郭征凱，曹斌芳,，肖 勤，陳元惠

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

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)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(shí)帶來(lái)的破壞力極強(qiáng)。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(jué)盲區(qū)有行人和車輛出現(xiàn)、車輛故障處理不及時(shí)等。本文提出了一種解決大型車輛及其駕駛員在行駛過(guò)程中存在安全隱患的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過(guò)多傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建進(jìn)行環(huán)境感知，通過(guò)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(jìn)行相應(yīng)干預(yù)動(dòng)作；從事故成因出發(fā)，有針對(duì)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(tái)進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、安全預(yù)警網(wǎng)絡(luò)組成，可實(shí)現(xiàn)智能化車輛行駛安全監(jiān)測(cè)、駕駛員身體情況監(jiān)測(cè)、駕駛室環(huán)境監(jiān)測(cè)、車外風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)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(hù)功能，為大型車輛行駛安全提供更全面的防護(hù)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(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；車載系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方案通過(guò)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(cè)模塊

本方案中的視覺(jué)識(shí)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(duì)于攝像頭的選型更加靈活，且具備更強(qiáng)的場(chǎng)景針對(duì)性，一定程度上消除了利用視覺(jué)傳感技術(shù)獲取車輛周圍環(huán)境兩維或三維圖像信息時(shí)易受光照環(huán)境影響、三維信息測(cè)量精度較低等缺點(diǎn)。

煙霧傳感模塊MQ-2作為消防常用的傳感器模塊，其對(duì)于具備高強(qiáng)度運(yùn)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(duì)駕駛室環(huán)境進(jìn)行無(wú)煙檢測(cè)）；煙霧傳感還可應(yīng)用在車輛貨艙內(nèi)，運(yùn)輸品為易燃易爆物品時(shí)，煙霧傳感模塊可作為運(yùn)輸保障方案與具有其他特征檢測(cè)功能的傳感器組合（如氧氣濃度模塊等），實(shí)時(shí)將貨艙情況傳遞給終端。

雷達(dá)監(jiān)測(cè)模塊采用微波傳感模塊AWR1843，AWR1843微波傳感模塊為德州半導(dǎo)體公司出品的集成DSP、MCU和雷達(dá)加速器的汽車?yán)走_(dá)傳感器芯片，具有高精度以及低功耗等特點(diǎn)，其擁有4個(gè)接收通路，3個(gè)發(fā)送通路，以及基于分?jǐn)?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(cè)、變道輔助、停車輔助。

車載雷達(dá)分布如圖2所示。

圖2 車載雷達(dá)分布

安全檢測(cè)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(jìn)行駕駛室內(nèi)環(huán)境的檢測(cè)，根據(jù)傳感器內(nèi)置的高精度電化學(xué)傳感器，將獲取的溫度以及氧氣濃度等模擬信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)[2]至系統(tǒng)主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并對(duì)駕駛室隱患采取干預(yù)（如駕駛室溫度過(guò)高，將發(fā)送語(yǔ)音提示駕駛員休整，同時(shí)進(jìn)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(jué)識(shí)別模塊，為駕駛室內(nèi)人員提供保護(hù)機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的氧氣濃度（以19.5%為警戒閾值），針對(duì)長(zhǎng)期封閉的駕駛室環(huán)境（低氧情況）將自動(dòng)控制通風(fēng)，防止低氧對(duì)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(jìn)行呼出氣體酒精含量測(cè)定（20 mg/100 mL為閾值），模塊檢測(cè)到駕駛員酒駕后，通過(guò)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(dòng)或行駛行為；當(dāng)駕駛員通過(guò)上車前檢測(cè)后，駕駛安全模塊轉(zhuǎn)為調(diào)用攝像頭模塊輔助檢測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、判定駕駛員的精神狀態(tài)。出現(xiàn)問(wèn)題則向駕駛員發(fā)出提示，將具有安全隱患（提醒無(wú)效）車輛的基本信息發(fā)送至周圍車輛進(jìn)行警示[5]。

3.2 車身四周預(yù)警部分

此部分主要負(fù)責(zé)車輛周圍警示，結(jié)合24位陀螺儀模塊、導(dǎo)航模塊、雷達(dá)檢測(cè)模塊反饋的信息，獲取車輛周圍的實(shí)時(shí)行駛路況信息，在終端進(jìn)行相應(yīng)提示。對(duì)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(jī)提供實(shí)時(shí)路面信息，輔助選擇合適的行駛路線；對(duì)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(xiǎn)信號(hào)通過(guò)主控制器接收處理后，除駕駛室發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)進(jìn)行提醒外，車身四周也將采取激光投影方案警示危險(xiǎn)區(qū)域。對(duì)誤入危險(xiǎn)區(qū)者，車身聲光預(yù)警裝置再次警示[6]。

