廣東警官學(xué)院 陳墉禧 黃沐杰 吳宇帆 曾偉棋 鄭淙允

隨著國內(nèi)外道路車輛增加，停泊車輛剮蹭事故的發(fā)生頻率增高，對(duì)此類事故的警力資源分配也相應(yīng)增加。但因車輛攝像記錄的儀器和城市道路監(jiān)控的不完善，停泊的車輛在拍攝盲點(diǎn)或監(jiān)控錄像模糊的地帶發(fā)生剮蹭事故后，警方和車主難以通過監(jiān)控錄像來提供事發(fā)時(shí)間與地點(diǎn)。為突破此類案件難點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的車輛防剮蹭預(yù)警系統(tǒng)針對(duì)剮蹭事故數(shù)據(jù)記錄的完善度與精確度，結(jié)合信息技術(shù)，超聲波測(cè)距技術(shù)與360°車載環(huán)視監(jiān)控技術(shù)，協(xié)助警方與車主及時(shí)處理車輛刮蹭事故，有利于警力資源的節(jié)省和合理分配，同時(shí)對(duì)國內(nèi)外的汽車附屬品發(fā)展方向有一定參考意義。

我國道路交通事故總量一直呈上升趨勢(shì)，從2008 年的176 萬起一直增加到2018 年的1026 萬起，根據(jù)其演變的趨勢(shì)，可預(yù)知到2020 年將在1026 萬起的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大。伴隨著人民生活質(zhì)量的提高，國家的汽車保有量逐年上漲，道路交通安全事故的總量也會(huì)隨之升高。

近年來，配置行車記錄儀與車載攝像頭的車輛數(shù)目大幅上升，城市道路上的路攝范圍不斷擴(kuò)大，這使得車輛狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄逐步完善，這些對(duì)車輛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法讓交警在調(diào)查案件時(shí)可依據(jù)數(shù)據(jù)增多，為交警處理案件提供了數(shù)據(jù)保證。

1 系統(tǒng)工作基理

1.1 系統(tǒng)模塊組成

該系統(tǒng)由超聲波測(cè)距模塊、監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊、全景攝像模塊以及車輛數(shù)據(jù)記錄模塊共4 個(gè)模塊組成，并采用簡單的IF 算法將監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊與超聲波測(cè)距模塊、全景攝像模塊和車輛數(shù)據(jù)記錄模塊分別連接起來，4個(gè)模塊呈一條單線系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作。全系統(tǒng)能夠統(tǒng)一在車輛上進(jìn)行安裝。

1.1.1 超聲波測(cè)距模塊工作原理簡析

超聲波測(cè)距模塊由覆蓋全車車身的超聲波測(cè)距技術(shù)來進(jìn)行對(duì)車外物體與車身之間距離的測(cè)量。收集超聲波傳播的時(shí)間數(shù)據(jù)，再利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度計(jì)算出超聲波的傳播距離。

此類技術(shù)只需利用51 單片機(jī)及HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊[1]即可測(cè)出目標(biāo)距離。HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊內(nèi)配置了超聲波的發(fā)射器與接收器，計(jì)時(shí)器使用自適應(yīng)濾波器通過LMS 自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)算法計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)射器發(fā)射一組高頻聲波，計(jì)時(shí)器同步計(jì)時(shí)，當(dāng)聲波在傳播途中遇到物體后會(huì)被反彈，返回的聲波再由超聲波接收器進(jìn)行接收，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，利用聲波的傳播速度與計(jì)時(shí)器得到的時(shí)間數(shù)據(jù)計(jì)算可以得到所測(cè)距離。

1.1.2 360°車載環(huán)視監(jiān)控模塊工作原理簡析

全景攝像頭由4 組魚眼攝像頭組成，對(duì)不同方位的近距離車外現(xiàn)時(shí)狀況進(jìn)行監(jiān)控，將這4 個(gè)攝像頭獲取的圖像通過圖像拼接技術(shù)進(jìn)行拼接，可對(duì)車輛周圍的現(xiàn)實(shí)狀況進(jìn)行360°的全景重建，直接得到車外近距離無盲區(qū)無死角的全景鳥瞰圖，以此來克服傳統(tǒng)監(jiān)視裝置中存在視野盲區(qū)的問題，且圖像拼接的計(jì)算速度大大提高[2]。

1.1.3 車輛數(shù)據(jù)記錄模塊工作原理簡析

行車記錄儀在保障原有功能的同時(shí)，加入實(shí)時(shí)采集車輛的時(shí)間信息、位置信息與圖片信息，進(jìn)行交通行駛相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，并上傳至儲(chǔ)存云中心的功能。上傳的剮蹭事故發(fā)生可能的時(shí)間信息、位置信息與圖片信息也能夠另外儲(chǔ)存，以便提供給交警進(jìn)行調(diào)查處理。

