基于AI的貨車盲區(qū)自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)*

高登 王志仁 王瑞 呂秋萱 張愛(ài)敏

（成都工業(yè)學(xué)院，成都 611730）

0 引言

2021 年中國(guó)道路交通事故貨車死亡人數(shù)為1.66萬(wàn)人，2021 年中國(guó)交通事故發(fā)生數(shù)量為24.8 萬(wàn)起，由其造成的直接財(cái)產(chǎn)損失為13.46 億元，交通事故事件受傷人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于死亡人數(shù)，而大型貨車出現(xiàn)交通事故相比于小汽車出現(xiàn)事故的概率最高、危險(xiǎn)系數(shù)最大。而大型貨車因右轉(zhuǎn)盲區(qū)而導(dǎo)致事故發(fā)生概率幾乎為1[1]。

為防范大型貨車的右轉(zhuǎn)事故，本文提出基于人工智能（AI）的大型貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)警示系統(tǒng)，通過(guò)在車頭安裝高清攝像頭監(jiān)測(cè)貨車在右轉(zhuǎn)或等待交通信號(hào)燈時(shí)，貨車右側(cè)盲區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)，通過(guò)AI 中控臺(tái)連接到屏幕反映出的視覺(jué)信息讓駕駛員做出正確的判斷和操作。在車輛的右側(cè)安裝毫米雷達(dá)，用于探測(cè)右側(cè)盲區(qū)，AI 系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)計(jì)算、分析和處理來(lái)自傳感器接入端接收的數(shù)據(jù)，做出判斷并自動(dòng)發(fā)出指令到輸出端。若AI 中控臺(tái)判斷出危險(xiǎn)，將通過(guò)蜂鳴振動(dòng)裝置與外置雙語(yǔ)音報(bào)警裝置發(fā)出聲音，通過(guò)預(yù)警使司機(jī)做好防范措施，同時(shí)提醒行人及其他大型貨車的動(dòng)態(tài)，提醒其注意避讓，有效地規(guī)避事故的發(fā)生。

1 圖像裝置與控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及原理分析

系統(tǒng)由一個(gè)高清攝像頭、蜂鳴裝置、外置語(yǔ)音播放器、一塊高清液晶屏幕、一塊內(nèi)置AI中控板組成。

中控臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)置AI人工智能系統(tǒng)，可自動(dòng)處理和識(shí)別信息，其效率更高效，可實(shí)時(shí)分析來(lái)自攝像頭拍攝和雷達(dá)探測(cè)的信息。中控臺(tái)自動(dòng)計(jì)算出右側(cè)盲區(qū)內(nèi)的安全性，并與理論設(shè)置安全范圍比照?？蓪?shí)時(shí)通過(guò)與中控臺(tái)連接的屏幕裝置，駕駛員可觀察到影像信息、探測(cè)信息和工作狀態(tài)信息。

1.2 攝像頭安裝位置

高清攝像頭安裝于車頭右前方，能夠覆蓋整個(gè)右轉(zhuǎn)盲區(qū)的全部區(qū)域。內(nèi)置AI 中控板安裝于液晶屏幕背后，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收信號(hào)、處理并分析數(shù)據(jù)，經(jīng)判斷輸出相應(yīng)的命令信號(hào)。蜂鳴裝置安裝在駕駛艙，負(fù)責(zé)提醒駕駛員。外置語(yǔ)音播放器安裝在車頭右側(cè)，負(fù)責(zé)語(yǔ)音提示車外行人。高清液晶屏幕安裝在貨車的駕駛臺(tái)，保證駕駛員正常駕駛的情況下實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地觀察盲區(qū)里的動(dòng)態(tài)，圖1為中控臺(tái)屏幕展示。

圖1 中控屏幕展示

1.3 工作原理分析

在大型貨車進(jìn)行右轉(zhuǎn)時(shí)，攝像頭覆蓋整個(gè)右轉(zhuǎn)盲區(qū)范圍，并將畫面實(shí)時(shí)傳回中控臺(tái)，經(jīng)攝像輸入端顯示在液晶屏幕上，同時(shí)也經(jīng)雷達(dá)輸入端將盲區(qū)內(nèi)雷達(dá)探測(cè)到的信號(hào)范圍描繪在屏幕上[2]，其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析中樞與之連接的AI中樞板，對(duì)接收到的圖像和雷達(dá)信息進(jìn)行計(jì)算分析[3]，與預(yù)先設(shè)定的安全范圍進(jìn)行比照，傳回的數(shù)據(jù)處理后傳到輸出端。

