大型車輛電子外后視鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

孫德生，李 鋒

（1.深圳智者行天下科技有限公司，廣東 深圳 518133；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483）

大型車輛包括大貨車、泥頭車、大巴車、客運(yùn)車等，這些車有一些共同特點(diǎn)，比如車身高、體積大、軸距長(zhǎng)、內(nèi)外輪差大，導(dǎo)致車身周圍存在多個(gè)盲區(qū)，比如車頭盲區(qū)、車尾盲區(qū)、A柱盲區(qū)、右轉(zhuǎn)軌跡盲區(qū)［1-3］。目前大型車輛依靠多片物理鏡片解決了部分盲區(qū)，但在雨霧天容易在物理鏡片上沾水、起霧造成行車時(shí)觀察困難，增加了安全隱患。近年來(lái)由于大型車輛盲區(qū)問(wèn)題引發(fā)的交通事故越來(lái)越多，利用科技手段解決盲區(qū)問(wèn)題刻不容緩［4-5］。歐洲ECE R46標(biāo)準(zhǔn)已允許使用電子外后視鏡替代物理鏡片后視鏡，奔馳全新Actros大貨車上已經(jīng)導(dǎo)入電子外后視鏡替代了傳統(tǒng)物理后視鏡，也只解決了側(cè)后方盲區(qū)，左右側(cè)車頭盲區(qū)無(wú)法覆蓋，只解決了局部的盲區(qū)問(wèn)題，價(jià)格還很昂貴。目前國(guó)內(nèi)市面上也有一些盲區(qū)輔助產(chǎn)品，顯示屏幕小，配置的攝像頭夾在外后視鏡桿子上或固定在車身上，很多大型車輛車頭比車廂要窄，安裝在車頭車身就會(huì)被擋住，裝在車身上，車頭又兼顧不到，安裝環(huán)境決定了攝像頭需要使用大角度的，但是圖像變形也大，駕駛員參考圖像判斷誤差會(huì)較大。

本文提出采取多路攝像頭視頻技術(shù)和使用攝像頭固定新型安裝掛臂的大型車輛電子外后視鏡，既能解決車輛的側(cè)后方和側(cè)前方視覺(jué)盲區(qū)，又能解決倒車盲區(qū)，并且支持DVR錄像功能，有緊急情況需要回放時(shí)可快速回放錄像，維護(hù)駕駛員合法利益。大尺寸屏幕顯示高清晰度盲區(qū)圖像，可以大大降低大型車輛因?yàn)槊^(qū)原因引發(fā)的交通事故，給駕駛員提供更好的行車安全服務(wù)和體驗(yàn)，整套解決方案經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性都相當(dāng)突出。

1 電子外后視鏡硬件系統(tǒng)

電子外后視鏡解決方案基于MSC8339芯片平臺(tái)，接入多路攝像頭，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了用于攝像頭固定的新型支點(diǎn)掛臂。

1.1 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)

電子外后視鏡硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 電子外后視鏡硬件原理框圖

主控制器SOC采用MSC8339芯片平臺(tái)，ARM Cortex-A7單核800MHz主頻，支持同時(shí)輸入兩路攝像頭數(shù)據(jù)，支持兩路1080P錄像，支持SDIO WiFi模塊接入，支持聲音輸入輸出，支持SPI Nor、Nand、TF card存儲(chǔ)設(shè)備接入，接入GNSS模塊提供系統(tǒng)時(shí)間、位置、速度等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5個(gè)硬按鍵和支持紅外遙控作為輸入操作控制。側(cè)后方攝像頭通過(guò)一路視頻解串器輸入到主控制器，側(cè)前方攝像頭和倒車攝像頭通過(guò)另外一路視頻解串器進(jìn)行二選一，輸入到主控制器，3個(gè)攝像頭分辨率均為1080P。系統(tǒng)配置12.3寸高亮度顯示屏，顯示分辨率為1920×720，亮度高達(dá)700nits，超視角，符合RoHs要求［6］。系統(tǒng)采用寬電壓設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)電壓為24V，支持9～36V電源輸入。

