張立，李博

一種車輛駐車開門事故預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

張立1，李博2

（1.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系，浙江 杭州 310018； 2.杭州微光電子股份有限公司，浙江 杭州 310018）

為了減少家用轎車駐車期間開門引起的交通事故概率，文章設(shè)計(jì)一款車門防撞預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過陀螺儀確定汽車處于駐車狀態(tài)，然后利用多普勒雷達(dá)對(duì)車輛附近的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入設(shè)定的閥值距離，開啟攝像頭獲取移動(dòng)目標(biāo)的具體信息，該信息一方面被傳輸?shù)杰囕v顯示屏提醒車主決策，另一方面與雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行冗余處理，以及時(shí)鎖止車門。通過對(duì)眾泰汽車某型號(hào)車輛的標(biāo)定和實(shí)測分析，該系統(tǒng)能夠有效識(shí)別車輛周邊的移動(dòng)目標(biāo)，在車主的決策支持下，該系統(tǒng)能夠有效解決車輛駐車期間的開門事故問題，具有一定的應(yīng)用前景。

駐車；開門事故；預(yù)警；視頻圖像；雷達(dá)

引言

汽車駐車開門交通事故作為近年來新產(chǎn)生的交通事故類型之一，由于其高發(fā)性和復(fù)雜性，該類事故給市民造成了嚴(yán)重的人身傷害和極大的出行困擾。據(jù)交警部門統(tǒng)計(jì)，2019年國慶節(jié)期間7天杭州市就發(fā)生了98起汽車停車開門事故。因此，當(dāng)汽車處于駐車狀態(tài)時(shí)，如果存在一種汽車輔助安全駕駛裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)識(shí)別周圍環(huán)境，在車上人員準(zhǔn)備開門下車前，系統(tǒng)能夠根據(jù)相對(duì)距離進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)情形時(shí)，立即提醒車上乘員，同時(shí)以一定方式提醒后方兩輪車輛或行人，無疑可以彌補(bǔ)車上人員的視覺不足，更可以大大減少停車開門事故，有力地保護(hù)道路環(huán)境中的行人、兩輪車駕駛?cè)说热鮿萑后w，降低其人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。文獻(xiàn)提出了一種基于環(huán)視圖像的車輛開門碰撞預(yù)警方法，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車開門時(shí)人視線盲區(qū)內(nèi)存在的威脅的預(yù)警，辨識(shí)率約99.3%，誤檢率低于1%[1]。文獻(xiàn)采用多普勒雷達(dá)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)探測和測速，并利用目標(biāo)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)開門預(yù)警，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在報(bào)警區(qū)域內(nèi)的預(yù)警率可達(dá)到97%左右[2]。文獻(xiàn)采用連續(xù)波毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測接近車輛后方報(bào)警區(qū)域的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并利用目標(biāo)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)開門預(yù)警，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的平均預(yù)警率可以達(dá)到95.5%左右[3]。上述文獻(xiàn)利用了目前的主流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)開門預(yù)警，但卻忽略了車主的主動(dòng)視覺判斷因素。本研究采用將雷達(dá)監(jiān)測與視頻圖像檢測相結(jié)合的方式來鎖定移動(dòng)目標(biāo)，然后依靠車主的主動(dòng)視覺來最終判斷能否開門。經(jīng)過試驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效解決車輛駐車期間的開門事故問題。

1 系統(tǒng)框架

該預(yù)警系統(tǒng)組成框架如圖1所示。它主要包括多普勒雷達(dá)測速模塊、陀螺儀傳感器、圖像視頻識(shí)別模塊、STM32系列單片機(jī)系統(tǒng)、報(bào)警和語音提醒顯示以及門禁鎖止系統(tǒng)等。系統(tǒng)的工作原理是：單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的狀態(tài)下，首先由陀螺儀傳感器檢測車輛是否處于駐車狀態(tài)，在駐車狀態(tài)下，多普勒雷達(dá)測速模塊開啟，不斷檢測車輛附近的移動(dòng)目標(biāo)。一旦發(fā)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)靠近，圖像視頻識(shí)別模塊立刻對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，一方面將識(shí)別信息傳送到車主顯示屏供車主確定決策，另一方面將識(shí)別信息傳送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)綜合雷達(dá)信息和識(shí)別信息作出是否進(jìn)行門禁鎖止的指令，并發(fā)出報(bào)警聲音和語音提醒顯示。當(dāng)車主決策確定移動(dòng)目標(biāo)無害時(shí)，由車主解鎖門禁系統(tǒng)。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)組成框架

