一種大型車輛智能輔助駕駛車載終端設(shè)計

郭征凱，曹斌芳,，肖 勤，陳元惠

（1.湖南文理學院芙蓉學院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學院，湖南 常德 415000）

0 引 言

近年來，我國生產(chǎn)建設(shè)發(fā)展迅速，大型車輛保有量逐年上升。有關(guān)數(shù)據(jù)分析，公路交通事故主要集中在小型客車和大型貨車中，事故發(fā)生的同時帶來的破壞力極強。大型車輛發(fā)生事故的誘因主要有：超載、疲勞駕駛、超速駕駛、視覺盲區(qū)有行人和車輛出現(xiàn)、車輛故障處理不及時等。本文提出了一種解決大型車輛及其駕駛員在行駛過程中存在安全隱患的系統(tǒng)設(shè)計：通過多傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建進行環(huán)境感知，通過相關(guān)軟件讀取網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)處理后進行相應(yīng)干預(yù)動作；從事故成因出發(fā)，有針對性的預(yù)防、遏制交通事故發(fā)生。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)以嵌入式Linux平臺進行相應(yīng)功能開發(fā)，系統(tǒng)主控模塊采用三星JZ2440芯片；整套系統(tǒng)由車況實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、安全預(yù)警網(wǎng)絡(luò)組成，可實現(xiàn)智能化車輛行駛安全監(jiān)測、駕駛員身體情況監(jiān)測、駕駛室環(huán)境監(jiān)測、車外風險實時預(yù)警（盲區(qū)監(jiān)控預(yù)警、行人臨近預(yù)警）等功能；基于上述安全防護功能，為大型車輛行駛安全提供更全面的防護與更智能的車載設(shè)備終端以及安全網(wǎng)絡(luò)。

車載系統(tǒng)由主控制部分（JZ2440）、車載傳感器監(jiān)測部分、安全預(yù)警部分、智能終端部分組成，各部分間以I2C通信總線進行數(shù)據(jù)傳輸；車載系統(tǒng)具體實現(xiàn)方案通過軟、硬件子模塊組合，構(gòu)建安全車載終端功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊架構(gòu)

2 系統(tǒng)檢測模塊

本方案中的視覺識別模塊硬件采用AIS906嵌入式主板，其板載4核心ARM架構(gòu)CPU（主頻最高支持1.8 GHz）。此板支持單目、雙目、3D攝像頭等，對于攝像頭的選型更加靈活，且具備更強的場景針對性，一定程度上消除了利用視覺傳感技術(shù)獲取車輛周圍環(huán)境兩維或三維圖像信息時易受光照環(huán)境影響、三維信息測量精度較低等缺點。

煙霧傳感模塊MQ-2作為消防常用的傳感器模塊，其對于具備高強度運輸任務(wù)的大型車輛而言更具應(yīng)用潛力；駕駛室內(nèi)，煙霧傳感器將輔助檢查駕駛員行為是否規(guī)范（對駕駛室環(huán)境進行無煙檢測）；煙霧傳感還可應(yīng)用在車輛貨艙內(nèi)，運輸品為易燃易爆物品時，煙霧傳感模塊可作為運輸保障方案與具有其他特征檢測功能的傳感器組合（如氧氣濃度模塊等），實時將貨艙情況傳遞給終端。

雷達監(jiān)測模塊采用微波傳感模塊AWR1843，AWR1843微波傳感模塊為德州半導體公司出品的集成DSP、MCU和雷達加速器的汽車雷達傳感器芯片，具有高精度以及低功耗等特點，其擁有4個接收通路，3個發(fā)送通路，以及基于分數(shù)NPLL的超精度啁啾引擎，其TX功率為12 dBm，RX噪音[1]（76～77 GHz）為14 dB，主要用于車輛盲區(qū)檢測、變道輔助、停車輔助。

車載雷達分布如圖2所示。

圖2 車載雷達分布

安全檢測模塊包括溫度與氧氣協(xié)同模塊、駕駛安全模塊等，為了便于拓展安全功能與協(xié)調(diào)軟件開發(fā)，將其功能抽象為車載終端的綜合安全保障模塊。

溫度與氧氣聯(lián)合模塊主要進行駕駛室內(nèi)環(huán)境的檢測，根據(jù)傳感器內(nèi)置的高精度電化學傳感器，將獲取的溫度以及氧氣濃度等模擬信號輸出為數(shù)字信號[2]至系統(tǒng)主控制器進行數(shù)據(jù)分析處理，并對駕駛室隱患采取干預(yù)（如駕駛室溫度過高，將發(fā)送語音提示駕駛員休整，同時進行一定的反饋調(diào)節(jié)）。溫度與氧氣協(xié)同模塊亦將結(jié)合視覺識別模塊，為駕駛室內(nèi)人員提供保護機制，實時監(jiān)測室內(nèi)的氧氣濃度（以19.5%為警戒閾值），針對長期封閉的駕駛室環(huán)境（低氧情況）將自動控制通風，防止低氧對車內(nèi)人員造成傷害[3]。

駕駛安全模塊要求駕駛員上車前進行呼出氣體酒精含量測定（20 mg/100 mL為閾值），模塊檢測到駕駛員酒駕后，通過I2C協(xié)議與控制系統(tǒng)核心通信；車載終端將聯(lián)系相關(guān)監(jiān)管部門并終止車輛啟動或行駛行為；當駕駛員通過上車前檢測后，駕駛安全模塊轉(zhuǎn)為調(diào)用攝像頭模塊輔助檢測駕駛行為是否規(guī)范[4]。

