基于北斗主機(jī)的智能安全駕駛系統(tǒng)試驗(yàn)初探

錢煒程

【摘 ?要】駕駛員的安全意識淡泊，成為了交警檢查的盲區(qū)。針對這個問題，我們覺得它可以通過基于北斗主機(jī)集成實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)安全功能，實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)管和技術(shù)提升，保障行車安全。本系統(tǒng)可以對監(jiān)控駕駛者酒駕、疲勞狀態(tài)，還賦有跟車安全距離警報，檢測車內(nèi)和機(jī)艙溫度，監(jiān)測振動顛簸功能，根據(jù)行車路段濕度坡度監(jiān)測等因素，自動結(jié)合車速，計(jì)算安全跟車距離。

【關(guān)鍵詞】北斗系統(tǒng);安全駕駛;車輛自動安全系統(tǒng)

1.背景

發(fā)生交通事故主要原因除不遵守交通規(guī)則外，另兩個主要原因是疲勞駕駛和惡劣自然環(huán)境。而每年的交通事故中有很多都是因?yàn)槠隈{駛，這個比例要大大超過酒后駕駛。除此之外，陌生路段以及不確定的環(huán)境條件也導(dǎo)致了大部分交通事故的發(fā)生。

除此之外，車內(nèi)自燃的新聞頻頻出現(xiàn)在新聞報道中，駕駛員的安全意識不足以及各種安全措施不當(dāng)都導(dǎo)致車輛在無人情況下自燃，并且滅火不及時導(dǎo)致大范圍火勢。

2.項(xiàng)目概念

2.1應(yīng)用領(lǐng)域

基于北斗主機(jī)的智能安全駕駛檢測系統(tǒng)對車輛多方面的安全狀況進(jìn)行監(jiān)測，包含測酒駕、提醒疲勞駕駛、行駛過程震動幅度監(jiān)測、行駛安全距離監(jiān)測、車內(nèi)發(fā)動機(jī)艙（或新能源車電池艙）自燃預(yù)警監(jiān)測功能。適用于私家車、公用車以及小型貨運(yùn)車。

2.2 項(xiàng)目主要解決問題

目前城市及郊區(qū)道路，僅設(shè)置了最高限速來減少車輛發(fā)生安全事故，但路段路面實(shí)際狀況變化速度快，原有限速無法真正起到安全作用。實(shí)際情況中，遇到各種不確定的天氣因素或者路面因素，駛員無法在注意力高度集中情況下判斷與前車安全距離，在各種外界變量影響下，駕駛員在行車時估計(jì)本車的剎車距離往往出現(xiàn)錯誤。在貨車運(yùn)輸過程中，經(jīng)常出現(xiàn)酒駕，疲勞駕駛、超速追尾等狀況。本項(xiàng)目將采用基于北斗導(dǎo)航的前沿科技，對行車進(jìn)行更進(jìn)一步的監(jiān)管，降低道路上因非故障類因素而產(chǎn)生的事故概率。

3.基本原理

3.1基本功能原理

功能一：測酒駕（注：因?yàn)榇司凭珎鞲衅髂K為TTL協(xié)議，試驗(yàn)中無法支持，故試驗(yàn)過程及代碼省略）

使用酒精傳感器，LCD液晶屏。

（1）當(dāng)駕駛室車門被打開后，酒精傳感器自動開啟。

（2）酒精傳感器檢測車主呼出氣體中的酒精濃度并記錄。

（3）若呼氣酒精濃度超過0.0091mg/100ml，測液晶屏顯示“Do not drink and drive！“并觸發(fā)繼電器。待酒精濃度小于0.0050mg/100ml后解鎖。

（4）若此車為公交車，運(yùn)貨車，打車app合約車等有上級管理部門的公共用車，系統(tǒng)自動通過北斗通訊系統(tǒng)上報上級以加強(qiáng)監(jiān)督。

功能二：提醒疲勞駕駛

使用計(jì)時器，蜂鳴器，LCD液晶屏。

（1）當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動時開始計(jì)時。

（2）若發(fā)動機(jī)持續(xù)開啟時長超過4小時，或者當(dāng)日累計(jì)時長超過8小時，蜂鳴器發(fā)出提醒，LCD液晶屏顯示“Do not drive when tired！”。

