汽車(chē)防碰撞預(yù)警及自控與救援系統(tǒng)

汪齊齊 張金偉

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 安徽淮南 232001)

道路上正出現(xiàn)越來(lái)越多的車(chē)輛，截止到2022年初，中國(guó)的汽車(chē)保有量突破3億輛。路上車(chē)流不息，隨之而來(lái)的是各樣的交通事故，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，交通事故的主要原因多是由司機(jī)超速行駛、酒后駕駛、疲勞駕駛導(dǎo)致的反應(yīng)不及時(shí)造成的，眾多的交通事故中約78%是因汽車(chē)碰撞導(dǎo)致[1]，因此發(fā)展此系統(tǒng)十分有必要，能在出事前幾秒進(jìn)行報(bào)警或自動(dòng)處理以避免汽車(chē)碰撞，能極大保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

該文有以下幾點(diǎn)特色：（1）多種傳感器：速度、加速度、圖像傳感器等采集所要的信息[2]；（2）多種防撞預(yù)警系統(tǒng)：超聲波、雷達(dá)、紅外線預(yù)警系統(tǒng)來(lái)感知周?chē)h(huán)境；（3）剎車(chē)控制連接安全氣囊實(shí)現(xiàn)即使未發(fā)生碰撞也能彈出安全氣囊[3]起到保護(hù)人員的作用；（4）預(yù)警危險(xiǎn)、擇時(shí)控制車(chē)輛，采集、處理、上傳碰撞信息，以供救援人員及時(shí)響應(yīng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)此系統(tǒng)前筆者首先考慮以下問(wèn)題：（1）如何感知到危險(xiǎn)的存在。這其中還應(yīng)考慮到如何區(qū)分普通信號(hào)、危險(xiǎn)信號(hào)。（2）檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)后如何處理分析并采取措施。及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行控制，還是僅報(bào)警以待司機(jī)處理。（3）如何控制車(chē)輛。分析計(jì)算危險(xiǎn)信號(hào)準(zhǔn)備開(kāi)啟自控功能后如何選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間控制剎車(chē)系統(tǒng)并判斷是否彈出安全氣囊。（4）自控過(guò)程中如何根據(jù)周?chē)h(huán)境適當(dāng)調(diào)整。車(chē)輛行駛過(guò)程中一旦發(fā)生危險(xiǎn)狀況若不選取恰當(dāng)?shù)奈恢猛＼?chē)處理極有可能給后方車(chē)輛以及自身帶來(lái)一定的危險(xiǎn)。（5）碰撞發(fā)生后，如何第一時(shí)間發(fā)出碰撞地點(diǎn)、碰撞程度等信息至碰撞檢測(cè)中心以便及時(shí)救援。

針對(duì)問(wèn)題（1）尋找一種或多種合適的能相互配合相互彌補(bǔ)的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)來(lái)感知危險(xiǎn)信號(hào)。針對(duì)問(wèn)題（2）（3）采用控制系統(tǒng)和CPU處理器進(jìn)行防撞控制與危險(xiǎn)保護(hù)。針對(duì)問(wèn)題（4）利用超聲波的短距離特性辨識(shí)車(chē)輛周?chē)h(huán)境。針對(duì)問(wèn)題（5）利用加速度傳感器，將碰撞信號(hào)處理后發(fā)送給碰撞檢測(cè)中心，利用GPS 全球定位系統(tǒng)發(fā)送事故位置信息至相關(guān)道路安全部門(mén)[4]。解決以上問(wèn)題的流程圖具體見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)警自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，雷達(dá)、超聲波、紅外線防碰撞預(yù)警系統(tǒng)三者相互配合分別實(shí)現(xiàn)探測(cè)前方車(chē)輛與本車(chē)的距離速度等、周?chē)矬w可能對(duì)本車(chē)的影響、熱成像物體的圖像（采用多CPU 處理器更高效準(zhǔn)確地對(duì)圖像進(jìn)行處理），再將識(shí)別探測(cè)的結(jié)果送至汽車(chē)控制系統(tǒng)，進(jìn)行一系列復(fù)雜的信號(hào)分析處理計(jì)算，進(jìn)行決策探測(cè)的信號(hào)類(lèi)型[5]，若是危險(xiǎn)信號(hào)則啟動(dòng)報(bào)警并擇時(shí)利用CPU進(jìn)行控制剎車(chē)裝置、判斷開(kāi)啟安全氣囊。此部分硬件框圖具體見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊實(shí)現(xiàn)框圖