2 系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該預(yù)警系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)測速模塊的硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)測速模塊硬件組成框圖

當(dāng)系統(tǒng)通過電源端口供電開始工作后，復(fù)位芯片使系統(tǒng)初始化，多普勒雷達(dá)檢測信號(hào)經(jīng)過中頻處理之后，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給可編程邏輯器件X2S100E，可編程邏輯器件將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，在滿足采集的信號(hào)在設(shè)定的最大信號(hào)與最小信號(hào)之間的范圍的條件下，通過控制端口檢測車輛是否處于駐車狀態(tài)，一旦確定車輛處于駐車狀態(tài)，可編程邏輯器件通過CAN總線通信告知STM32單片機(jī)系統(tǒng)有移動(dòng)目標(biāo)的出現(xiàn)。當(dāng)采集的信號(hào)超出設(shè)定的最小信號(hào)時(shí)，通過輸出端口給門禁鎖止模塊發(fā)送信號(hào)，從而控制門禁信號(hào)。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)最終生成二進(jìn)制文件，通過程序下載端口下載到程序存儲(chǔ)器中。看門狗芯片能有效地保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

陀螺儀傳感器主要采用MPU6050微處理器的三軸加速度傳感器。當(dāng)汽車處于駐車狀態(tài)時(shí)，傳感器將此信號(hào)采集給MPU6050微處理器，該處理器與雷達(dá)測速模塊的控制端口相連，通過控制端口告知可編程邏輯器件汽車是否處于駐車狀態(tài)。

圖3 時(shí)空特征信息圖

圖像視頻識(shí)別模塊主要基于時(shí)空特征信息圖作為預(yù)警系統(tǒng)的圖像識(shí)別決策特征[1]。該時(shí)空特征信息圖融合了當(dāng)前幀和以往多幀圖片上的特定掃描線的信息圖像矩陣，如圖3所示。在圖中一條掃描線可以形成一個(gè)時(shí)空信息圖，左半部分是運(yùn)動(dòng)物體，右半部分是靜止物體，從圖中可知運(yùn)動(dòng)物體的速度快慢與時(shí)空信息圖中的斜率是相關(guān)的。圖4顯示了車輛坐標(biāo)中掃描線的設(shè)置。該圖像視頻識(shí)別模塊采用車載環(huán)視系統(tǒng)的魚眼攝像頭來采集車輛四周的圖像信息。

圖4 車輛附近坐標(biāo)掃描線

STM32系列單片機(jī)主要采用了STM32F103C8T6主控芯片，該芯片內(nèi)部資源豐富，接口眾多，可以勝任預(yù)警系統(tǒng)的需求，如該芯片通過USB接口觸發(fā)報(bào)警信號(hào)和語音提醒模塊，如圖5所示。

圖5 STM32系列單片機(jī)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該預(yù)警系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。在系統(tǒng)正常工作后，當(dāng)車輛判斷處于駐車狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)雷達(dá)測速模塊，實(shí)時(shí)檢測進(jìn)入雷達(dá)測速范圍的信號(hào)，一旦滿足雷達(dá)認(rèn)定移動(dòng)物體的條件，一方面雷達(dá)測速模塊通過相應(yīng)的通信協(xié)議通知單片機(jī)，另一方面先行鎖止門禁系統(tǒng)。只有在單片機(jī)啟動(dòng)圖像視頻識(shí)別模塊并在車主的決策支持下，才會(huì)出現(xiàn)由車主自行解除門禁鎖止的狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)部分軟件流程圖

