車載后視鏡智能判距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 肖，揭琳鋒，涂東明，張 瑞，錢(qián)春貴

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

1 智能后視鏡的研究背景

智能后視鏡通常是指智能化汽車后視鏡，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、獨(dú)立的運(yùn)行空間，可以由用戶自行安裝軟件、游戲、導(dǎo)航等第三方服務(wù)商提供的程序，并可以通過(guò)基于IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Fidelity，Wi-Fi）或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，同時(shí)可以提供行車記錄、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）定位、電子測(cè)速提醒、倒車可視、實(shí)時(shí)在線影音娛樂(lè)等功能。

智能后視鏡具有優(yōu)秀的操作系統(tǒng)、可自由安裝各類軟件、觸屏式操作感這三大特性，在駕駛汽車時(shí)能夠提供語(yǔ)音控制、導(dǎo)航、超速提醒、行車記錄和實(shí)時(shí)在線視聽(tīng)等安全和娛樂(lè)功能。但是目前市面上的智能后視鏡對(duì)于后方來(lái)車或者障礙物的距離的檢測(cè)功能還不多見(jiàn)。

在車輛駕駛過(guò)程中，司機(jī)通過(guò)左右后視鏡和車內(nèi)后視鏡來(lái)觀察車外的狀態(tài)，從而進(jìn)行變道或超車。尤其對(duì)于新手來(lái)說(shuō)，通過(guò)后視鏡來(lái)判斷與后方來(lái)車或人的距離比較困難，很多時(shí)候甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)[1-3]。通過(guò)設(shè)計(jì)車載后視鏡智能判距系統(tǒng)，可以更加精準(zhǔn)、及時(shí)地向駕駛者告知道路情況以及車輛自身行駛狀況等相關(guān)信息，使得車輛行駛更加安全可靠。因此，本文設(shè)計(jì)了一套車載后視鏡智能判距系統(tǒng)，希望能輔助駕駛員判斷與后方車輛的距離，從而保證安全駕駛。

2 車載后視鏡智能判距系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的車載后視鏡智能判距系統(tǒng)包括攝像頭組件、STM32 主控制板處理核心和后視鏡顯示調(diào)節(jié)裝置這三大部分。STM32 主控制板根據(jù)電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）圖像傳感器采集到的車輛后方移動(dòng)物體信息進(jìn)行分析處理，提取移動(dòng)物體的特征數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算與自身的距離，然后送至后視鏡顯示屏（鏡面）進(jìn)行顯示[4-5]，見(jiàn)圖1。

圖1 車載后視鏡智能判距系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 車載后視鏡智能判距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所用攝像頭是在大眾高爾夫原廠高清夜視CCD 圖像傳感器上改動(dòng)而成的，見(jiàn)圖2。該型攝像頭具有大廣角、高精度的特性，并具有夜視功能，適合車輛使用。

圖2 車載后視鏡智能判距系統(tǒng)所用攝像頭外觀

該系統(tǒng)采用STM32F407VET6 作為主控板，采集CCD 數(shù)據(jù)，提取移動(dòng)物體的特征數(shù)據(jù)，計(jì)算移動(dòng)物體與本車輛距離，然后在顯示屏上顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在32 GB 的安全數(shù)碼（Secure Digital，SD）卡中。此外主控制系統(tǒng)還可以根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，采用后視鏡調(diào)節(jié)電機(jī)對(duì)后視鏡進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，從而獲得最佳的視距，見(jiàn)圖3。

圖3 主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控制系統(tǒng)硬件部分主要包括：電源模塊、攝像頭模塊（圖像傳感器）、后視鏡顯示模塊、后視鏡電機(jī)調(diào)節(jié)模塊、程序仿真與調(diào)試模塊、SD 儲(chǔ)存模塊等。

1）電源模塊。電源模塊由車載12 V 蓄電池供電，由7805 芯片轉(zhuǎn)為5 V，然后由ASM1117 芯片轉(zhuǎn)為3.3 V 給各模塊供電。