考慮到還有一些突發(fā)狀況會(huì)使碰撞發(fā)生，考慮結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6]完善此系統(tǒng)以供碰撞發(fā)生后的處理救援。此部分的實(shí)現(xiàn)主要基于部署在車(chē)輛前方的加速度傳感器節(jié)點(diǎn)終端，通過(guò)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到的碰撞數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與有線網(wǎng)絡(luò)接入將數(shù)據(jù)上傳于道路交管部門(mén)，有關(guān)部門(mén)根據(jù)車(chē)載GPS 定位到事故發(fā)生地實(shí)施救援行動(dòng)[7]。上述與道路安全部門(mén)聯(lián)接的方案具體見(jiàn)圖3。

圖3 碰撞發(fā)生后獲得救援

2 測(cè)試與分析

運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行仿真：模擬出道路狀況，設(shè)定車(chē)輛速度、行駛軌跡，假定道路上只有兩輛車(chē)，其余物體分別為非機(jī)動(dòng)車(chē)輛、行人、建筑物等。兩車(chē)行駛過(guò)程中[8]，甲車(chē)開(kāi)啟系統(tǒng)，乙車(chē)未開(kāi)啟。經(jīng)模擬[9]看出甲車(chē)前方一直發(fā)出探測(cè)信號(hào)，在遇到障礙物時(shí)會(huì)出現(xiàn)加重標(biāo)記，由于兩車(chē)距離較遠(yuǎn)、車(chē)速不高、道路兩旁物體未被系統(tǒng)標(biāo)記為危險(xiǎn)信號(hào)，因此甲車(chē)并未啟動(dòng)預(yù)警、自控系統(tǒng)，在路上正常行駛。從整體上看，此系統(tǒng)能夠較好地感知前方車(chē)輛及四周狀況。但因筆者時(shí)間、能力的原因，在自控彈出氣囊時(shí)控制剎車(chē)的過(guò)程并未實(shí)現(xiàn)；碰撞發(fā)生后進(jìn)行信息傳送的過(guò)程也未完全實(shí)現(xiàn)（僅在Things Board平臺(tái)實(shí)現(xiàn)）。

3 創(chuàng)新性說(shuō)明

自控時(shí)除考慮改車(chē)輛安全也考慮到根據(jù)周?chē)h(huán)境適當(dāng)調(diào)整保證其他車(chē)輛安全；剎車(chē)控制連接安全氣囊實(shí)現(xiàn)即使未發(fā)生碰撞也能彈出安全氣囊；事故發(fā)生后，能采集碰撞加速度物理信號(hào)，感知識(shí)別碰撞信號(hào)進(jìn)行處理判斷，并上傳至碰撞檢測(cè)云平臺(tái)，達(dá)到公路安全管理部門(mén)及時(shí)掌握事故的嚴(yán)重程度信息，并通過(guò)GPS 定位事故發(fā)生地做出及時(shí)響應(yīng)。

4 前景及展望

此系統(tǒng)思路可應(yīng)用在各種車(chē)輛當(dāng)中，降低事故發(fā)生的概率；此系統(tǒng)的感知報(bào)警功能可以應(yīng)用在一些危險(xiǎn)系數(shù)較大的工程當(dāng)中：地下礦物開(kāi)采、危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏探測(cè)等；也可為自動(dòng)駕駛時(shí)代的到來(lái)注入活力，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全感知、自動(dòng)處理等方面有巨大的應(yīng)用前景。不久的將來(lái)，街道上行駛的車(chē)輛都安上此系統(tǒng)，幫助解決疲勞駕駛、注意力不足等可能帶來(lái)的交通安全問(wèn)題。筆者愿此系統(tǒng)可以為道路安全問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，企業(yè)正布局汽車(chē)自動(dòng)駕駛，發(fā)展此類(lèi)系統(tǒng)不僅可以提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，為研究自動(dòng)駕駛技術(shù)提供一定的幫助，還能保障居民的出行安全。此系統(tǒng)有一定的創(chuàng)新性，希望可以合作互助早日做成完善系統(tǒng)。下面給汽車(chē)企業(yè)的讀者提出以下拙見(jiàn)：加大汽車(chē)安全技術(shù)的投入，對(duì)一些汽車(chē)相關(guān)的性能做出進(jìn)一步提高，對(duì)相關(guān)成本能控制在一個(gè)較合理的水平，保證居民有條件購(gòu)買(mǎi)安裝此系統(tǒng)；引入高技術(shù)高創(chuàng)新型人才，打造更好的產(chǎn)品使民眾認(rèn)可；具有一定的前瞻性，針對(duì)未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整與產(chǎn)業(yè)布局。