基于北斗導(dǎo)航的夜間行車安全系統(tǒng)

闞亦西，林佳宏，樊昊鵬，杜 鈞

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059）

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)和數(shù)字地球概念的提出，智能交通領(lǐng)域也有了快速發(fā)展，智慧交通是在智能交通的基礎(chǔ)上，在交通領(lǐng)域充分利用互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制等技術(shù)，通過(guò)高新技術(shù)匯集交通信息，對(duì)交通管理、交通運(yùn)輸?shù)确矫孢M(jìn)行管控支撐，為公眾出行提供服務(wù)。

然而在現(xiàn)實(shí)生活中交通事故形式多樣，車輛與駕駛員自身都可能會(huì)面臨危險(xiǎn)，尤其在夜間，由于道路環(huán)境光線不足，易發(fā)生較大的交通事故[1]。目前，針對(duì)夜間行車的研究相對(duì)較少且應(yīng)用范圍不廣，且主要是針對(duì)大型車輛[2]。市場(chǎng)上較多的安全預(yù)警系統(tǒng)有行車防碰撞系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)、ACC自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)、超車預(yù)警系統(tǒng)等，種類繁多，安全性能好，然而在價(jià)格上較為昂貴，一般配置在較高價(jià)位的車輛上。很多低價(jià)位車輛甚至貨車沒(méi)有安裝安全預(yù)警系統(tǒng)。在此背景下，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易、低價(jià)位、可靠的安全預(yù)警系統(tǒng)很有必要。同時(shí)，針對(duì)于夜間行車的安全預(yù)警在系統(tǒng)市場(chǎng)上也比較少，這方面是值得研究開(kāi)發(fā)的。這正是本課題研究的目的所在。

針對(duì)此類情況，本系統(tǒng)利用一些物理裝飾后結(jié)合紅外線熱成像技術(shù)對(duì)夜間照明條件進(jìn)行改善，利用北斗導(dǎo)航功能預(yù)測(cè)通過(guò)彎道的臨界速度，并在車輛到達(dá)彎道之前使其速度降低到安全速度以下，同時(shí)將實(shí)時(shí)的車身側(cè)傾角與臨界側(cè)傾角進(jìn)行比較，及時(shí)調(diào)整車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，降低彎道發(fā)生側(cè)翻的概率。如若在不可抗力因素下，車輛仍不幸發(fā)生側(cè)翻，利用北斗系統(tǒng)的短報(bào)文功能，將求救信息發(fā)送至臨近救援平臺(tái)，平臺(tái)通過(guò)相應(yīng)算法得到最短路徑并傳送至求救人，使事故得到最快處理以保證駕駛員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 原理和方法

1.1 夜間行車防側(cè)翻系統(tǒng)

夜間防側(cè)翻系統(tǒng)由4個(gè)模塊構(gòu)成，分別是監(jiān)測(cè)模塊、北斗模塊、控制模塊和傳感器模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夜間安全系統(tǒng)示意圖

傳感器模塊由雷達(dá)、紅外傳感器、三軸加速度傳感器等組成，該模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)車輛行駛的實(shí)時(shí)相關(guān)信息并將這些信息傳輸給監(jiān)測(cè)模塊。

監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)將傳感器模塊采集到的各種信息進(jìn)行整合并按其中指定的模型程序計(jì)算實(shí)時(shí)的車輛行駛數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)傾角、加速度等，并將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如若超出閾值，則將信號(hào)傳至控制模塊。

控制模塊采用51單片機(jī)，整合應(yīng)用電路。該模塊依據(jù)所接收的信號(hào)，調(diào)整車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與此同時(shí)，北斗模塊將定位及車輛信息發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，供監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行道路信息統(tǒng)計(jì)和反饋。

如若在緊急情況下發(fā)生側(cè)翻，實(shí)時(shí)傾角與側(cè)傾角閾值差值過(guò)大，應(yīng)急求救功能啟動(dòng)，其可以立即利用北斗模塊的短報(bào)文功能將定位信息、車輛信息及通過(guò)算法得出的最短路徑發(fā)送至臨近交警部門，處理人員即刻開(kāi)始行動(dòng)，縮短處理時(shí)間。