1.2 整體系統(tǒng)工作原理簡析

當(dāng)超聲波測(cè)距模塊測(cè)出兩者距離小于某一個(gè)可能發(fā)生剮蹭事故的距離的時(shí)候，監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊會(huì)下達(dá)指令讓GPS 系統(tǒng)與時(shí)間計(jì)時(shí)器將事發(fā)時(shí)的車輛的地理位置信息反饋給行車記錄儀中的信息儲(chǔ)存模塊，由信息儲(chǔ)存模塊快速精準(zhǔn)地記錄下事發(fā)的地理位置信息與時(shí)間信息，待交警接到該車輛的剮蹭案件報(bào)案后，可直接調(diào)查車內(nèi)行車記錄儀記錄的剮蹭事故發(fā)生可能的時(shí)間信息、位置信息，并依據(jù)記錄的信息調(diào)用剮蹭事故發(fā)生地最近的街道攝像頭或路面攝像頭在剮蹭事故發(fā)生可能的時(shí)間的畫面進(jìn)行調(diào)查，從而極大地縮小交警的調(diào)查范圍，加快交警的辦案速度。

在超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)到車外物體與車身的距離過小時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊也可下達(dá)指令觸發(fā)全景攝像頭運(yùn)行，記錄車輛外部的實(shí)時(shí)影像，行車記錄儀會(huì)將拍攝的視頻文件儲(chǔ)存入云中心中。使得在無監(jiān)控?cái)z像頭路段的情況下交警也可根據(jù)車主提供的全景攝像頭的錄像可直接確認(rèn)肇事人身份。

2 超聲波測(cè)距技術(shù)相關(guān)理論

2.1 超聲波測(cè)距技術(shù)的工作原理

超聲波測(cè)距原理是利用聲波與障礙物剮蹭后會(huì)發(fā)生反射的特性，通過測(cè)量聲波在兩個(gè)物體間來回運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間，再利用聲波在空氣介質(zhì)中的已知音速，通過公式S=1/2vt 即可得出所需測(cè)量的距離結(jié)果。v 為空氣中聲波的傳播速度，v=340m/s；t 為聲波在空氣介質(zhì)中來回傳播運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間。

2.2 超聲波測(cè)距模塊的總體架構(gòu)

2.2.1 超聲波測(cè)距模塊的組成

超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波發(fā)射模塊和接收模塊是由工作性能穩(wěn)定，操作簡易方便且性價(jià)比極高的單片機(jī)控制系統(tǒng)51 系列AT89C51 單片機(jī)和測(cè)距范圍廣，精度高且具有測(cè)距精度能達(dá)到3mm 的非接觸式距離感測(cè)功能的HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊[3]共同組成。顯示模塊采用的是LCD1602，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)較前衛(wèi)，處理出的數(shù)據(jù)可靠性與準(zhǔn)確性較高且操作簡易，除此之外，該系統(tǒng)會(huì)自主過濾出實(shí)時(shí)有用的數(shù)據(jù)且會(huì)在第一時(shí)間反饋到顯示器上，車主可以非常直觀地看到各項(xiàng)相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2.2 超聲波測(cè)距模塊的電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)和關(guān)鍵子模塊路是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件部分，在硬件電路中，每個(gè)模塊獨(dú)立工作，其中傳感器的驅(qū)動(dòng)電路可放大低壓脈沖信號(hào)，而后作用于超聲波換能器，換能器利用低壓脈沖信號(hào)將電能轉(zhuǎn)化為聲能，從而實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射[4]。當(dāng)超聲波與物體剮蹭后產(chǎn)生的反射波經(jīng)過換能器時(shí)，聲能再次轉(zhuǎn)換為電能，成為電壓信號(hào)，此時(shí)便完成了超聲波的發(fā)射及接收工作?；夭ㄐ盘?hào)處理電路的作用是對(duì)超聲波剮蹭后產(chǎn)生的反射波進(jìn)行處理，增強(qiáng)反射波中信號(hào)微弱的部分，隨后利用濾波器對(duì)聲波進(jìn)行降干擾降噪處理，從而獲取準(zhǔn)確的聲波傳播運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，最后再利用已知音速和時(shí)間完成對(duì)距離數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量。在其余模塊中，信號(hào)檢測(cè)模塊用于判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娖礁叩停黄秒娐穭t提供偏置電流給系統(tǒng)內(nèi)部電路；而電源模塊將模擬電源電路和數(shù)字電路，且充當(dāng)變壓器為內(nèi)部系統(tǒng)各個(gè)電路模塊輸出適合的電壓并提供電流。測(cè)距模塊開始工作時(shí)，在外部電源供電的前提下，可利用電路中的電源模塊為其他模塊提供穩(wěn)定的電壓和電流從而維持正常的工作狀態(tài)，其中輸出的電壓為3.3V。此時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)接收到來自單片機(jī)發(fā)送的指令，信號(hào)檢測(cè)模塊在接收指令前就已經(jīng)開始檢測(cè)電路并確定高低電平的工作。