1.2 攝像頭短掛臂和長(zhǎng)掛臂

大型車輛種類多，從車頭跟車身寬度比較的角度來(lái)分，有車頭跟車身寬度非常接近的車，比如大巴車、渣土車；也有車頭比車身窄的車，比如大貨車、掛車、拖車。針對(duì)不同特征的車，如果攝像頭采取同一種處理方法難以覆蓋需求。

針對(duì)車頭跟車身寬度非常接近的車輛，設(shè)計(jì)一個(gè)攝像頭短掛臂，如圖2所示。

短掛臂上可以放置2個(gè)攝像頭，一個(gè)朝后的側(cè)后方攝像頭和一個(gè)朝下的側(cè)前方攝像頭，可以小范圍撥動(dòng)調(diào)節(jié)視角。短掛臂可以安裝在車頭部分，通過(guò)打通螺絲固定。

針對(duì)車頭比車身窄的車輛，設(shè)計(jì)一個(gè)攝像頭長(zhǎng)掛臂，如圖3所示。

圖2 攝像頭短掛臂

長(zhǎng)掛臂的臂膀比較長(zhǎng)，約60cm，安裝在車頭上，通過(guò)臂膀伸出來(lái)攝像頭可以輕松看到側(cè)后方和側(cè)前方的圖像。

圖3 攝像頭長(zhǎng)掛臂

2 電子外后視鏡軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子外后視鏡軟件系統(tǒng)基于嵌入式小系統(tǒng)，把多個(gè)攝像頭數(shù)據(jù)根據(jù)場(chǎng)景來(lái)做分屏顯示，支持DVR錄像、紅外遙控器和硬按鍵輸入控制，支持基于WiFi的手機(jī)互聯(lián)功能，包括在線固件升級(jí)、電子質(zhì)保等。

2.1 分屏顯示

電子外后視鏡同時(shí)最多只能顯示兩路攝像頭圖像，因此在沒(méi)有倒車事件時(shí)就分屏顯示側(cè)前方和側(cè)后方的攝像頭圖像，有倒車的時(shí)候就顯示側(cè)后方和車尾攝像頭的圖像［7-8］。整個(gè)屏幕分辨率為720×1920，側(cè)后方攝像頭水平角度為120°，垂直角度為65°，視野大，車輛行駛過(guò)程中注意力也會(huì)是重點(diǎn)觀察的區(qū)域，因此將側(cè)后方攝像頭顯示分辨率設(shè)置大一些，為720×1280。由于角度比較大，圖像即使做了一些畸變校正，圖像周邊變形還是會(huì)較大一點(diǎn)，因此裁剪掉變形稍大的部分，截取1280×720的圖像大小來(lái)做顯示，做到1∶1顯示，變形最小，真實(shí)感、距離感都是最好的。側(cè)前方的攝像頭由于是朝下的，水平角度為83°，垂直角度為50°，攝像頭圖像有一部分跟側(cè)后方是有重疊的，因此重點(diǎn)關(guān)注的是正下方和靠車頭部分，通過(guò)圖像采樣截取640×720大小的圖像。實(shí)際安裝顯示效果如圖4所示。系統(tǒng)兼容設(shè)計(jì)倒車攝像頭，在倒車時(shí)，自動(dòng)切換倒車攝像頭來(lái)替代側(cè)前方攝像頭，解決后視倒車盲區(qū)問(wèn)題。

圖4 電子外后視鏡分屏顯示

2.2 錄像和輸入控制設(shè)計(jì)

