基于DSP的車載測距安全預警系統研究

仇建華，王建勇

（1.西安航空學院 車輛與醫電工程系 陜西 西安 710077；2.上海通用東岳汽車有限責任公司 山東 煙臺 264000）

近年來，我國高速公路現正以高速發展，高速公路運輸以其方便、快捷的優點對社會、經濟生活中發揮著重要的作用，然而，高速公路運輸在帶來高效、快捷、方便的同時，也給人民的生命財產造成了嚴重損害[1]。據統計，在過去幾年中，我國高速公路交通事故百公里發生率約為普通公路的4倍，且重大、惡性交通事故時有發生，汽車追尾事故約占我國高速公路交通事故的 1/3左右，已成為近幾年我國高速公路交通事故的主要形式之一[2]。對高速公路汽車追尾事故形成原因的分析表明，事故的產生原因主要為行駛車輛間的間距小于安全距離[3]。

為了從根本上解決上述公路客運車輛運行中存在的安全隱患問題，本文設計和實現了一種基于DSP的車載測距安全預警系統，該系統充分利用DSP高速數字圖像處理技術，能夠實時判別、警示客運車輛駕駛員跟車距離過近、容易導致追尾碰撞事故的危險性駕駛行為。

1 系統總體設計及工作原理

基于DSP的車載測距安全預警系統的結構組成如圖1所示。它主要由激光雷達傳感器、TLC5510數據A/D轉換模塊、TMS320DM643數字信號處理 DSP、MC9S12XS128單片機、LCD液晶顯示器、聲光預警模塊等組成。數據信息采集處理系統采用基于TMS320DM643內核的北京合眾達公司生產的SEED-DEC643高速數字信號處理DSP，同時為了節省DSP的內部資源，采用飛思卡爾公司生產的MC9S12XS128單片機實現對車輛行駛狀態參數的采集及聲光警示[2]。

圖1 硬件結構圖Fig.1 The figure of the hardware structure

系統的工作原理：在汽車啟動以后系統開始上電工作，從Flash加載程序并進行系統初始化，主要完成芯片初始化、外圍硬件配置等工作，為數據信號輸入及處理做好準備。初始化工作完成后，激光雷達實時測量行駛車輛間距，經過高速A/D轉換器轉換后變成數字量，存在信息處理芯片內部存儲器內；與此同時，測速傳感器模塊將車速信號記錄下來，通過高速A/D轉換器轉換后變成數字量，輸入到信息處理芯片，經過特定算法計算實時得到的汽車運行安全車距。某一時刻，當一場道路環境信息采集完后，CPLD發出中斷喚醒信號通知DSP，DSP收到中斷后；將SRAM里的數據從片外讀入其片內數據空間，并進行數據處理，計算出該時刻的跟馳車距并與事先設定的安全車距進行比較。如果跟馳車距小于安全值，則發出命令由語音系統發出語音警報，同時顯示行駛車輛間距，提醒駕駛員注意控制車速，保持安全車距，如果跟馳車距大于安全值，則繼續讀入下一輪檢測重新計算。

2 系統的硬件設計

2.1 激光雷達傳感器

激光雷達傳感器用來采集車輛前方的道路環境信息，是系統的關鍵部件之一，為了滿足系統工作可靠性的需求，激光雷達傳感器選用型號HDL-64E S2的高精度激光雷達傳感器，使用了64束激光光束、905 nm波長、可以實現360°旋轉、角分辨率高達 0.09°、180 M point/s的數據采集，50～120 m采集距離。它安裝在客運車輛前部牌照上方位置，通過對半導體激光器進行脈沖或編碼調制，利用激光鏡頭使脈沖狀的紅外激光束向前方照射，由光學天線發射的激光束遇到前面的障礙物或車輛后，產生向后散射信號，被光學天線接收，通過受光裝置檢測其距離[4]。