3 預(yù)警模塊

預(yù)警模塊由駕駛室預(yù)警部分和車身四周預(yù)警部分組成。

3.1 駕駛室預(yù)警部分

本部分主要實現(xiàn)駕駛室內(nèi)環(huán)境與駕駛員狀態(tài)的矯正及預(yù)警，終端結(jié)合OpenMV攝像頭實時監(jiān)測、判定駕駛員的精神狀態(tài)。出現(xiàn)問題則向駕駛員發(fā)出提示，將具有安全隱患（提醒無效）車輛的基本信息發(fā)送至周圍車輛進行警示[5]。

3.2 車身四周預(yù)警部分

此部分主要負責車輛周圍警示，結(jié)合24位陀螺儀模塊、導航模塊、雷達檢測模塊反饋的信息，獲取車輛周圍的實時行駛路況信息，在終端進行相應(yīng)提示。對于路面上影響車輛行駛的安全障礙物，周身預(yù)警部分可以為司機提供實時路面信息，輔助選擇合適的行駛路線；對于行駛途中發(fā)生的特殊情況，如車輛姿態(tài)異常等，車載終端將危險信號通過主控制器接收處理后，除駕駛室發(fā)出危險信號進行提醒外，車身四周也將采取激光投影方案警示危險區(qū)域。對誤入危險區(qū)者，車身聲光預(yù)警裝置再次警示[6]。

4 無線通信模塊

車載終端模塊具體設(shè)計模型如圖3所示。

圖3 車輛安全網(wǎng)絡(luò)

拓展工業(yè)級WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊USR-WiFi232-A2B2（基于工業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進行信息的發(fā)送或接收，通信距離達250 m）。車載終端無線連接，將終端傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測的道路數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸協(xié)議發(fā)送至附近終端，或者結(jié)合收取的其他終端道路數(shù)據(jù)提示駕駛員，實現(xiàn)道路信息預(yù)先加載。此功能將消除本地傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的局部道路可處理范圍較小等問題，聯(lián)合地圖導航，實現(xiàn)以車輛為單個道路信息傳感器的、多車載終端聯(lián)合的局域性車載網(wǎng)絡(luò)。但本模塊目前也存在網(wǎng)絡(luò)傳輸成本過高、不同地形傳輸障礙等技術(shù)難點[7]。

5 軟件架構(gòu)

車載系統(tǒng)總體采用圖4所示架構(gòu)，軟件工作流程如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖5 軟件工作流程

各底層驅(qū)動（語音驅(qū)動、攝像頭驅(qū)動等）主要將各硬件模塊進行功能上的抽象封裝，將硬件層與上層應(yīng)用開發(fā)進行隔離，方便車載終端的程序開發(fā)。

車載終端核心功能包括駕駛員身體檢測進程、車外環(huán)境檢測進程、車內(nèi)環(huán)境檢測進程、警報提示進程和終端顯示進程[8]。

5.1 車內(nèi)環(huán)境檢測進程

該進程主要負責調(diào)用安全檢測模塊部分（煙霧、氧氣、溫度等室內(nèi)模塊驅(qū)動）及開啟駕駛員身體檢測進程，以獲得駕駛室內(nèi)、駕駛員身體狀態(tài)等數(shù)據(jù)；當進程檢測存在異常狀態(tài)數(shù)據(jù)時，喚醒警報進程進行提示，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動發(fā)送至云端管理者求助。

5.2 車外環(huán)境檢測進程

通過調(diào)用雷達、攝像頭、導航、陀螺儀等底層驅(qū)動程序，結(jié)合兩者采集的道路數(shù)據(jù)進行判定處理，輔助終端顯示進程構(gòu)建實時行車安全地圖。檢測到道路數(shù)據(jù)存在危險（如有路面落石障礙）后，喚醒警報進程進行提示，并將實時道路信息通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動共享至局部車輛安全網(wǎng)絡(luò)[9-10]。

5.3 警報提示進程

本進程作為車載終端系統(tǒng)中的重要部分，負責進行各類異常事件的處理以及針對性調(diào)用語音驅(qū)動等。驅(qū)動主要包括語音驅(qū)動和激光鐳射模塊驅(qū)動。在系統(tǒng)中通過核心處理進程傳遞信息進行動作響應(yīng)。主要有兩種警示方案：

（1）駕駛室內(nèi)語音播報加網(wǎng)絡(luò)廣播警示危險情況；

（2）車身周圍鐳射示警。

駕駛員存在疲勞駕駛或其他危險行為時，通過視覺算法的顯示畫面自動捕捉相關(guān)行為，并進行事件判定；同時，進程將進行下一步動作（調(diào)用警示提示進程對駕駛員及其周邊車輛進行提示，必要時可進行制動處理防止造成更大損失）。此外，對于其他數(shù)據(jù)，如果超過正常閾值時，終端進程將特殊參數(shù)發(fā)送至警報提示進程，并且調(diào)用其進行相關(guān)提示。

6 結(jié) 語

本車載終端解決方案提出了一種新形的智能化、安全化大型車輛安全運營保障方案，一定程度上具備輔助人類駕駛員規(guī)范駕駛行為以及車輛聯(lián)合保障安全網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建（車輛室內(nèi)安全監(jiān)測、車外安全監(jiān)測、安全網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動監(jiān)控等）的功能。通過一系列調(diào)試運行，本方案運行結(jié)果符合預(yù)期，能夠預(yù)防交通事故的發(fā)生，保障駕駛?cè)藛T的生命安全，具有非常重大的現(xiàn)實意義，應(yīng)用前景較為廣闊。