)可發(fā)射變頻超聲波的超聲波發(fā)射器和一個(gè)超聲波接收器進(jìn)行定位，用OV7670圖像傳感器獲取畫面，用STM32單片機(jī)處理畫面和定位信息，使得屏幕實(shí)時(shí)顯示具體頭部位置對(duì)應(yīng)的盲區(qū)畫面。系統(tǒng)方框圖如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

2 超聲波定位模型

本文采用兩個(gè)可發(fā)射變頻超聲波的超聲波發(fā)射器和一個(gè)超聲波接收器進(jìn)行定位。通常，超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播距離非常短，只有幾十米。目前，較短距離范圍內(nèi)的超聲波測距系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際生活中得到了極為普遍的應(yīng)用，它的測距精度可以達(dá)到厘米級(jí)[8]。但是超聲波定位在高精度、低能耗方面還有待提升。為了使超聲波定位系統(tǒng)在性能方面有進(jìn)一步的提高，本系統(tǒng)采用NFMCW定位算法對(duì)超聲波定位系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)干擾、雜波及噪聲進(jìn)行抑制，有效地增強(qiáng)了目標(biāo)信號(hào)[9]，獲得了更精確的定位效果，并應(yīng)用在盲區(qū)清除系統(tǒng)[10]。

2.1 定位原理以及信號(hào)處理方案

新型調(diào)頻連續(xù)波（New-style Frequency Modulated Continuous Wave，NFMCW）技術(shù)是在FMCW技術(shù)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的測距定位方法。

2.1.1 FMCW定位算法

FMCW接收的回波頻率與發(fā)射頻率變化規(guī)律相同，都是三角波規(guī)律，只是有一個(gè)時(shí)間差，利用這個(gè)微小的時(shí)間差可計(jì)算出目標(biāo)距離。由于時(shí)間差很小，難以計(jì)算，精度較差，所以把時(shí)間差轉(zhuǎn)換為某一時(shí)刻的頻率差來計(jì)算。距離計(jì)算方法：對(duì)回波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行相干混頻，得到包含目標(biāo)的距離信息的中頻信號(hào)，然后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行檢測即可得到目標(biāo)距離。FMCW示意圖如圖3所示。

當(dāng)目標(biāo)物體相對(duì)靜止時(shí)，發(fā)射信號(hào)碰到目標(biāo)物體后被反射回來，產(chǎn)生回波信號(hào)，回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)形狀相同，只是在時(shí)間上延遲了τ（τ=2R/c）。其中：R為目標(biāo)物體的距離;c為光速。發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的頻率差即為混頻輸出的中頻信號(hào)頻率f0，根據(jù)相似三角形的關(guān)系，由圖3可以

得出：

式中：T為調(diào)制三角波周期;?F為調(diào)頻帶寬。將τ=2R/c代入可得

可以看出，在調(diào)制周期T和調(diào)頻帶寬確定的情況下，目標(biāo)距離與FMCW雷達(dá)前端混頻器輸出的中頻信號(hào)頻率成正比，這就是目標(biāo)物體處于相對(duì)靜止的情況下FMCW雷達(dá)測距原理。

2.1.2 定位原理

系統(tǒng)采用NFMCW技術(shù)，其原理是發(fā)射波為高頻連續(xù)波，頻率隨時(shí)間按照三角波規(guī)律變化。

在超聲波的發(fā)射端A，B和接收端都加入定時(shí)器，信號(hào)一發(fā)出，定時(shí)器開啟，在接收端接收到信號(hào)時(shí)，定時(shí)器記錄當(dāng)前時(shí)刻一次。變頻超聲波信號(hào)發(fā)生器A發(fā)出超聲波信號(hào)后（此信號(hào)為頻率按照一定周期變化的超聲波），在接收端接收一定頻率的信號(hào)（頻率可以自行設(shè)定），即對(duì)收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波處理（選有用高頻信號(hào)，去除一定程度的噪聲），超聲波接收端接收經(jīng)過物體反射的信號(hào)S1+S2與直接由發(fā)射端發(fā)射、接收端直接接收的信號(hào)S3，對(duì)信號(hào)S1+S2和S3進(jìn)行提取，得到信號(hào)的時(shí)間差信息，即經(jīng)過路徑S1+S2的時(shí)間t1，路徑S3的時(shí)間t2。等待幾毫秒（在接收端有足夠的時(shí)間接收信號(hào)S1+S2和S3）之后由發(fā)射端B發(fā)射同樣的信號(hào)，同理可以得到超聲波接收端接收經(jīng)過物體反射的信號(hào)S2+S4與直接由發(fā)射端發(fā)射、接收端直接接收的信號(hào)S5，路徑S2+S4的時(shí)間t3，路徑S5的時(shí)間t4。用S1，S2，S3，S4，S5表示信號(hào)傳播的路徑，其中路徑=超聲波在空氣中傳播的時(shí)間×超聲波在空氣中的傳播速度。在橢圓內(nèi)，通過兩個(gè)距離差即可求得相應(yīng)坐標(biāo)。超聲定位示意如圖4所示。