4 無(wú)線通信模塊

車載終端模塊具體設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

圖3 車輛安全網(wǎng)絡(luò)

拓展工業(yè)級(jí)WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊USR-WiFi232-A2B2（基于工業(yè)級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行信息的發(fā)送或接收，通信距離達(dá)250 m）。車載終端無(wú)線連接，將終端傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)的道路數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)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(wèn)題，聯(lián)合地圖導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)以車輛為單個(gè)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(guò)高、不同地形傳輸障礙等技術(shù)難點(diǎn)[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(dòng)（語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)、攝像頭驅(qū)動(dòng)等）主要將各硬件模塊進(jìn)行功能上的抽象封裝，將硬件層與上層應(yīng)用開發(fā)進(jìn)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(cè)進(jìn)程、車外環(huán)境檢測(cè)進(jìn)程、車內(nèi)環(huán)境檢測(cè)進(jìn)程、警報(bào)提示進(jìn)程和終端顯示進(jìn)程[8]。

5.1 車內(nèi)環(huán)境檢測(cè)進(jìn)程

該進(jìn)程主要負(fù)責(zé)調(diào)用安全檢測(cè)模塊部分（煙霧、氧氣、溫度等室內(nèi)模塊驅(qū)動(dòng)）及開啟駕駛員身體檢測(cè)進(jìn)程，以獲得駕駛室內(nèi)、駕駛員身體狀態(tài)等數(shù)據(jù)；當(dāng)進(jìn)程檢測(cè)存在異常狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，喚醒警報(bào)進(jìn)程進(jìn)行提示，并將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)發(fā)送至云端管理者求助。

5.2 車外環(huán)境檢測(cè)進(jìn)程

通過(guò)調(diào)用雷達(dá)、攝像頭、導(dǎo)航、陀螺儀等底層驅(qū)動(dòng)程序，結(jié)合兩者采集的道路數(shù)據(jù)進(jìn)行判定處理，輔助終端顯示進(jìn)程構(gòu)建實(shí)時(shí)行車安全地圖。檢測(cè)到道路數(shù)據(jù)存在危險(xiǎn)（如有路面落石障礙）后，喚醒警報(bào)進(jìn)程進(jìn)行提示，并將實(shí)時(shí)道路信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)共享至局部車輛安全網(wǎng)絡(luò)[9-10]。

5.3 警報(bào)提示進(jìn)程

本進(jìn)程作為車載終端系統(tǒng)中的重要部分，負(fù)責(zé)進(jìn)行各類異常事件的處理以及針對(duì)性調(diào)用語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)等。驅(qū)動(dòng)主要包括語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)和激光鐳射模塊驅(qū)動(dòng)。在系統(tǒng)中通過(guò)核心處理進(jìn)程傳遞信息進(jìn)行動(dòng)作響應(yīng)。主要有兩種警示方案：

（1）駕駛室內(nèi)語(yǔ)音播報(bào)加網(wǎng)絡(luò)廣播警示危險(xiǎn)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(xiǎn)行為時(shí)，通過(guò)視覺(jué)算法的顯示畫面自動(dòng)捕捉相關(guān)行為，并進(jìn)行事件判定；同時(shí)，進(jìn)程將進(jìn)行下一步動(dòng)作（調(diào)用警示提示進(jìn)程對(duì)駕駛員及其周邊車輛進(jìn)行提示，必要時(shí)可進(jìn)行制動(dòng)處理防止造成更大損失）。此外，對(duì)于其他數(shù)據(jù)，如果超過(guò)正常閾值時(shí)，終端進(jìn)程將特殊參數(shù)發(fā)送至警報(bào)提示進(jìn)程，并且調(diào)用其進(jìn)行相關(guān)提示。

6 結(jié) 語(yǔ)

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(yùn)營(yíng)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(cè)、車外安全監(jiān)測(cè)、安全網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控等）的功能。通過(guò)一系列調(diào)試運(yùn)行，本方案運(yùn)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(shí)意義，應(yīng)用前景較為廣闊。