2.3 超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)輸出相關(guān)算法

超聲波測(cè)距技術(shù)利用的是由Pellam 和Galt 提出的脈沖回波法[5]，原理為超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，并由超聲波接收器接收經(jīng)物體剮蹭反射回來的超聲波，測(cè)量記錄這一過程的時(shí)間，按照算法公式即可測(cè)出相應(yīng)距離，因?yàn)槁曇粼诳諝饨橘|(zhì)中的速度已確定，提高記錄發(fā)射和過程的時(shí)間精度則是關(guān)鍵問題，為提高時(shí)間測(cè)量時(shí)的精度和準(zhǔn)度，本團(tuán)隊(duì)采用了LMS 自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)法。LMS自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)法能很好提高時(shí)間測(cè)量精度，需要與自適應(yīng)濾波器搭配共同使用，而自適應(yīng)濾波器是一種能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的特殊濾波器，不需要根據(jù)輸入信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性而后人為調(diào)整參數(shù)，濾波器系統(tǒng)本身就能根據(jù)自身的工作環(huán)境自行進(jìn)行估計(jì)并調(diào)節(jié)，與其他濾波器相比自適應(yīng)濾波器更為方便快捷，只需要加一延時(shí)在接收信號(hào)前，并通過調(diào)整延時(shí)便可使得經(jīng)過LMS 算法的信號(hào)與預(yù)測(cè)的信號(hào)之間的誤差達(dá)到最小。

3 GPS 定位系統(tǒng)與時(shí)間記錄系統(tǒng)模塊

3.1 GPS 信號(hào)源檢測(cè)模型

當(dāng)超聲波測(cè)距模塊測(cè)出兩者距離小于預(yù)設(shè)距離數(shù)值，監(jiān)控系統(tǒng)控制模塊會(huì)下達(dá)指令讓GPS 系統(tǒng)與時(shí)間計(jì)時(shí)器將事發(fā)時(shí)的車輛的地理位置信息反饋給行車記錄儀中的信息儲(chǔ)存模塊，由信息儲(chǔ)存模塊快速精準(zhǔn)地記錄下事發(fā)的地理位置信息與時(shí)間信息。傳統(tǒng)汽車GPS 信號(hào)源檢測(cè)技術(shù)會(huì)因汽車GPS 信號(hào)中存在的噪聲過大而對(duì)準(zhǔn)確定位造成干擾。

GPS 定位技術(shù)可以消除傳統(tǒng)定位方法的缺點(diǎn)，如對(duì)GPS 信號(hào)中噪聲的消除能力較弱，導(dǎo)致車輛定位的精度和實(shí)時(shí)性不能滿足要求。為了避免GPS 信號(hào)在長距離傳輸過程中的弱化和失真，GPS 定位系統(tǒng)采用了信號(hào)噪聲抑制算法來消除噪聲[6]。該系統(tǒng)參與信號(hào)抑制跟蹤定位，修改車載GPS 信號(hào)殘差特性的系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，構(gòu)造車載GPS 噪聲子帶DEMON 譜來傳遞GPS 信號(hào)信息和信號(hào)差分。就像是把汽車GPS 信號(hào)點(diǎn)當(dāng)做原始點(diǎn)，汽車GPS 信號(hào)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)比擬作各個(gè)方向的射線，同時(shí)伴隨噪聲的抑制方法，優(yōu)化完善信息，最終接收所有融合射線，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車GPS 信號(hào)的定位與判斷。

