基于STM32的智能駕駛頭盔系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莊初鵬，龍諾春，楊建平，陳浩濤，黃睿

（廣東白云學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣東廣州，510450）

0 引言

中國是電動車和摩托車擁有量最多的國家之一，電動車和摩托車作為最受歡迎的便捷交通工具，它們在帶來便利的同時，頻繁出現(xiàn)的交通事故也是一個社會痛點(diǎn)。隨著“一盔一帶”的推行和頭盔佩戴率的上升，智能頭盔的種類呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有如“基于STM32單片機(jī)的騎行者智能頭盔系統(tǒng)設(shè)計(jì)”[1]可以監(jiān)測駕駛員體溫、心率等身體狀況、GPS定位功能；“基于Arduino的碰撞報(bào)警與監(jiān)測智能頭盔”[2]可以監(jiān)測駕駛員監(jiān)測體溫、心率等身體狀況，遇到碰撞等危險會發(fā)送求助信息給緊急聯(lián)系人；“基于STM32 智能騎行頭盔的設(shè)計(jì)”[3]實(shí)現(xiàn)騎行視頻錄制、GPS定位、音頻播放、轉(zhuǎn)向提示等功能。傳統(tǒng)智能頭盔僅是增加附加功能[4]，少有針對駕駛安全方面的設(shè)計(jì)。本智能頭盔將針對駕駛安全方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過交通事故因素分析[5-6]，得出由個人主觀失誤導(dǎo)致發(fā)生事故主要有以下幾點(diǎn)因素：駕駛時注意力不集中；彎道、轉(zhuǎn)彎等路況沒注意觀察后方有無來車；出現(xiàn)緊急情況時反應(yīng)時間長、剎車不及時。針對上述因素，該頭盔設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能：使用激光雷達(dá)PLS-P400監(jiān)測前方物體距離，結(jié)合毫米波雷達(dá)DM-19捕獲物體靠近速度，經(jīng)過軟件算法判斷是否會發(fā)生碰撞危險；毫米波雷達(dá)DM-19監(jiān)測左后方、右后方來車；通過姿態(tài)傳感器JY901實(shí)時監(jiān)測駕駛員駕駛狀態(tài)。利用語音模塊JR6001播放系統(tǒng)提示語音詞條。擁有前、后及兩側(cè)等各方檢測功能?！榜{駛安全智能頭盔”補(bǔ)充電動車、摩托車安全性能短板，對于電動摩托車事故的減少有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了減少頭盔本身的重量以及提高傳感器工作的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用一個主機(jī)兩個從機(jī)工作模式，主機(jī)從機(jī)之間采用2.4G頻率無線通信，硬件的安裝位置如圖1所示。頭盔為主機(jī)，負(fù)責(zé)連接從機(jī)、姿態(tài)分析、語言提示。安裝于車頭的傳感器為從機(jī)1，負(fù)責(zé)判斷前方是否發(fā)生碰撞危險、與主機(jī)通信。安裝于車尾的傳感器為從機(jī)2，負(fù)責(zé)監(jiān)測后方來車、與主機(jī)通信。系統(tǒng)組成圖如圖2所示。主控芯片為STM32，主機(jī)中姿態(tài)分析傳感器作為輸入端，震動器和語音模塊作為輸出端，無線通信模塊作為信息輸入和信息輸出端。從機(jī)1中毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)作為信息輸入端，從機(jī)2中毫米波雷達(dá)作為信息輸入端。

圖1 硬件位置示意圖

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 頭盔（主機(jī)）硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由喇叭、震動器、藍(lán)牙多媒體模塊、語音模塊JR6001、無線通信模塊NRF24l01-01S、姿態(tài)傳感器JY901[7]、主控芯片STM32F103RCT6構(gòu)成。姿態(tài)傳感器檢測到不正確駕駛姿勢時，會觸發(fā)語音模塊做出相應(yīng)的語言提示。無線通訊模塊接受到前后端傳感器發(fā)送的報(bào)警信息時也會觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警和提示，同時可以發(fā)送相應(yīng)的指令給從機(jī)。藍(lán)牙多媒體模塊獨(dú)立于報(bào)警系統(tǒng)，可以連接藍(lán)牙設(shè)備。電路接線如圖4所示，姿態(tài)傳感器JY901連接到串口2，語音模塊JR6001連接到串口3，無線通信模塊NRF24l01-01S連接單片機(jī)定義的6個SPI通信I/O口。