為了達(dá)到獲得車輛夜間行駛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，需要多種裝置獲取和傳遞實(shí)時(shí)信息，需使用的裝置和需獲取的目標(biāo)信息如表1所示。

表1 系統(tǒng)所需裝置圖

1.2 夜間行車感知功能

在黑暗的道路環(huán)境下，駕駛員自身的視力有限，為保證獲取到較遠(yuǎn)路況信息以提醒駕駛員注意防范道路附近車輛，本系統(tǒng)以熱成像技術(shù)為基礎(chǔ)做出了解決方案。

利用紅外傳感器感知車輛附近不同物體的熱量散發(fā)情況，收集并區(qū)分溫度不同的物體，并將其轉(zhuǎn)化為可視圖像呈現(xiàn)在車內(nèi)儀表盤中央的顯示屏以供駕駛員進(jìn)行參考。在直線路段行駛時(shí)，對(duì)向來(lái)車與本車達(dá)到設(shè)定距離閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟近光燈而關(guān)閉遠(yuǎn)光燈；若對(duì)向來(lái)車因疏忽而開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈造成本車駕駛員眩暈，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)防眩裝置，駕駛員可以通過(guò)顯示屏觀察對(duì)向車輛的位置和此處路況信息并采取相應(yīng)措施安全地完成夜間會(huì)車[3]。在轉(zhuǎn)彎和上下坡路段同樣如此。夜間會(huì)車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夜間會(huì)車系統(tǒng)

1.3 夜間盲區(qū)測(cè)距功能

由于光照不充足和車輛盲區(qū)的存在，車輛在夜間行駛時(shí)很容易與其他物體發(fā)生碰撞和摩擦導(dǎo)致?lián)p壞，基于此問(wèn)題，本系統(tǒng)通過(guò)超聲波測(cè)距技術(shù)提示駕駛員注意操作，以減小車輛在夜間行駛的安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

該設(shè)計(jì)主要對(duì)大貨車盲區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能有效避免車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等操作時(shí)對(duì)盲區(qū)內(nèi)的車輛和人員造成危害[5]。系統(tǒng)核心為測(cè)距和報(bào)警，該系統(tǒng)主要由四個(gè)部分構(gòu)成，分別為單片機(jī)控制模塊、超聲波測(cè)距模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊以及顯示模塊。在車輛啟動(dòng)時(shí)開(kāi)始運(yùn)行，車輛熄火時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)作。由超聲波傳感器發(fā)射超聲波，超聲波發(fā)射探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去，同時(shí)啟動(dòng)位于單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收超聲波時(shí)，與發(fā)射探頭位于同一側(cè)的超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到單片機(jī)控制芯片，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)并通過(guò)程序開(kāi)始計(jì)算距離D。計(jì)算原理為D=1/2ct。c為超聲波的傳播速度；1/2t為超聲波從發(fā)射到接收所需時(shí)間的一半，也就是單程傳播時(shí)間。然后通過(guò)距離D判斷是否需要啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。

1.4 北斗防側(cè)翻功能

車輛在道路上發(fā)生側(cè)翻主要原因包括彎道行駛速度過(guò)快[6]和車輛整體傾斜導(dǎo)致重心不穩(wěn)，該功能針對(duì)兩種情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在行駛過(guò)程中提前做出處理。

對(duì)側(cè)翻做出預(yù)防的主要措施為限制速度和調(diào)整車輛側(cè)傾狀態(tài)。在車輛行駛過(guò)程中開(kāi)啟北斗導(dǎo)航，在距前方彎道還有100米時(shí)，獲取彎道信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)該模塊中的程序計(jì)算出通過(guò)彎道的臨界速度，將該臨界速度通過(guò)語(yǔ)音報(bào)告提醒駕駛員減速；如若在距離彎道50米時(shí)車輛速度還沒(méi)有減至臨界值，則控制模塊自動(dòng)強(qiáng)制車輛減速，防止車輛因速度過(guò)快造成事故。