3.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車GPS 定位防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的車輛防盜系統(tǒng)，結(jié)合矢量化地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)，通過二者的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)停放車輛的全天候監(jiān)控，并在發(fā)生事故時(shí)提供及時(shí)報(bào)警。GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)的基本原理是衛(wèi)星連續(xù)發(fā)射星歷參數(shù)和時(shí)間信息，業(yè)主接收并計(jì)算出接收機(jī)的3 個(gè)位置、3 個(gè)方向、運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息?；?G 發(fā)展，可以將GPS 與此結(jié)合，進(jìn)行全球范圍對(duì)汽車進(jìn)行監(jiān)控，使車主能夠及時(shí)對(duì)車輛狀態(tài)清楚了解。同時(shí)利用物聯(lián)網(wǎng)安防技術(shù)，把物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品與安防產(chǎn)品聯(lián)系起來，從而對(duì)車輛進(jìn)行保護(hù)防盜。本研究是基于物聯(lián)網(wǎng)DSP 芯片、GPS 模塊、物聯(lián)網(wǎng)5G 無線通信模塊以及必要的輔助電路，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控車輛定位防盜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖的構(gòu)建?；诖讼到y(tǒng)設(shè)計(jì)，車主離開車輛時(shí)，各種信息，例如位置、時(shí)間，甚至構(gòu)建出剮蹭地點(diǎn)的3D 視圖都能通過5G 無線通訊發(fā)送到車主手機(jī)。不僅立即將信息發(fā)給車主，還將有效信息及時(shí)提供給警方，構(gòu)建警民交流平臺(tái)，減低破案時(shí)間成本。

4 行車記錄儀對(duì)交通數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用

4.1 行車記錄儀系統(tǒng)的改進(jìn)

基于Android 操作系統(tǒng)，在前端加入截屏程序并安裝4G卡，從而對(duì)獲得事故發(fā)生時(shí)的圖片，GPS 經(jīng)緯度，點(diǎn)速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析，進(jìn)一步上傳至云中心，此控制系統(tǒng)可以統(tǒng)籌超聲波測(cè)距、全景攝像頭記錄、GPS 定位、與車主建立信息聯(lián)系、行車記錄儀記載等方面，并在事故發(fā)生后及時(shí)發(fā)送相關(guān)信息告知車主。在日常行駛過程中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)去霧處理和對(duì)道路狀況實(shí)時(shí)記錄，精準(zhǔn)識(shí)別道路目標(biāo)，并在傳輸信息后處理實(shí)現(xiàn)路徑可視化。行車記錄儀系統(tǒng)改進(jìn)后，既把通信傳輸和車載前端的運(yùn)算成本大大降低，又可以通過傳輸圖片時(shí)的間隔差異以及其他結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集中傳輸?shù)皆浦行倪M(jìn)行分析。實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸成本的降低，也就解決了視頻內(nèi)存過大超過SD 卡容量視頻會(huì)自動(dòng)覆蓋的問題。

4.2 行車記錄儀解析經(jīng)緯度與道路匹配逆地址

改良后的行車記錄儀記錄的經(jīng)緯度上傳至數(shù)據(jù)庫，采用開源ETL 工具PivotDateETL 獲得儲(chǔ)存起來的經(jīng)緯度，利用百度地圖APL-Geocoder，轉(zhuǎn)化為道路信息，最后將道路字段信息轉(zhuǎn)化為JSON 格式，將得到的信息錄入數(shù)據(jù)庫表面的相應(yīng)字段[7]。

通過此操作把行車記錄儀的GPS 經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為具體道路位置，與實(shí)際的道路路徑相匹配，是實(shí)現(xiàn)路徑可視化以及記錄事故發(fā)生位置的基本條件。

4.3 行車記錄儀對(duì)數(shù)據(jù)缺失與異常處理

對(duì)于行車記錄儀對(duì)數(shù)據(jù)記錄的缺失和異常的判斷與處理，結(jié)合瞬時(shí)車速和經(jīng)緯度之差數(shù)據(jù)來進(jìn)行篩查。根據(jù)瞬時(shí)車速是否為0 或過大超出常規(guī)車速限度來進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除，以此排除在車輛或者行車記錄儀的啟動(dòng)時(shí)刻未能及時(shí)收到GPS 信號(hào)時(shí)所記錄的無效數(shù)據(jù)；同時(shí)根據(jù)經(jīng)緯度之差是否大于某個(gè)容忍值，或是否為零來確定該情況是否發(fā)生在行駛的起點(diǎn)來決定是否需要將該信息數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。

5 結(jié)論與展望

本項(xiàng)目的研究對(duì)于防止社會(huì)資源浪費(fèi)、節(jié)省警力都有較大幫助。車輛剮蹭預(yù)警和信息記錄系統(tǒng)對(duì)國內(nèi)外的汽車附屬品發(fā)展方向有一定的參考意義。在未來的計(jì)劃中，本團(tuán)隊(duì)可能會(huì)對(duì)此項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量的精準(zhǔn)度、預(yù)警的及時(shí)性及與用戶的交互性做出進(jìn)一步研究。除了研究性能之外，本團(tuán)隊(duì)還將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比、各板塊連接的適配性及流水線工程的步驟進(jìn)行研究，力求以高性價(jià)比的名號(hào)打開市場，讓車輛剮蹭預(yù)警和信息記錄系統(tǒng)裝置走入百姓家，從而達(dá)到最大限度地減少資源浪費(fèi)的目的。

引用

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