如圖2所示為激光雷達傳感器的搜索工作模式，根據中華人民共和國道路交通安全法實施條例第八十條規定的內容，機動車在高速公路上行駛；車速超過100 km/h時，應當與同車道前車保持100 m以上的距離，車速低于100 km/h時，與同車道前車距離可以適當縮短，但最小距離不得少于50 m。依據上述要求并結合客運車輛的實際運行情況，設置中央激光束的檢測距離為100 m，這樣就能夠及時的檢測出的前方運動車輛，適時辨識危險狀態并發出警報[5]。

2.2 數據A/D轉換模塊

數據轉換模塊采用高速的A/D轉換器，其型號為TLC5510，其采用CMOS工藝制造，8位、20 MSPS模擬量變數字量的轉換器 （ADC），它采用半閃速結構 （semi-flash architecture）。單5 V工作電源且功耗只有100 mW（典型值）的功率。內含采樣和保持電路，具有高阻抗方式的并行接口和內部基準電阻。

2.3 數據信號處理系統

圖2 激光雷達傳感器的搜索工作模式Fig.2 The search work mode of laser radar sensor

SEED-DEC643是以高性能的32 bit定點DSP（TMS320DM643）為主控芯片的DSP系統，主頻高達600 MHz，處理性能可達 4800MIPS，SDSRAM：4M×64 位，Flash：4M×8位，完全滿足運算的需求。芯片上集成了一個多通道音頻串行接口（McASP）外設，具有8根串行數據線，由軟件配置輸入和輸出，具有很強的可編程能力，可以配置為多種同步串口標準，可以和音頻ADC、DAC，Codec，數字音頻接口接收器DIR和S/PDIF傳輸物理層器件實現無縫連接，直接與各種器件高速接口。2個RS232/RS422/RS485異步串行通信接口，這兩個串口之間可以通過編程進行相互切換；RTC實時時鐘能夠為數據的采集與處理提供時間信息；8個數字信號輸入及輸出接口，可以輕松實現云臺的控制或環境的監測和控制[6]。

2.4 車輛行駛狀態參數的采集與處理系統

霍爾式車速傳感器的信號為脈沖信號，客運車輛工作狀況異常復雜，車速信號在采集和傳輸過程中極易受到環境的影響，因此本文采用光電隔離電路進行濾波處理，處理后的高低電平車速信號再經過電壓比較器LM311整形，整理為標準的脈沖矩形波形，抑制噪聲干擾，車速信號采集處理電路如圖3所示。

圖3 車速信號采集處理電路Fig.3 The circuit of speed signal collection and processing

MC9S12XS128的PA0口接受處理后的車速脈沖信號，實時計算出車速數據。MC9S12XS128中的計數器每隔一個采樣周期記錄傳感器信號的脈沖數，車速計算公式為：

式中，N位計數器記錄的脈沖數；l為車輪的周長；p為從動輪每轉一圈傳感器輸出的脈沖數；T為采樣周期[7]。

2.5 聲光預警系統

聲光報警電路設計如圖7所示，通過MC9S12XS128的PB0、PB1、PB2口分別控制紅、黃、綠 3個發光二極管，利用PP0口輸出PWM方波，調整占空比來控制蜂鳴器的報警聲音。系統采用分級式報警策略，即若兩車處于相對安全狀態，綠色發光二極管亮，系統不報警；若兩車處于相對危險狀態，黃色發光二極管亮，蜂鳴器發出長音，系統報警；若兩車處于異常危險狀態，紅色發光二極管亮，蜂鳴器急促音預警[8]。

圖4 聲光預警電路Fig.4 The circuit of sound-light alarm

3 系統的軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖5所示，系統初始化完成后，設置好相應的標示位，開始數據采集，解調出相對距離和方位信息，不斷輸出的距離和方位信息經中央處理器分析，監測前方運動車輛的行駛狀態，實時解算自車與前車之間的相對速度和相對距離，判斷這些相對運動參數是否達到設定的臨界值，決定本車的最安全行駛速度，當有可能發生事故時，系統觸動報警裝置，發出聲光警報。