對(duì)車輛狀態(tài)的調(diào)整則是在三向加速度傳感器獲取的數(shù)據(jù)上進(jìn)行處理，通過(guò)側(cè)傾角函數(shù)求出車輛側(cè)翻的臨界側(cè)傾角即閾值來(lái)判斷車輛的狀態(tài)[7]。車輛的實(shí)時(shí)側(cè)傾角度由兩步完成：在北斗導(dǎo)航上判斷路面不平度（據(jù)機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告）后，再通過(guò)傳感器獲取相應(yīng)的側(cè)向加速度、車輪轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)，在控制模塊結(jié)合路面情況得出車輛實(shí)時(shí)側(cè)傾角度。如若車輛實(shí)時(shí)傾角小于閾值，不必采取措施；如若車輛實(shí)時(shí)傾角大于閾值，則采取措施如升降空氣懸架等使車輛調(diào)整到平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)車輛警示燈開(kāi)啟，語(yǔ)音提示在本車附近的同向及對(duì)向車輛注意與本車保持適當(dāng)距離，以免造成嚴(yán)重事故。

與此同時(shí)，北斗模塊將位置信息發(fā)送至地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)，供平臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率，將結(jié)果計(jì)入道路數(shù)據(jù)庫(kù)，并及時(shí)反饋給其他地面用戶以提醒用戶注意防范該路段的行駛風(fēng)險(xiǎn)。防側(cè)翻功能如圖3所示。

圖3 防側(cè)翻功能示意圖

1.5 北斗預(yù)警、報(bào)警功能

從眾多交通事故的發(fā)生原因可以看出，盡管其中許多都?xì)w咎于人為因素，例如駕駛速度沒(méi)有控制、駕駛員疲勞駕駛、車輛超重或車輛未定期維修導(dǎo)致制動(dòng)器等機(jī)器出現(xiàn)問(wèn)題，但是其中的客觀原因則是駕駛員對(duì)于危險(xiǎn)事故的到來(lái)沒(méi)有及時(shí)地察覺(jué)。因此，需要預(yù)警系統(tǒng)、報(bào)警裝置的干預(yù)，讓駕駛員及時(shí)獲取信息，避免事故的發(fā)生。

系統(tǒng)根據(jù)車輛參數(shù)、行駛速度、道路參數(shù)和環(huán)境條件等因素進(jìn)而判斷車路耦合安全度。在車輛行駛過(guò)程中，經(jīng)過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)制動(dòng)器升溫后不會(huì)超過(guò)制動(dòng)器工作安全極限溫度，若接近或超過(guò)時(shí)制動(dòng)器可能會(huì)失效，致使汽車行駛過(guò)程中存在不安全因素導(dǎo)致事故發(fā)生，則預(yù)警系統(tǒng)將會(huì)向駕駛員進(jìn)行報(bào)警，提示駕駛員做出相應(yīng)的改變措施，如降低車速、暫時(shí)停止車輛向前行駛等。

對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警則是預(yù)警系統(tǒng)在通過(guò)對(duì)車輛當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的采集并提取路段信息后，根據(jù)車輛參數(shù)等計(jì)算出安全值，系統(tǒng)則判斷該安全值是否在規(guī)定范圍內(nèi)，在不同程度上給予駕駛員不同的預(yù)警信號(hào)，甚至是系統(tǒng)緊急報(bào)警并自動(dòng)控制車輛運(yùn)行以確保駕駛員以及車輛的安全。系統(tǒng)預(yù)警及報(bào)警原理如圖4所示。

圖4 北斗預(yù)警、報(bào)警原理圖

1.6 北斗短報(bào)文求救功能

基于多數(shù)事故現(xiàn)場(chǎng)的觀察，許多駕駛員會(huì)出現(xiàn)在發(fā)生車禍?zhǔn)鹿屎髮?dǎo)致自身受傷無(wú)法向周邊救援平臺(tái)或周邊人員呼救的情況。對(duì)于該情況，可利用北斗短報(bào)文求救功能向周邊救援平臺(tái)發(fā)出求救信息，及時(shí)向事故現(xiàn)場(chǎng)伸出援助之手，救助事故人員[8]。