圖3 主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 主機(jī)模塊與單片機(jī)連接圖

2.2 從機(jī)1硬件結(jié)構(gòu)

從機(jī)1主要由激光雷達(dá)PLS-P400、毫米波雷達(dá)DM-19、無線通信模塊NRF24l01-01S、主控芯片STM32F103C8T6構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。激光雷達(dá)獲取前方物體的距離數(shù)據(jù)、毫米波雷達(dá)監(jiān)測前方物體靠近的速度，經(jīng)過主控芯片相應(yīng)的算法分析是否會發(fā)生危險。相應(yīng)的信息通過無線通訊模塊發(fā)送信息到主機(jī)中，由主機(jī)發(fā)出相應(yīng)的語音提示或者警報(bào)，同時也可接受主機(jī)發(fā)送過來的校準(zhǔn)指令。電路接線如圖6所示，激光雷達(dá)PLS-P400連接到串口2，毫米波雷達(dá)DM-19連接到串口3，無線通信模塊NRF24l01-01S連接單片機(jī)定義的6個SPI通信I/O口。

圖5 前向傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6 從機(jī)1模塊與單片機(jī)連接圖

2.2.1 激光雷達(dá)PLS-P400原理

激光雷達(dá)原理示意圖如圖7所示，激光發(fā)射器的發(fā)射端發(fā)出一束經(jīng)過系統(tǒng)編譯的脈沖激光[8]，發(fā)射的激光遇到物體時會有一定的反射率，反射的激光雖然會受物體的影響，但是經(jīng)過編譯的脈沖信息可以直接被識別，可以區(qū)于環(huán)境噪聲，最大減少了環(huán)境噪聲影響。激光接收端接收經(jīng)過物體表面調(diào)制的脈沖后，分析被調(diào)制之后的簽名，從中準(zhǔn)確計(jì)算出二者的飛行時間t，已知光速c，推出距離D的計(jì)算公式：。模塊參數(shù)如表1所示，引腳連接單片機(jī)對應(yīng)接口。

圖7 激光雷達(dá)原理示意圖

表1 激光傳感器引腳參數(shù)表

2.2.2 毫米波雷達(dá)DM-19原理

毫米波雷達(dá)測速原理[9]是利用發(fā)射電磁波遇到移動的物體，物體把電磁波回傳之后接受到變化的頻率，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[10]來判斷物體的位移。毫米波雷達(dá)發(fā)射頻率為f；接收到的物體反射回波頻率為f±fp（其中fp為多普勒頻率[8]）；目標(biāo)的相對速度v的關(guān)系為（其中c為光速）；由此得（其中，，為發(fā)射電磁波的波長）；安裝方位和測量距離的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。模塊參數(shù)如2表所示，對應(yīng)引腳連接單片機(jī)對應(yīng)接口。

圖8 DM—19安裝角度和測量距離的對應(yīng)關(guān)系

表2 毫米波雷達(dá)引腳參數(shù)表

2.3 從機(jī)2硬件結(jié)構(gòu)

從機(jī)2主要由電池、毫米波雷達(dá)PLS-P40、無線通信模塊NRF24l01-01S、主控芯片STM32F103C8T6組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示。毫米波雷達(dá)獲取左右后方車輛靠近的速度數(shù)據(jù)，經(jīng)過主控芯片的算法分析來辨別來車情況，處理后的信息通過無線通訊模塊發(fā)送信息到主機(jī)中，由主機(jī)發(fā)出相應(yīng)的語音提示或者警報(bào)，同時也可接受主機(jī)發(fā)送過來的校準(zhǔn)指令。接線如圖10所示，毫米波雷達(dá)1連接到串口2，毫米波雷達(dá)2連接到串口3，無線通信模塊NRF24l01-01S連接單片機(jī)定義的6個SPI通信I/O口。