當(dāng)出現(xiàn)安全范圍之外的情況并可能發(fā)生碰撞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)命令連接蜂鳴信號(hào)輸出端并打開(kāi)開(kāi)關(guān)，安裝在駕駛室的蜂鳴裝置會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，提醒駕駛員減速避讓和注意觀察屏幕的圖像信息。與蜂鳴裝置串聯(lián)的外置雙語(yǔ)語(yǔ)音輸出端也同時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，通過(guò)中英文連續(xù)輸出方式提醒右轉(zhuǎn)盲區(qū)內(nèi)其他車輛與行人將引發(fā)危險(xiǎn)，勿再前行。當(dāng)下一段信號(hào)傳遞到輸出端并輸出危險(xiǎn)消失信號(hào)，輸出信號(hào)的開(kāi)關(guān)將自動(dòng)關(guān)閉，停止發(fā)出蜂鳴和雙語(yǔ)言語(yǔ)音報(bào)警。中控臺(tái)還通過(guò)電源電壓輸入端連接大型貨車電源箱，為裝置實(shí)時(shí)供電，供整個(gè)系統(tǒng)工作，駕駛員可以通過(guò)觀察工作指示輸出端連接的LED燈裝置，判斷整個(gè)系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)，以便于及時(shí)維修和保護(hù)。

2 雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)

貨車由于車體較大、駕駛室距離地面高的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在多處視野盲區(qū)，因此針對(duì)這一情況對(duì)大型貨車的視野盲區(qū)進(jìn)行了分析，如圖2所示[4]。

圖2 視野盲區(qū)展示[4]

大型貨車的主要盲區(qū)在于汽車的前側(cè)和兩側(cè)區(qū)域。雷達(dá)安裝位置是探測(cè)系統(tǒng)的重要部分操作比較精密[5]，為了提高汽車安全性，根據(jù)汽車車身尺寸的測(cè)量數(shù)據(jù)，制定了一套毫米波雷達(dá)安裝計(jì)劃，安裝情況如圖3所示。

圖3 安裝位置示意[5]

2.1 測(cè)速原理

毫米波雷達(dá)具有以下2種測(cè)量速度方式：

（1）根據(jù)Doppler 原理：當(dāng)盲區(qū)內(nèi)物體與雷達(dá)信號(hào)發(fā)生源之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，使發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間存在時(shí)間差，在頻率上產(chǎn)生多普勒位移設(shè)fd（圖4）。

圖4 測(cè)速Doppler原理[6]

（2）可以跟蹤到測(cè)量目標(biāo)的位置，通過(guò)微分方法測(cè)速[6]。但此種方式需要更先進(jìn)算法，不利于低成本普及。

1.2 測(cè)距原理

毫米波雷達(dá)調(diào)頻器通過(guò)天線發(fā)射微波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)遇到盲區(qū)內(nèi)物體后經(jīng)物體的反射會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)（發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)相比形狀相同、時(shí)間上存在差值），以雷達(dá)發(fā)射三角波信號(hào)為例，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)對(duì)比，測(cè)距原理如圖5。

圖5 測(cè)距原理

毫米波雷達(dá)測(cè)距公式如式（2）：

式中，t為雷達(dá)波飛行時(shí)間；c為光速；s為毫米波雷達(dá)與物體的距離。

2.3 判斷位置

通過(guò)毫米波雷達(dá)發(fā)射出毫米波后，遇到被盲區(qū)內(nèi)物體反射回來(lái)，如圖6。

圖6 方位角原理

通過(guò)毫米波雷達(dá)并列的接收天線，收到同一物體反射回來(lái)毫米波的相位差，就可以計(jì)算出盲區(qū)某一物體的方位角（αaz），一個(gè)毫米波雷達(dá)上就有4條接收天線RX1~RX4。假設(shè)是測(cè)量毫米波雷達(dá)接收天線RX1，和接收天線RX2之間的幾何距離d，以及2根毫米波雷達(dá)天線所接收到反射回波的相位差b，然后通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得到方位角αaz的值，即

通過(guò)上述3 種原理，測(cè)出盲區(qū)內(nèi)物體的速度、距離、位置，通過(guò)傳感器傳輸?shù)今{駛室中控臺(tái)，再運(yùn)用AI數(shù)據(jù)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，AI最終向貨車司機(jī)發(fā)出避險(xiǎn)警示。

與普通的雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有更好的角度分辨能力，對(duì)于測(cè)量目標(biāo)的速度和距離也有更高的測(cè)量精度。毫米雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域是如圖7 所示的扇形區(qū)域[7]，它的主要構(gòu)造包括控制和處理單元、信號(hào)傳遞中控臺(tái)、圖像裝置和預(yù)警提示裝置，探測(cè)區(qū)域如圖7 所示。

圖7 探測(cè)區(qū)域示意[7]

4 預(yù)警提示裝置

預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，攝像頭上雷達(dá)通過(guò)中控臺(tái)智能動(dòng)態(tài)檢測(cè)右轉(zhuǎn)盲區(qū)內(nèi)的其他車輛和行人。