系統(tǒng)可以利用單片機(jī)、感應(yīng)器，對(duì)車輛受損、事故嚴(yán)重情況進(jìn)行處理。當(dāng)車輛發(fā)生翻車、側(cè)翻等嚴(yán)重事故時(shí)，相關(guān)感應(yīng)器感應(yīng)到后實(shí)時(shí)向處理器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)處理器、北斗等系統(tǒng)，以短報(bào)文的形式向附近的救援平臺(tái)發(fā)出求救信號(hào)，及時(shí)救助駕駛員生命。北斗短報(bào)文求流程如圖5所示。

圖5 北斗短報(bào)文求救流程圖

2 應(yīng)用與展望

2.1 應(yīng)用

基于信息時(shí)代，科技高速發(fā)展，越來(lái)越多的駕駛?cè)藛T習(xí)慣開(kāi)車?yán)脤?dǎo)航，故將本系統(tǒng)與導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合無(wú)疑是錦上添花[8]。打開(kāi)軟件，進(jìn)入系統(tǒng)，駕駛者根據(jù)自己在夜間的駕駛情況，可選擇開(kāi)啟夜間模式，配合導(dǎo)航系統(tǒng)的語(yǔ)音工具，及時(shí)通報(bào)周圍的道路情況及需要注意的事項(xiàng)，如有特殊情況，可一鍵求救，爭(zhēng)取黃金救援時(shí)間。

本成果在解決車輛夜間行駛安全問(wèn)題上具有可行性。對(duì)于車輛本身而言，本成果在車輛行駛過(guò)程中對(duì)車輛起到了監(jiān)測(cè)和保護(hù)作用。夜間盲區(qū)監(jiān)測(cè)功能有效地解決了車輛在駕駛員不清楚盲區(qū)路況的情況下與道路路障碰撞的問(wèn)題。防側(cè)翻功能使車輛在彎道及其他路況條件下能夠保持車輛的穩(wěn)態(tài)而減小側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)，降低事故發(fā)生率。對(duì)于駕駛員而言，本成果在一定程度上能幫助本車駕駛員提前預(yù)知潛在危險(xiǎn)并采取措施來(lái)修正車輛，極端情況下可以幫助駕駛員快速求救，減少被困時(shí)間；對(duì)于地面監(jiān)測(cè)平臺(tái)而言，本成果采集到信息路段側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)信息后，監(jiān)測(cè)平臺(tái)根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以提煉出有效信息，不僅可以將其結(jié)果反饋給其他地面終端用戶，還可以為處理人提出道路修正措施提供理論依據(jù)。

現(xiàn)階段無(wú)人駕駛技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，本成果中包含了關(guān)于強(qiáng)制控制車輛行駛狀態(tài)的功能，這也為實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛技術(shù)的安全性提供了支持。

2.2 不足

然而，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍有不足之處。該系統(tǒng)對(duì)于酒駕等駕駛員個(gè)人問(wèn)題無(wú)法解決，即使有提示、警示，也不一定能阻止駕駛員的駕駛以及保護(hù)駕駛員的駕駛安全；在山區(qū)非水泥路段，路面濕滑情況不同，對(duì)路面不平等級(jí)的評(píng)估精確度有影響；若大貨車裝載的是液體，車輛重心在不同路段變化大，對(duì)于側(cè)傾角度的計(jì)算存在影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，改進(jìn)了車輛行駛時(shí)自身狀態(tài)的判定和修正方案，使車輛在夜間行駛時(shí)也能隨時(shí)保證平穩(wěn)狀態(tài)，并隨時(shí)提醒本車駕駛員前方路段情況和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。對(duì)臨近車輛有安全保護(hù)作用，提前預(yù)防潛在危險(xiǎn)。同時(shí)反饋的行駛數(shù)據(jù)也能幫助相關(guān)人員找出道路潛在風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)采取措施，并且發(fā)生事故后駕駛員能夠及時(shí)報(bào)警，獲得黃金救援時(shí)間，能夠挽救生命財(cái)產(chǎn)等損失，所獲取的交通信息也有利于豐富我國(guó)道路交通安全信息庫(kù)。