2）攝像頭模塊。攝像頭部分通過(guò)I2C 總線與主控制板連接，控制命令傳達(dá)與數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)16 位并行接口進(jìn)行，極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸速率。圖4 為CCD 攝像頭模塊。

3）后視鏡顯示模塊。其中，后視鏡顯示屏的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與一般的薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）彩屏的控制系統(tǒng)一樣，其外觀為T(mén)FT 工廠定制，以便與汽車后視鏡框相匹配。

4）后視鏡電機(jī)調(diào)節(jié)模塊。后視鏡電機(jī)調(diào)節(jié)模塊采用橋式控制電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、成本低、便于維修，在汽車電機(jī)控制系統(tǒng)中較為常見(jiàn)。圖5 為后視鏡電機(jī)調(diào)節(jié)模塊。

圖4 CCD 攝像頭模塊

圖5 后視鏡電機(jī)調(diào)節(jié)模塊

5）程序仿真與調(diào)試模塊。程序仿真與調(diào)試模塊采用的是ST 原廠生產(chǎn)的ST-link 設(shè)計(jì)模塊，技術(shù)較為成熟，有利于產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4 車載后視鏡智能判距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

第57 頁(yè)圖6 為系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)初始化后，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可在后視鏡位置校正、CCD 圖像傳感器數(shù)據(jù)采集和分析、后視鏡顯示等狀態(tài)間切換。其中按鍵識(shí)別、電機(jī)動(dòng)作執(zhí)行、顯示等均采用模塊化設(shè)計(jì)，便于后期調(diào)試。

5 車載后視鏡智能判距系統(tǒng)的實(shí)車測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的車載后視鏡智能判距系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分為靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)兩部分。

5.1 靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在晴好天氣條件下，對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)車輛右后后視鏡進(jìn)行改造。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試實(shí)驗(yàn)車輛與后方障礙車輛按照一定間距進(jìn)行車載后視鏡智能判距系統(tǒng)固定距離識(shí)別，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)第57 頁(yè)表1。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

車載后視鏡智能判距系統(tǒng)固定距離識(shí)別的靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，距離的測(cè)試誤差率在20%以內(nèi)，由于障礙車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，車載后視鏡智能判距系統(tǒng)可以清晰地捕捉障礙車輛畫(huà)面進(jìn)行分析計(jì)算，測(cè)試誤差率較低。

表1 固定距離識(shí)別實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，后視鏡搭載車載后視鏡智能判距系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)車輛靜止，后方障礙車輛從25 m 處到2 m 處距離以40 km/h 速度向測(cè)試實(shí)驗(yàn)車輛靠近，障礙車輛開(kāi)啟了自適應(yīng)巡航控制功能，不僅便于設(shè)置測(cè)試實(shí)驗(yàn)距離參數(shù)，同時(shí)還可以保證車輛之間的安全距離。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，車載后視鏡智能判距系統(tǒng)可以在后視鏡中實(shí)時(shí)顯示后方障礙車輛與本車的距離。障礙車輛移動(dòng)過(guò)程中，最大誤差為4.9 m，最小誤差為0.6 m，測(cè)試誤差率控制在20%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7，數(shù)據(jù)基本滿足行駛及變道要求。

圖7 動(dòng)態(tài)距離識(shí)別顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

綜上所述，本文以智能后視鏡系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了車載后視鏡智能判距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F407 為核心控制器，搭載了高精度攝像頭圖像傳感器、調(diào)節(jié)裝置以及后視鏡成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了識(shí)別車輛后方障礙物與本車距離等功能，并設(shè)計(jì)實(shí)車測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。在后續(xù)工作中，該系統(tǒng)還需要對(duì)障礙物識(shí)別的有效距離、使用工況及硬件可靠性等方面進(jìn)行優(yōu)化和提升。