激光雷達的測距公式如下：

式中，c為激光光速；fa為正向調制過程中，發射信號與接收信號的差額；fb為負向調制過程中，發射信號與接收信號的差額；ω為調制波的重復頻率；Δωm為最大調制頻率。

前方車輛與自車之間相對速度的測量公式如下：

式中，f0為發射波中心頻率[9]。

結合前方車輛與自車之間的相對速度，相對減速度，和自車的行駛車速以及自車駕駛員的制動操作信息，前方車輛與自車之間的相對安全距離的計算公式如下：

式中，Ssafe為兩車不致相撞的最短距離，即臨界安全距離；Vh為自車車速；Vf為前車車速；ah為自車減速度；af為前車減速度。

4 實驗及結果分析

系統在南京依維柯試驗車上安裝調試，選擇高速公路及城市道路等結構化道路上進行了驗證性實驗，對系統的可靠性進行了測試。實驗結果表明，基于DSP的車載測距安全預警系統運行穩定，能夠實時對駕駛員跟車距離過近的危險駕駛行為進行判別，通過聲光報警對駕駛員進行警示，預防交通事故的發生，系統判別準確率達95%以上，虛警率低，完全滿足了設計要求，達到了預期目的。

圖5 系統軟件設計流程圖Fig.5 The flow chart of system software design

5 結束語

文中以嵌入式DSP為硬件開發平臺，設計了一種基于DSP的嵌入式車載測距安全預警系統的實現方案，當車輛距離過近時，系統發出警報提醒駕駛員注意保持車距.系統工作穩定性高，虛警率低，采用聲光結合的分級式報警，避免了頻繁急促報警使駕駛員長期處于緊張狀態，價格成本低。客運車輛上裝備該系統，可以對公路客運車輛駕駛人的駕駛行為進行有效監管和規范，進一步提高公路客運車輛的主動安全性能，加強相關交通管理部門的監察力度，有著廣泛的應用前景和市場需求，具有重要的社會經濟意義。

[1]林廣宇，魏 朗.基于圖像的車載行駛安全監控系統設計[J].空軍工程大學學報：自然科學版，2006，7（5）：30-32.LIN Guang-yu，WEI Lang.The design based on image of vcehicle driving safety monitoring system[J].Journal of Air Force Engineering University：Natural Science Edition，2006，7（5）：30-32.

[2]王紫婷,戰緒庶.一種基于防汽車追尾的車載測距安全預警裝置的研制[J].自動化與儀器儀表，2006，4（22）：36-37.WANG Zi-ting，ZHAN XU-shu.Based on the development of the vehicle range safety warning device[J].Automation&Instrumentation，2006，4（22）：36-37.

[3]于兵，張為公，龔宗洋.基于DSP的嵌入式車道偏離報警系統的硬件平臺[J].測控技術，2009，7（28）：22-28.YU Bing，ZHANG Wei-gong，GONG Zong-yang.Based on DSPhardware platform of embedded lane departure warning system[J].Measurement&Control Technology，2009，7（28）：22-28.

[4]鄧明哲.高速公路追尾碰撞預防報警系統的研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[5]韓洋.高速公路汽車追尾防撞預警系統研究[D].山西：中北大學，2008.

[6]顧柏園.基于單目視覺的安全距預警系統研究[D].長春：吉林大學，2006.

[7]Narayan Srinivasa.Vision-based Vehicle Detection and Tracking Method for Forward Collision Warning in Automobiles[C]//IEEE Symposium on Intelligent Vehicles，2002：626-631.

[8]楊煒，魏朗，鞏建強,等.客運車輛運行狀態圖像監控系統設計[J].計算機工程與 設計，2012，33（8）：3006-3010.YANG Wei，WEI Lang，GONG Jian-qiang，et al.The design image monitoring system passenger vehicle running status[J].Computer Engineering and Design，2012，33（8）：3006-3010.

[9]張青森.基于單目視覺的車輛主動安全技術研究[D].成都：電子科技大學，2011.