盲區(qū)圖像顯示的同時(shí)能把行駛動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)下來(lái)也很重要，有異常狀況時(shí)可以及時(shí)在本機(jī)回放，維護(hù)駕駛員權(quán)益。系統(tǒng)使用的主控MSC8339支持兩路1080P圖像H.264硬編碼，存儲(chǔ)到TF卡里，新錄的文件覆蓋最早錄的文件，循環(huán)錄像。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間小于3s，工作常態(tài)為開(kāi)機(jī)直接進(jìn)入分屏顯示視頻畫(huà)面，除了跟錄像設(shè)置和回放相關(guān)的操作外幾乎可以不用操作，因此考慮整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，不集成觸摸屏，設(shè)計(jì)上留了5個(gè)硬按鍵和紅外遙控輸入。單獨(dú)通過(guò)這5個(gè)硬按鍵或者通過(guò)紅外遙控器能完成系統(tǒng)所有功能操作。

2.3 基于WiFi手機(jī)互聯(lián)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上沒(méi)有集成通信模塊，但設(shè)計(jì)了WiFi模塊，為了手機(jī)能與系統(tǒng)互聯(lián)，在手機(jī)端開(kāi)發(fā)基于WiFi局域網(wǎng)私有協(xié)議的APP（車智享），來(lái)實(shí)現(xiàn)一些需要聯(lián)網(wǎng)的功能。

2.3.1 DVR相關(guān)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)WiFi模塊默認(rèn)為AP模式，手機(jī)車智享通過(guò)連接電子外后視鏡的熱點(diǎn)，連接成功后手機(jī)跟電子外后視鏡就可以完成局域網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，通過(guò)通信可以拿到電子外后視鏡的軟件系統(tǒng)版本、存儲(chǔ)卡的健康狀態(tài)、產(chǎn)品的質(zhì)保信息等，可以做一些錄像的設(shè)置，比如設(shè)置錄像分辨率、碼率、格式化TF卡等。同時(shí)基于FTP協(xié)議可以把設(shè)備里面的錄像文件和拍照文件通過(guò)WiFi下載到手機(jī)上，便于分享和必要的時(shí)候展示證據(jù)。

2.3.2 系統(tǒng)固件升級(jí)

手機(jī)連上電子外后視鏡的WiFi后就不能連接外網(wǎng)了，無(wú)法獲取存儲(chǔ)在外網(wǎng)服務(wù)器上的軟件系統(tǒng)版本和電子質(zhì)保信息。在車智享上設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備WiFi模式切換的功能，讓手機(jī)做熱點(diǎn)AP功能，設(shè)備做STA功能，需要切換的時(shí)候通過(guò)車智享把手機(jī)端擬設(shè)置的熱點(diǎn)名稱和密碼通過(guò)私有協(xié)議先發(fā)給設(shè)備，設(shè)備收到后回傳信息到車智享，同時(shí)關(guān)閉WiFi熱點(diǎn)，打開(kāi)AP模式持續(xù)嘗試連接手機(jī)熱點(diǎn)［9］。車智享收到確認(rèn)信息后，立馬可以申請(qǐng)關(guān)閉WiFi，同時(shí)打開(kāi)WiFi熱點(diǎn)。待設(shè)備連上手機(jī)熱點(diǎn)后，設(shè)備和手機(jī)又處于同一個(gè)局域網(wǎng)下，不但所有基于局域網(wǎng)的通信可正常操作，此時(shí)手機(jī)還具備連接外網(wǎng)的能力，連接狀態(tài)邏輯圖如圖5所示。

圖5 連接狀態(tài)邏輯

手機(jī)車智享可獲取服務(wù)器上設(shè)備最新的固件程序版本，如果比當(dāng)前設(shè)備的固件程序新，可以一鍵更新固件。車智享通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上獲取最新的固件文件，再通過(guò)WiFi通信傳送給設(shè)備，設(shè)備把固件儲(chǔ)存到TF卡上，校驗(yàn)固件沒(méi)有異常即可重啟機(jī)器自動(dòng)進(jìn)入升級(jí)模式，升級(jí)完成后自動(dòng)刪除TF卡里的程序免得系統(tǒng)重復(fù)進(jìn)入升級(jí)模式。

