車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置

周存芳

江蘇聯(lián)合學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)分院 江蘇省蘇州市 215123

1 技術(shù)背景

生活中，常常看到很多動(dòng)物慘死在車(chē)輪底下的慘劇，使人不又感到惋惜，尤其對(duì)于動(dòng)物主人而言更為心痛，也會(huì)因?yàn)閯?dòng)物被車(chē)輛誤傷，而引起動(dòng)物主人與車(chē)主之間的矛盾。

本裝置是屬于汽車(chē)安全領(lǐng)域的輔助智能控制系統(tǒng)，在汽車(chē)底盤(pán)下安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)動(dòng)物的裝置，監(jiān)測(cè)到底盤(pán)下有藏匿小動(dòng)物后，能夠提醒車(chē)主，引起注意，從而避免動(dòng)物被誤傷的慘劇發(fā)生。為此，提出車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

本裝置檢測(cè)組件包括車(chē)輛、殼體、螺栓、固定耳、蓄電池、圖像識(shí)別器、鋼化玻璃罩、蜂鳴器和單目攝像頭；升降組件包括高度傳感器、限位桿、固定板、通孔、柱形通孔、氣缸和控制器；車(chē)輛的底部一側(cè)設(shè)有殼體，殼體的底部中心處設(shè)有單目攝像頭，殼體的內(nèi)部底壁一側(cè)安裝有圖像識(shí)別器，單目攝像頭的信號(hào)輸出端通過(guò)導(dǎo)線與圖像識(shí)別器的信號(hào)輸入端信號(hào)連接，殼體的底部一側(cè)安裝有蜂鳴器，蜂鳴器的電性輸入端通過(guò)導(dǎo)線與圖像識(shí)別器的電性輸出端電性連接。

殼體的內(nèi)部底壁另一側(cè)安裝有蓄電池。殼體的外側(cè)壁對(duì)稱(chēng)焊接有八個(gè)固定耳，八個(gè)所述固定耳的內(nèi)部均螺紋連接有螺栓，殼體通過(guò)螺栓固定連接于車(chē)輛的底部一側(cè)。殼體的下表面中心處開(kāi)設(shè)有通孔，通孔的內(nèi)部設(shè)有固定板，單目攝像頭安裝于固定板的下表面。固定板的下表面粘接有鋼化玻璃罩。固定板的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)有兩個(gè)柱形通孔，兩個(gè)所述柱形通孔的內(nèi)部均設(shè)有限位桿，限位桿的兩端分別焊接于殼體的內(nèi)部頂壁和內(nèi)部底壁。

殼體的內(nèi)部頂壁中心處安裝有氣缸，氣缸的活塞桿焊接于固定板的上表面。殼體的下表面一側(cè)安裝有高度傳感器，殼體的內(nèi)部頂壁安裝有控制器，控制器的信號(hào)輸入端通過(guò)導(dǎo)線與高度傳感器的信號(hào)輸出端信號(hào)連接。如圖1。

圖1 車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)圖

3 工作原理

通過(guò)螺栓和固定耳將本裝置固定在車(chē)輛的底部一側(cè)，當(dāng)車(chē)輛底部出現(xiàn)小動(dòng)物后，單目攝像頭拍攝汽車(chē)危險(xiǎn)部位的影像，然后將信號(hào)發(fā)送到圖像識(shí)別器的內(nèi)部，通過(guò)圖像識(shí)別器將單目攝像頭拍攝的影像進(jìn)行分析與處理，如果發(fā)現(xiàn)小動(dòng)物的影像，就會(huì)將信號(hào)發(fā)送到車(chē)輛內(nèi)部的顯示器上面，提醒人們車(chē)輛底部出現(xiàn)小動(dòng)物，然后蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出刺耳的聲響，可以將小動(dòng)物進(jìn)行驅(qū)趕，圖像識(shí)別器采用Jetson nano模塊，Jetson nano 模塊是汽車(chē)危險(xiǎn)部位防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置電路的核心，在模塊內(nèi)部預(yù)先燒錄好ubuntu 系統(tǒng)，搭建好環(huán)境，通過(guò)python 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，利用opencv 及一些庫(kù)，實(shí)現(xiàn)特征算法的抓取，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭探測(cè)到小動(dòng)物后，程序識(shí)別到小動(dòng)物存在并執(zhí)行蜂鳴器占空比50%鳴叫的結(jié)果，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)行行駛時(shí)，路面會(huì)有高低不同的情況出現(xiàn)，此時(shí)，通過(guò)高度傳感器對(duì)路面的高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)路面出現(xiàn)坑洼或減速帶時(shí)，高度傳感器將信號(hào)發(fā)送到控制器的內(nèi)部，然后通過(guò)控制器啟動(dòng)氣缸，氣缸活塞桿的移動(dòng)帶動(dòng)固定板進(jìn)行移動(dòng)，從而將單目攝像頭收入殼體的內(nèi)部，避免了單目攝像頭受到損壞的情況出現(xiàn)，本裝置提供了車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置，避免了因駕駛員的忽視，未發(fā)現(xiàn)小動(dòng)物在汽車(chē)危險(xiǎn)部位藏匿，而急于啟動(dòng)汽車(chē)，從而導(dǎo)致小動(dòng)物被駕駛員誤傷到的慘劇。