3 試驗(yàn)分析

該預(yù)警系統(tǒng)安裝在眾泰某型號(hào)汽車之后開展了一系列試驗(yàn)測試。圖7顯示了汽車駐車狀態(tài)下，當(dāng)有行人進(jìn)入雷達(dá)測速范圍時(shí)，圖像視頻識(shí)別模塊可以迅速地捕捉到行人并給車主提供顯示決策。車主只有對(duì)圖像視頻識(shí)別模塊的信息進(jìn)行決策后才可能控制門禁系統(tǒng)，保證了行人的安全。表1顯示了該預(yù)警系統(tǒng)識(shí)別不同的移動(dòng)目標(biāo)的情況。從表中可知，雷達(dá)測速模塊對(duì)汽車等目標(biāo)的感應(yīng)距離最遠(yuǎn)，對(duì)行人的感應(yīng)距離最近，這可能與行人的移動(dòng)速度比較慢有關(guān)；圖像視頻識(shí)別模塊由于是在雷達(dá)測速模塊啟動(dòng)之后才工作，所以它的識(shí)別距離相對(duì)雷達(dá)要近一些，摩托車和電動(dòng)自行車由于目標(biāo)小且速度快反而識(shí)別難度大。經(jīng)過50次的反復(fù)試驗(yàn)，證實(shí)了在這種模擬環(huán)境下，由于雷達(dá)地先行鎖止門禁系統(tǒng)的處理，而后再由車主主動(dòng)決策門禁解除的方式保證了預(yù)警系統(tǒng)的可靠預(yù)警。

圖7 預(yù)警系統(tǒng)試驗(yàn)測試圖

表1 不同移動(dòng)目標(biāo)的預(yù)警識(shí)別情況

4 結(jié)論

該預(yù)警系統(tǒng)采用了雷達(dá)和圖像檢測相結(jié)合的方法，開展了相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)。經(jīng)過在眾泰某型號(hào)汽車上的實(shí)測分析，發(fā)現(xiàn)針對(duì)不同的移動(dòng)目標(biāo)，盡管不同的檢測方法的響應(yīng)范圍不一致，但由于雷達(dá)地先行鎖止門禁系統(tǒng)以及車主的主動(dòng)決策，從而使該預(yù)警系統(tǒng)最終都能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的預(yù)警。本系統(tǒng)的測試環(huán)境可能沒有考慮到一些極端情形以及系統(tǒng)的成本不菲等因素，這都是下一步需要改進(jìn)努力的方向。

[1] 王旱霖,趙翔,王春香等.一種基于環(huán)視圖像的車輛開門碰撞預(yù)警方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,43(10):43-47.

[2] 王陸林,劉貴如.基于多普勒雷達(dá)的車輛開門預(yù)警系統(tǒng)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào),2015,23(4):8-12.

[3] 劉貴如,周鳴爭,陳效華.基于連續(xù)波毫米波雷達(dá)的車輛開門防撞預(yù)警技術(shù)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(6):634-638.

Design and Realization of an Early Warning System for Vehicle Parking and Door Opening Accidents*

Zhang Li1, Li Bo2

( 1.Department of Application & Engineering, Zhejiang Economic & Trade Polytechnical, Zhejiang Hangzhou 310018; 2.Hangzhou Micro Optoelectronics Co., Ltd., Zhejiang Hangzhou 310018 )

In order to reduce the probability of traffic accidents caused by door opening of family cars during parking, this paper designs a door collision warning system. The system first determines that the car is in a parked state through the gyroscope, and then uses Doppler radar to monitor the moving target near the vehicle. Once the moving target is found to enter the set threshold distance, the camera is turned on to obtain the specific information of the moving target. On the one hand, the information is transmitted to the vehicle display screen to remind the owner of the decision; on the other hand, it is redundantly processed with the radar signal to lock the door in time. Through the calibration and actual measurement analysis of a certain model of Zotye Automobile, the system can effectively identify the moving targets around the vehicle. With the decision support of the owner, the system can effectively solve the problem of door opening accidents during parking of the vehicle, and has certain application prospects.

Parking; Door opening accident; Early warning; Video image; Radar

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.018

U463.67

B

1671-7988(2021)04-60-03

U463.67

B

1671-7988(2021)04-60-03

張立，就職于浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系。

本論文為浙江省教育廳2019年一般科研項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)為Y2019 42953。