首先通過超聲波接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波，用示波器顯示之后，可以大致看到反射信號(hào)經(jīng)過路徑S1+S2與路徑S3的尖峰狀的信號(hào)。同理也可以看到反射信號(hào)經(jīng)過路徑S2+S4與路徑S5的尖峰狀的信號(hào)，將接收到的信號(hào)通過杜邦線連接到STM32單片機(jī)的引腳，在單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)行NFMCW算法，得到相應(yīng)的坐標(biāo)。

NFMCW算法：設(shè)C的坐標(biāo)為（x，y），已知：

A1與A2可由超聲波接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，同時(shí)已知S1+S2，S3，S2+S4，S5的時(shí)間t1，t2，t3，t4。

若已知時(shí)間，即可求得路徑：

S=v電磁波在空氣中傳播的速度t

在橢圓內(nèi)，由圓周角定理：直徑所對(duì)應(yīng)的圓周角一定是90°，有：

由三角形的面積計(jì)算公式有：

由已知和式（1）、式（3）、式（5）可求得y。

對(duì)式（3）進(jìn)行變形有：

將已知的S1+S2，S3的值和式（5）代入式（7），求得：

同理，由已知和式（2）、式（4）、式（6）可求得x：

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 變頻超聲波發(fā)射電路

使用STM32F103單片機(jī)輸出頻率在30～40 kHz內(nèi)反復(fù)均勻變化的電磁波（即頻率從30 kHz開始，每隔幾毫秒，頻率增加0.5 kHz，當(dāng)頻率上升至40 kHz，維持幾毫秒之后，頻率又變回30 kHz，反復(fù)執(zhí)行上述過程），之后經(jīng)過功率放大電路以及濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，使得輸出信號(hào)功率盡可能大，噪聲盡可能小，來減小信號(hào)的失真。再將信號(hào)經(jīng)過揚(yáng)聲器發(fā)出。發(fā)射端放大電路如圖5所示。

功率放大電路中，Ui與單片機(jī)連接，C1為旁路電容，C2為去耦電容，濾掉電源中的高頻交流成分。

2.2.2 超聲波接收電路

超聲波接收端由駐極體拾音器、濾波電路、兩級(jí)放大電路和示波器組成。其中駐極體拾音器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接收到的信號(hào)經(jīng)過選頻濾波電路選出頻率為40 kHz的信號(hào)，對(duì)其他頻率的信號(hào)進(jìn)行濾除，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)放大。接收端放大電路如圖6所示。

3 顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)采用OV7670圖像傳感器與STM32單片機(jī)獲取并處理圖像。

OV7670攝像頭模塊如圖7所示。OV7670圖像傳感器體積小、工作電壓低，提供單VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，通過SCCB總線控制，可輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品 VGA 圖像最高達(dá)到30 f/s，用戶可以控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等，都可以通過SCCB 接口編程。OmmiVision 圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)與電子缺陷，如固定圖案噪聲、托尾、浮散，可提高圖像質(zhì)量，得到清晰、穩(wěn)定的彩色圖像。

3.1 獲取畫面

汽車盲區(qū)處理系統(tǒng)采用OV7670圖像傳感器獲取盲區(qū)圖像。此款傳感器可與STM32單片機(jī)進(jìn)行連接，提供幀數(shù)穩(wěn)定、畫面清晰的視頻數(shù)據(jù)，并自帶緩存可對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，可滿足人們對(duì)視頻獲取的要求。再通過并行口傳輸至STM32單片機(jī)即可進(jìn)行下一步畫面的處理及截取。

3.2 畫面處理

由于窗口大小的限制及模擬A柱的形狀限制，要求畫面必須為特定部分，通過對(duì)STM32中程序的修改（在程序中有專門控制圖像大小及顯示部分的變量，此變量將直接對(duì)獲取到的圖像進(jìn)行直接控制處理）獲取到理想的畫面部分。

3.3 定位與盲區(qū)消除

盲區(qū)是視野中看不到的地方，OV7670將此處圖像采集后，根據(jù)頭部定位信息可得出眼睛所在位置，利用STM32單片機(jī)將定位點(diǎn)與圖像截取部分一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)行一對(duì)一選取顯示即可完成位置與圖像結(jié)合。

4 結(jié) 語

本文提出依靠頭部定位進(jìn)而顯示對(duì)應(yīng)盲區(qū)畫面的汽車盲區(qū)清除系統(tǒng)，采用NFMCW（連續(xù)調(diào)頻波）的定位方式，實(shí)現(xiàn)了精度高、速度快的無源定位，保證了駕駛員舒適的操作體驗(yàn)，同時(shí)為屏幕畫面顯示提供相應(yīng)坐標(biāo)。由STM32單片機(jī)對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)畫面拼接的方法使得A柱顯示屏的顯示畫面與視野盲區(qū)相一致，從而解決汽車駕駛過程中的視野盲區(qū)問題，實(shí)現(xiàn)安全行車。

參 考 文 獻(xiàn)

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