4 實(shí)施方法

為了解決上述技術(shù)要求，創(chuàng)新作品中在技術(shù)方案方面作了以下設(shè)計(jì)：

1.考慮到圖像識(shí)別牽涉到很復(fù)雜的算法，如采用飛思卡爾等單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)物識(shí)別，程序?qū)?huì)非常復(fù)雜與繁冗，因此采用Jetson nano 模塊進(jìn)行圖像識(shí)別的算法處理。

2.因?yàn)闊o(wú)頭連接模式，需要利用電腦來(lái)連接Jetson nano 模塊，所以采用顯示器與Jetson nano 模塊進(jìn)行連接，并將識(shí)別的結(jié)果顯示在顯示器上。

3.采用Jetson nano 模塊自帶的蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警器，通過(guò)對(duì)蜂鳴器編寫(xiě)高低電平的控制程序，使蜂鳴器按照50% 占空比蜂鳴。

4.模塊需燒錄ubuntu 系統(tǒng)，采用python 高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，代碼可比C 語(yǔ)言略簡(jiǎn)短一些。

5.采用OpenCV 進(jìn)行圖像算法的處理，使復(fù)雜圖像的識(shí)別更加準(zhǔn)確一些。

6.采用8V 直流電源向Jetson nano模塊供電。

本產(chǎn)品實(shí)際效果：提供了車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置，避免了因駕駛員的忽視，未發(fā)現(xiàn)小貓等小動(dòng)物在汽車(chē)危險(xiǎn)部位藏匿，而急于起動(dòng)車(chē)輛，從而導(dǎo)致小動(dòng)物被駕駛員誤傷到的慘劇。

本產(chǎn)品由單目攝像頭、Jetson nano 模塊、小型車(chē)載顯示器、蜂鳴器、直流電源及充電器等部分組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。如圖2。

圖2 車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置方框圖

5 控制電路設(shè)計(jì)

1.“車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”控制電路設(shè)計(jì)構(gòu)思。

1）使用單目攝像頭作為拾取小貓圖像信號(hào)的傳感器。單目攝像頭檢測(cè)距離較長(zhǎng)、精確度較高，外形簡(jiǎn)潔，易于安裝，價(jià)格較低。

2）采用Jetson nano 模塊作為開(kāi)發(fā)板，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖像的識(shí)別。

3）采用Jetson nano 模塊作為開(kāi)發(fā)板，因其GPU 性能較強(qiáng)，因此運(yùn)算速率較快，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練的時(shí)候，提高效率。

4）使用8V 直流電源，控制機(jī)理簡(jiǎn)單，體積小且便攜。

5）附帶充電器進(jìn)行直流電源的充電，因此不必取下電池單獨(dú)充電，可插著充電器運(yùn)行系統(tǒng)（但不建議長(zhǎng)期如此操作，除非開(kāi)發(fā)程序的時(shí)候）。

6）該作品只是一種控制裝置的結(jié)果實(shí)現(xiàn)，可安裝在汽車(chē)上的多處小動(dòng)物易藏匿的危險(xiǎn)部位，因此產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)后，將不安裝在汽車(chē)的某一固定部位，車(chē)主可自行要求4S 維修店進(jìn)行相應(yīng)部位的安裝。如圖3。

圖3 Jetson nano 模塊——電路圖

2.控制電路設(shè)計(jì)中的元器件選擇。

1）對(duì)百度API 接口進(jìn)行合理選擇。

2）對(duì)模塊的供電電源進(jìn)行選擇。

3）對(duì)攝像頭型號(hào)進(jìn)行選擇。

3.控制電路工作原理：

1）車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置，由單目攝像頭、Jetson nano 模塊、小型車(chē)載顯示器、蜂鳴器、直流電源及充電器等部分組成。

2）單目攝像頭是汽車(chē)危險(xiǎn)部位防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置拾取小貓圖像信號(hào)的傳感器。相當(dāng)于人類(lèi)的眼睛，將拾取的圖像信號(hào)輸入到Jetson nano 模塊，通過(guò)Jetson nano 模塊內(nèi)部的特征算法處理后，實(shí)現(xiàn)需要的結(jié)果。