功能三：檢測振動情況

使用振動傳感器，雙色LED。

（1）根據(jù)振動傳感器測定當(dāng)前路段的車身振幅。

（2）將振幅與設(shè)定最高車身承載振幅進(jìn)行比較，設(shè)定三次判斷過程，劃定四個震動區(qū)間。

功能四：安全距離警報

使用超聲波傳感器，陀螺儀傳感器，震動傳感器，雨滴傳感器，七色LED，溫度氣壓傳感器，LCD顯示屏，無源蜂鳴器。

（1）根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測定汽車的瞬時速度。

（2）在模型中輸入各種地面的實(shí)際摩擦系數(shù)。

（3）根據(jù)雨滴傳感器測出是否下雨和雨勢的大小。

（4）根據(jù)陀螺儀傳感器測定傾斜角度。

（5）根據(jù)震動傳感器測定震動區(qū)間。

（6）測量實(shí)際車外溫度。

（7）通過超聲波傳感器測定前方障礙物的距離。

（8）若距離小于安全距離，七色LED亮燈，蜂鳴器警報，LCD顯示“Warning ！”。

功能五：車輛自燃早期預(yù)警警報

使用溫度氣壓傳感器，煙霧傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?，LCD液晶屏、無源蜂鳴器。

以下情況均視作可能自燃情況：

（1）溫度傳感器溫度異常，即發(fā)動機(jī)艙（或電池艙）內(nèi)局部溫度140度以上持續(xù)二十秒以上無人手動關(guān)閉;

（2）車內(nèi)煙霧傳感器報警二十秒且無人手動關(guān)閉;

（3）車內(nèi)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到明火。

以上三種情況符合其一后，車載系統(tǒng)自動報警，LED警告，LCD顯示“Fire ??！”通過北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)送車輛所處位置通知車主，車主可根據(jù)實(shí)際情況手動關(guān)閉。

3.2 安全距離實(shí)現(xiàn)原理

3.2.1基礎(chǔ)調(diào)查

μ的測定：

路面情況不同，受到的摩擦力也不同，路面的潮濕程度會影響到輪胎摩擦力。此外，路面溫度等狀況改變，都可能導(dǎo)致路面摩擦系數(shù)的顯著變化。摩擦力取決于摩擦系數(shù)，據(jù)研究，不同路面的摩擦因數(shù)不同，受限于其他不確定變量影響。本裝置將通過路面潮濕度以及溫度判斷不同路面上相應(yīng)情況下的μ數(shù)值大小，對應(yīng)計(jì)算汽車受到的摩擦力，根據(jù)算法最終判斷是否在安全距離以內(nèi)。

借鑒的摩擦因數(shù)如下：

滾動阻力系數(shù)

1.滾動阻力系數(shù)良好的瀝青或混凝上路面 ? ?0.010--0.018

2.一般的瀝青或混凝土路面 ? ? ? ? ? ? ? ?0.018--0.020

3.碎石路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.020--0.025

4.良好的卵石路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.025--0.030

5.坑的卵石路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.035--0.050

6.壓緊土路干燥的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.025--0.035

7.雨后的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.050—0.150

8.泥濘上路雨季或解凍期 ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.100--0.250

9.干沙 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.100--0.300

10.濕沙 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.060--0.150

11.結(jié)冰路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.015--0.030

12.壓緊的雪道 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.030--0.050

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知在溫度變量中可以在常溫（0℃-20℃）范圍內(nèi)，大致用一次函數(shù)數(shù)學(xué)模型模擬摩擦因數(shù)改變量;在水膜厚度（下雨?duì)顩r或其他路面濕滑情況）變量中，以0.03mm為臨界點(diǎn)，對<0.03mm和≥0.03mm，賦予兩個不同常量的數(shù)值。

通過程序模型，在獲取各種環(huán)境變量后，計(jì)算出平地上的基礎(chǔ)摩擦因數(shù)參數(shù)μ的數(shù)值。

3.2.2程序框架

（1）判斷路面狀況，代入基礎(chǔ)路面摩擦因數(shù)μ0;

（2）判斷是否下雨，雨滴傳感器：設(shè)2個靈敏度不同的傳感器A、B（A的靈敏度比B低）沒檢測到雨滴返回0，反之返回1，。令i=A返回值+B返回值。若i=0，則無雨;若i=1，則小雨;若i=2，則大雨。若i=1：μ1=μ0*0.8;若i=2：μ1=μ0*0.7。

（3）測溫，y=1.5x+70（x=溫度，單位：℃），在此基礎(chǔ)上μ2=μ1*y%;