2.3.3 電子質(zhì)保設(shè)計(jì)

產(chǎn)品都有一個(gè)質(zhì)保期，目前通行的做法為做質(zhì)?？ǎ也坏劫|(zhì)?？艘再?gòu)物發(fā)票實(shí)際為準(zhǔn)，再則就是以出廠時(shí)間計(jì)算。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電子質(zhì)保信息，把電子質(zhì)保信息存儲(chǔ)到云端服務(wù)器，每個(gè)機(jī)器有唯一條形碼標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后彈出請(qǐng)激活電子質(zhì)保信息的提示框，在沒(méi)有完成電子質(zhì)保信息的情況下每5min彈一次，促進(jìn)客戶激活電子質(zhì)保。

設(shè)備跟手機(jī)車智享連接后，車智享拿到設(shè)備的條形碼查詢?cè)贫耸欠裼须娮淤|(zhì)保信息，如果沒(méi)有，提示用戶立即在車智享上激活電子質(zhì)保，操作車智享可觸發(fā)激活指令到云端服務(wù)器，同時(shí)發(fā)送質(zhì)保信息到設(shè)備端，設(shè)備端把電子質(zhì)保信息存儲(chǔ)到EEPROM，設(shè)備后面每次開(kāi)機(jī)自動(dòng)查詢EEPROM里是否有電子質(zhì)保信息，如果有就不彈提示框，如果沒(méi)有就彈提示框。這種電子質(zhì)保設(shè)計(jì)保護(hù)了消費(fèi)者權(quán)益，也便于廠商售后管理。

2.4 實(shí)測(cè)情況

在陰天、霧天等弱光環(huán)境下，反射后二次衰減，弱光環(huán)境下駕駛員無(wú)法觀察清楚，裝備了電子外后視鏡后，實(shí)測(cè)效果如圖6所示。

下雨等惡劣天氣，玻璃鏡片無(wú)法正常光學(xué)反射，不便于觀察側(cè)后方路況的情況，實(shí)測(cè)效果對(duì)比如圖7所示。

夜視環(huán)境下，清晰看見(jiàn)人和物體，后向強(qiáng)光照射下成像清晰不刺眼，如圖8所示。

圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性非常重要，視頻圖像的延時(shí)主要由攝像頭從采集到輸出圖像、傳輸控制、屏幕顯示延時(shí)組成［10］。系統(tǒng)圖像延時(shí)實(shí)測(cè)小于80ms，滿足該類產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性要求。更換成高幀率的攝像頭系統(tǒng)圖像延時(shí)能小于60ms，但整個(gè)系統(tǒng)的方案成本將明顯增加。

圖6 陰天等弱光環(huán)境下對(duì)比

圖7 雨天效果對(duì)比

圖8 夜晚弱光環(huán)境下對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了電子外后視鏡的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在實(shí)測(cè)中，對(duì)比了各種天氣環(huán)境下物理鏡片和電子外后視鏡的顯示效果，電子外后視鏡各方面都明顯占優(yōu)。系統(tǒng)沒(méi)有支持觸摸屏操控上稍顯麻煩，設(shè)計(jì)了手機(jī)互聯(lián)功能一定程度彌補(bǔ)了操控上的不足，整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本經(jīng)濟(jì)性好，實(shí)用性佳。國(guó)外有不少國(guó)家已經(jīng)立法允許使用電子后視鏡來(lái)替代物理鏡片方式，國(guó)內(nèi)電子內(nèi)后視鏡解決方案既能做電子鏡顯示，又能做物理鏡顯示［10］，在一些前裝車廠已經(jīng)導(dǎo)入，在未來(lái)幾年內(nèi)也勢(shì)必會(huì)推進(jìn)電子外后視鏡的合法性，目前國(guó)內(nèi)只能加裝，但市場(chǎng)需求旺盛前景廣闊。