3）Jetson nano 模塊是汽車(chē)危險(xiǎn)部位防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置電路的核心。在模塊內(nèi)部預(yù)先燒錄好ubuntu 系統(tǒng)，搭建好環(huán)境，如python3.6、OpenCV、tensorflow、jupyterlab 等等，通過(guò)python 語(yǔ)言編寫(xiě)程序，利用opencv 及一些庫(kù)，實(shí)現(xiàn)特征算法的抓取，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭探測(cè)到小貓后，程序識(shí)別到小貓存在并執(zhí)行蜂鳴器占空比50% 鳴叫的結(jié)果。

4）顯示屏是汽車(chē)危險(xiǎn)部位防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置的輸出設(shè)備，它用來(lái)顯示小貓存在的信息，以提醒駕駛員注意。

5）蜂鳴器是汽車(chē)危險(xiǎn)部位防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置的報(bào)警裝置，其工作原理較簡(jiǎn)單，當(dāng)Jetson nano 模塊識(shí)別到攝像頭里探到的小貓后，模塊利用高低電平按照50% 占空比并設(shè)定固定的頻率蜂鳴即可。

6）8V 的直流電源為“汽車(chē)危險(xiǎn)部位防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”提供穩(wěn)定的直流電源。為了方便充電，采用了充電器直接充電的方式，無(wú)需拆下電池就能對(duì)直流電源充電。

4.“車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”的安裝

1）“車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”的PCB 設(shè)計(jì)實(shí)物圖。如圖4。

圖4 車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置——PCB 板圖

2）對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)量。

在安裝之前，應(yīng)對(duì)所有元器件進(jìn)行調(diào)試及檢測(cè)，以保證裝調(diào)過(guò)程中減少不必要的故障的發(fā)生。

3）對(duì)整機(jī)電路與機(jī)械支架外殼等部件進(jìn)行安裝。

5.“車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”的調(diào)試

Jetson nano 模塊與機(jī)械外殼等部件裝配結(jié)束后方可對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，其目的：（1）檢查各元器件是否完好。（2）Jetson nano 模塊調(diào)試是否正常。（3）與外部元器件的連接與運(yùn)行是否正常。（4）機(jī)械外殼部件是否牢靠，穩(wěn)定。

1）萬(wàn)用表置20V 檔位，測(cè)量8V 直流電池組是否正常。

2）萬(wàn)用表置200 歐姆電阻檔位，測(cè)量攝像頭數(shù)據(jù)線通斷情況，應(yīng)無(wú)斷路。

6.“車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”的總裝

1）安裝整個(gè)機(jī)械外殼部件。各個(gè)螺栓連接部位應(yīng)該安裝牢靠、可靠、無(wú)松動(dòng)。

2）安裝Jetson nano 模塊。應(yīng)當(dāng)牢靠固定，無(wú)松動(dòng)。

3）安裝各輸入輸出設(shè)備。應(yīng)當(dāng)連接牢靠，無(wú)松動(dòng)，無(wú)斷路短路現(xiàn)象。

7.“車(chē)輛底盤(pán)防動(dòng)物藏匿報(bào)警裝置”的總調(diào)

使用直流電源，整個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)工作正常，能正常實(shí)現(xiàn)該裝置的功能。

6 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

本產(chǎn)品通過(guò)檢測(cè)組件可以對(duì)車(chē)輛底部的危險(xiǎn)部位進(jìn)行檢測(cè)，避免了因駕駛員的忽視，未發(fā)現(xiàn)小貓等小動(dòng)物在汽車(chē)危險(xiǎn)部位藏匿，而急于啟動(dòng)車(chē)輛，從而導(dǎo)致小動(dòng)物被駕駛員誤傷到的慘劇。通過(guò)升降組件可以將單目攝像頭收入殼體內(nèi)部，避免了因?yàn)榈缆繁砻娉霈F(xiàn)坑洼或減速帶，導(dǎo)致單目攝像頭受到碰撞，從而損壞無(wú)法正常使用的情況出現(xiàn)。

7 結(jié)語(yǔ)

本產(chǎn)品使用了Jetson nano 開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)簡(jiǎn)單的單目攝像頭，拾取汽車(chē)危險(xiǎn)部位的小貓影像，如果識(shí)別到汽車(chē)危險(xiǎn)部位存在小貓，發(fā)出報(bào)警聲，該裝置以opencv 為載體，采用python 語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，因 Jetson nano 處理圖像的能力非常強(qiáng)，GPU 性能較高，所以可實(shí)現(xiàn)高效正確的識(shí)別結(jié)果。