圖9 后向傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

圖10 從機(jī)2模塊與單片機(jī)連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件邏輯流程如圖11所示，系統(tǒng)軟件主要有語音提示系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、姿態(tài)分析函數(shù)、速度和距離分析函數(shù)。主機(jī)和從機(jī)都有獨(dú)立的MCU，各自獨(dú)立的處理系統(tǒng)，主機(jī)與兩個從機(jī)之間使用無線通信。前傳感器讀取前方距離和靠近速度經(jīng)過算法處理，若需要報(bào)警則通過無線模塊向頭盔主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。后傳感器獲取后方物體靠近速度，經(jīng)過算法處理判斷后方來車，若需要報(bào)警則通過無線模塊向頭盔主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。頭盔主機(jī)接受報(bào)警信號后，系統(tǒng)觸發(fā)相應(yīng)語音提示信息。姿態(tài)經(jīng)過算法分析，檢測到不恰當(dāng)姿態(tài)時觸發(fā)語音模塊播報(bào)相應(yīng)語音，震動器為輔助提示用，由芯片接MOS管驅(qū)動。

圖11 總體邏輯示意圖

程序流程如圖12所示，系統(tǒng)開啟后等待主機(jī)與從機(jī)連接，連接成功后同時開始監(jiān)測姿態(tài)、碰撞預(yù)警、后方來車等程序，其中滿足觸發(fā)條件會進(jìn)入語言播放程序，如果沒有及時調(diào)整回正確駕駛狀態(tài)，會觸發(fā)震動報(bào)警程序。

圖12 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 模塊的數(shù)據(jù)分析

3.2.1 姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)分析

姿態(tài)檢測使用串口通信（USART），通信數(shù)據(jù)包位16進(jìn)制，數(shù)據(jù)表如表3、表4所示，數(shù)據(jù)來源模塊官方資料（維特智能JY901 姿態(tài)角度傳感器）。

表3 姿態(tài)分析角速度輸出

表4 姿態(tài)分析角度輸出

角速度計(jì)算公式：

角度計(jì)算公式：

溫度計(jì)算公式：

3.2.2 毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

模塊使用串口通訊（USART），返回?cái)?shù)據(jù)說明： 返回字符串“v (km/h) is xx++++”: 檢測到正在遠(yuǎn)離的目標(biāo)，速度為 xx km/h。返回字符串“v (km/h) is xx----”: 檢測到正在靠近的目標(biāo)，速度為 xx km/h。直達(dá)目標(biāo)離開雷達(dá)的有效監(jiān)測范圍。速度的值在字符13位14位，將字符類型的數(shù)字轉(zhuǎn)化為整型數(shù)字即可（單位km/h），通過判斷第15至16位字符是“+”或“-”來確定目標(biāo)正在遠(yuǎn)離或靠近。

3.2.3 激光雷達(dá)程序設(shè)計(jì)

激光測距雷達(dá)通信協(xié)議是構(gòu)建在串口通信協(xié)議基礎(chǔ)之上的應(yīng)用層協(xié)議，協(xié)議最大幀長度為 8字節(jié)，使用小端格式。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如表5所示，數(shù)據(jù)來源模塊官方資料（派歐機(jī)電-激光雷達(dá)PLS-P400）。

表5 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

Bytes：表示字節(jié)個；Key：功能配置位；Value：數(shù)據(jù)位。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的“駕駛安全預(yù)警頭盔”沒有車輛類型的限制，只要駕駛?cè)税杨^盔戴上，在車上安裝好傳感器分塊，可以便捷的安裝在任何車輛上，不需要對車輛進(jìn)行改裝。主、從機(jī)使用無線通信工作方式，各部分獨(dú)立運(yùn)行，保證運(yùn)行速度同時減少相互干擾。部分傳感器安裝于車上，增加穩(wěn)定性、減少頭盔的重量。使用姿態(tài)傳感器監(jiān)測駕駛員頭部狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)不正常駕駛狀態(tài)時及時警報(bào)提醒駕駛員，并帶有語音提醒、無線通信等功能。前傳感器使用激光雷達(dá)可探測遠(yuǎn)距離物體，毫米波雷達(dá)監(jiān)測速度結(jié)合算法提前預(yù)警碰撞的發(fā)生。后傳感器使用兩個毫米波雷達(dá)結(jié)合算法檢測后方來車。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電動車、摩托車小型車的后方來車提醒，碰撞預(yù)警等駕駛安全輔助功能，同時還能監(jiān)測駕駛狀態(tài)，減少因駕駛員駕駛狀態(tài)不佳而導(dǎo)致的事故，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價值。