（4）使用振動傳感器檢測振動情況：設(shè)3個靈敏度不同的傳感器A、B（A的靈敏度比B低）沒檢測到振動返回0，反之返回1，。令i=A返回值+B返回值。若i=0，則平坦;若i=1，則路面不平整;i=2，路面存在較大坑洼，若i=3，則路面需維修，不適合車輛行駛。設(shè)定4檔振幅后，處于一檔，不賦值;二檔即i=1，μ3=μ2*0.95;三檔即i=2，μ3=μ2*0.85;四檔即i=3，報警反饋次路面不適合行駛，靠邊慢行（此數(shù)據(jù)通過等比例縮小模型獲取）。

（5）通過陀螺儀傳感器測量傾角θ后，計(jì)算出最后的剎車最大加速度a=μ3gcosθ-gsinθ（g=9.8N/kg）。

（6）計(jì)算出最大安全距離S=v?/2a。

3.2.3 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

（1）根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測定汽車的瞬時速度。

（2）根據(jù)陀螺儀傳感器測定傾斜角度，根據(jù)雨滴傳感器測出是否下雨和雨勢的大小，濕度溫度傳感器測量濕度溫度，震動傳感器判斷震動幅度區(qū)間。

（3）代入調(diào)查已得數(shù)據(jù)公式，測定安全距離。

（4）通過超聲波傳感器測定前方障礙物的距離。

（5）比較實(shí)際距離與安全距離，若距離小于安全距離七色LED亮燈并蜂鳴器發(fā)聲，LCD文字提示“Warning！”。

3.2.4 安全距離評估

通過北斗定位系統(tǒng)獲取車速，在程序所建立的模型中，代入最終所得的摩擦因數(shù)，計(jì)算出以當(dāng)前速度在最大動力減速時所需要的最大安全距離。模型中保守計(jì)算，認(rèn)定前車速度立即減速為零，并已考慮駕駛員反應(yīng)時間。通過超聲波測距，比較此時與前車距離是否小于安全距離，若并未達(dá)到安全距離，系統(tǒng)自動警告，提醒駕駛員控制車距（大于安全距離后報警解除）。由于各車輪胎種類不同，可根據(jù)不同車型調(diào)整基礎(chǔ)輪胎與路面摩擦因數(shù)，改變系統(tǒng)中初始摩擦因數(shù)μ0，此系統(tǒng)已做一般化處理。

4.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 3d設(shè)計(jì)圖片（123D Design軟件設(shè)計(jì)）

試驗(yàn)中需要把若干傳感器安裝到位，各模塊由于功能不同，安裝要求也有所不同，通過123D Design設(shè)計(jì)3D模型，給傳感器量身定做安裝架。

4.2實(shí)體圖片

4.3 總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)小車上安裝北斗智能主機(jī)，以及多個模塊的硬件：左側(cè)安裝有按鈕、超聲波傳感器;右側(cè)內(nèi)部安裝三個震動傳感器以及陀螺儀傳感器;外部安裝雨滴傳感器、七色LED以及蜂鳴器;在車輛背部安裝酒精傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葰鈮簜鞲衅饕约盁熿F傳感器;頂部安裝LCD顯示屏。對部分靈敏度要求較高的傳感器進(jìn)行保護(hù)處理。

5.項(xiàng)目總結(jié)

5.1創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對汽車的瞬時速度進(jìn)行實(shí)時測定，并且通過北斗通訊系統(tǒng)將車輛自燃危險情況反映于車主及消防部門，并且標(biāo)記定位。

（2）本系統(tǒng)使因駕駛員駕車意識薄弱的問題而導(dǎo)致發(fā)生交通事故的概率降低，減少了路面環(huán)境不確定因素對于行車安全的影響，提升了行駛過程中的安全系數(shù)。在路況極差的陌生路段，解決了駕駛員不適應(yīng)路面的情況，幫助駕駛員在陌生環(huán)境下安全行車。

（3）本系統(tǒng)對于駕駛員行車安全規(guī)范做出了制約，有利于培養(yǎng)駕駛員的行車安全意識。在公共用車以及貨車上對于駕駛員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，避免駕駛員危險駕駛。

5.2總結(jié)與展望

在現(xiàn)代生活中，行車交通安全已經(jīng)成為人們不可忽視的問題。本項(xiàng)目基于北斗主機(jī)和衛(wèi)星導(dǎo)航，立足行車常見問題，提高了行車安全系數(shù)。以車載系統(tǒng)的形式，幫助和監(jiān)督駕駛員安全行車以及車輛安全管理。除此之外，自動駕駛早已成為了當(dāng)今關(guān)注度最高的幾項(xiàng)科技之一，基于北斗的安全駕駛系統(tǒng)，也將為自動駕駛注入新活力，從不同方面，提升車輛的智能化程度以及安全系數(shù)，助力安全自動駕駛的研發(fā)完善。

參考文獻(xiàn)：

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