預(yù)警提示裝置同時(shí)對(duì)貨車駕駛員和盲區(qū)人物進(jìn)行雙向預(yù)警。通過(guò)液晶屏背后AI 中控臺(tái)連接蜂鳴振動(dòng)裝置和雙語(yǔ)音報(bào)警裝置實(shí)時(shí)自動(dòng)輸出，預(yù)警監(jiān)測(cè)區(qū)域如圖8所示。

圖8 預(yù)警監(jiān)測(cè)區(qū)域

預(yù)警提示裝置能通過(guò)AI自動(dòng)控制并實(shí)時(shí)提醒，不但幫助大型貨車駕駛員在右轉(zhuǎn)時(shí)提前知悉右轉(zhuǎn)盲區(qū)內(nèi)行人和其他車輛動(dòng)態(tài)，而且提醒行人和其他車輛注意左后方駛來(lái)即將右轉(zhuǎn)的大型貨車動(dòng)態(tài)，需注意觀察并小心通行。目前應(yīng)用的預(yù)警提示裝置，主要是在車輛上安裝攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)盲區(qū)監(jiān)測(cè)，但在夜晚或者光線較差的環(huán)境下，在對(duì)向車輛發(fā)出來(lái)強(qiáng)光的照射下，攝像頭采集到的圖像模糊，對(duì)駕駛員的辨別會(huì)造成影響[8]，或是基于原有攝像頭的基礎(chǔ)上，加之監(jiān)測(cè)控制相連的蜂鳴報(bào)警器，但安裝在車內(nèi)的裝置聲音僅能提醒駕駛員，駕駛員由于反應(yīng)時(shí)間和大型貨車制動(dòng)慣性很難第一時(shí)間降低車速，且由于車后的隔絕和貨車行駛的振動(dòng)噪聲，行人和其它車輛根本沒(méi)有接收到預(yù)警信息，便無(wú)所畏懼地繼續(xù)前行，因此危險(xiǎn)性依然存在[9]，有必要提出有針對(duì)大型貨車盲區(qū)雙向預(yù)警方案。右轉(zhuǎn)盲區(qū)系統(tǒng)的工作原理如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作原理展示

盲區(qū)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的硬件設(shè)計(jì)主要包含4 個(gè)部分：電源部分、車外傳感器、報(bào)警器和AI中控臺(tái)[10]。電源部分連接整個(gè)裝置電壓，車外傳感器連接的攝像頭和雷達(dá)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)把數(shù)據(jù)傳遞到中控臺(tái)，由中控臺(tái)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)并輸出指令到輸出端口，假若AI中控臺(tái)判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)將達(dá)到報(bào)警條件，則會(huì)發(fā)出指令使安裝在大型貨車內(nèi)外的預(yù)警提示裝置同時(shí)發(fā)出蜂鳴振動(dòng)和雙語(yǔ)音報(bào)警來(lái)雙向提示，同時(shí)車內(nèi)中控臺(tái)也有相應(yīng)的預(yù)警提醒信息出現(xiàn)在液晶屏幕上。當(dāng)貨車行駛一段距離盲區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)解除后，中控臺(tái)的下一個(gè)指令傳入預(yù)警裝置和屏幕，將自動(dòng)關(guān)閉預(yù)警裝置和消除屏幕信息，即停止蜂鳴、語(yǔ)音輸出和屏幕提示，大型貨車又恢復(fù)到安全行駛狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)中型或較大型貨車的盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了主要分析和研究。首先引用現(xiàn)在較為先進(jìn)成熟的毫米波雷達(dá)技術(shù)，有效地提升了貨車對(duì)于外界（特別是貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)處）對(duì)人員的探測(cè)能力，極大地改善了貨車關(guān)于盲區(qū)探測(cè)的弊端。其次，該系統(tǒng)采用AI中控板、高清液晶屏幕、以及雙語(yǔ)音報(bào)警等裝置，將現(xiàn)存的較為先進(jìn)設(shè)備整合到一起，使整個(gè)裝置達(dá)到更穩(wěn)定提高規(guī)避危險(xiǎn)的目的。毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)發(fā)出探測(cè)信息，AI中控臺(tái)會(huì)接受此信息并進(jìn)行有效地分析處理，中控臺(tái)輸出端口一鍵3連傳出處理指令，簡(jiǎn)明扼要地顯示在高清液晶屏幕上，同時(shí)蜂鳴報(bào)警裝置和外置雙語(yǔ)音報(bào)警裝置會(huì)對(duì)貨車駕駛員和外圍的人員進(jìn)行實(shí)時(shí)警示。

僅設(shè)置右轉(zhuǎn)肓區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在有限范圍內(nèi)極大地規(guī)避了貨車事故的發(fā)生，優(yōu)化了成本，更具有應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)多次分析比照，滿足大批量貨車安裝需求，并應(yīng)用于大型貨車。未來(lái)會(huì)加強(qiáng)這一系統(tǒng)的改善和升級(jí)，降低能耗和成本并提高規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)能力。