安全帶提醒裝置的研究與改進(jìn)

摘 " "要：本裝置利用圖像識別、顏色識別技術(shù)檢測乘員是否佩戴安全帶，并通過限制油門深度，限制車速的方式對司機(jī)進(jìn)行提醒，消除了傳統(tǒng)安全帶提醒裝置防欺騙能力弱，提醒方式有效性、強(qiáng)制性不足的問題，限制車速的提醒方式更可以主動(dòng)避免危險(xiǎn)發(fā)生。不僅可以在私家車上應(yīng)用此裝置保障安全，還可以應(yīng)用于公交車、出租車、網(wǎng)約車等職業(yè)領(lǐng)域，更有效地監(jiān)督、提醒司機(jī)及乘客佩戴安全帶，保障安全運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：圖像識別;顏色識別;安全帶提醒裝置;交通安全

中圖分類號：U463.99 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " " " " " " 文章編號：1004-7344（2019）03-0214-03

引 言

安全帶插口處的開關(guān)檢測安全帶是否插入，座椅下的壓力傳感器檢測是否有人坐在座椅上。當(dāng)安全帶未插入并有人在座椅上時(shí)警報(bào)開啟。當(dāng)系統(tǒng)檢測到乘員未系安全帶時(shí)提示音響起，一般還會(huì)結(jié)合車速提醒，當(dāng)車速未達(dá)到預(yù)設(shè)車速時(shí)即使未系安全帶也不會(huì)有提示音響起，提示音常與警示燈配合工作。但部分車型的提示音在響了一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)消失。

1 "安全帶提醒裝置的研究目的分析

在了解相關(guān)背景和現(xiàn)狀后，我們認(rèn)為我們的改進(jìn)應(yīng)主要向兩個(gè)方面進(jìn)行：①采用充分條件作為系統(tǒng)判斷乘員是否佩戴安全帶的依據(jù)，經(jīng)過分析論證，我們認(rèn)為最佳方案是檢測安全帶是否繞過乘員身體前方;②采用更有效的提醒方式，并在提醒未被注意到時(shí)系統(tǒng)能主動(dòng)采取措施避免危險(xiǎn)而不依賴乘員自身行為。總體方案包括兩部分：①通過圖像識別檢測安全帶是否繞過身體前方，比傳統(tǒng)檢測方式更準(zhǔn)確可靠，提高裝置防欺騙能力;②通過限制油門深度，同時(shí)限制車速的方式提醒，提高提醒的有效性、強(qiáng)制性，若未系安全帶，即使提醒被忽視，車速也將被限定在安全范圍內(nèi)，能主動(dòng)保護(hù)乘員安全。

2 "安全帶提醒裝置描述

裝置分為兩大板塊：①檢測板塊，主要是電子結(jié)構(gòu);②提醒板塊，主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)。檢測板塊負(fù)責(zé)檢測乘員是否佩戴安全帶;提醒部分負(fù)責(zé)限制油門深度，提醒司機(jī)佩戴安全帶。檢測板塊通過主控板控制提醒板塊。

2.1 "主控板概述

我們使用的是DFROBOT上購買的ROMEOBLE控制器，屬于arduino開源硬件。

因?yàn)槲覀冊陔娐钒逯谱骱统绦蜷_發(fā)方面的知識水平十分有限，基礎(chǔ)薄弱。由于時(shí)間、條件均有限，無法在課題研究期間對相關(guān)知識進(jìn)行系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，而arduinoIDE基于processingIDE開發(fā)，對初學(xué)者來說極易掌握，同時(shí)有足夠靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)。所以我們選擇了較為基礎(chǔ)，適合學(xué)生使用的開源硬件ROMEOBLE控制器。

控制器就像一個(gè)微型電腦，向控制器上上傳一個(gè)程序，控制器就能以此對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器對其他電子元件的控制。

我們在檢測板塊第一階段中，利用紅外線傳感器向控制器輸入信號，控制器根據(jù)信號判斷乘員是否佩戴安全帶并向舵機(jī)發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作指令;在檢測板塊第二階段中，我們用pixy攝像頭向控制器輸入信號，控制器根據(jù)信號判斷乘員是否佩戴安全帶并向舵機(jī)發(fā)出相應(yīng)動(dòng)作指令。在檢測板塊第一階段，紅外線傳感器使用模擬輸入管腳A0輸入信號，控制器通過數(shù)字口9號向舵機(jī)發(fā)出信號。在檢測板塊第二階段，攝像頭通過ICSP下載程序接口與控制器通信，控制器通過數(shù)字口9號向舵機(jī)發(fā)出信號。

2.2 "紅外線傳感器檢測方案

總體設(shè)計(jì)思路：紅外線傳感器檢測方案原理圖，接收到紅外線信號判斷為已佩戴安全帶，未接收到紅外線信號判斷為未佩戴安全帶。

2.2.1 "紅外線傳感器概述

紅外線傳感器由紅外線發(fā)射管、紅外線接收管、比較器電路、指示燈、VCC、GND、D0管腳組成。發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理后，綠色指示燈亮起，同時(shí)信號輸出接口（D0）輸出數(shù)字信號（一個(gè)低電平信號），若接收管未接收到紅外線，則輸出高電平信號。

2.2.2 "程序設(shè)計(jì)

使用的編程軟件mixly（米思齊）：

Mixly采用了Blockly圖形化編程引擎，使用圖形化的積木塊代替了復(fù)雜的文本操作，適合初學(xué)者的使用和學(xué)習(xí)。Mixly在功能的設(shè)計(jì)上力求和ArduinoIDE的文本編程保持一致，目前最新發(fā)布的Mixly0.96版已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Arduino的所有官方功能（包括中斷處理），并加入了大量的第三方擴(kuò)展庫功能，如紅外遙控、超聲波等，可以保證課程開設(shè)和各類創(chuàng)客比賽的雙重需求。Mixly在設(shè)計(jì)上考慮了絕對的普適性：①對Arduino官方支持的所有開發(fā)板，Mixly都提供了完美的支持：Mixly會(huì)根據(jù)開發(fā)板的類型自動(dòng)改變模塊中的管腳號、中斷號、模擬輸出管腳等;②對Arduino支持的第三方開發(fā)板，用戶只要把相應(yīng)開發(fā)板的定義復(fù)制到Mixly中，依然可以得到支持。如國內(nèi)大量的ESP8266開發(fā)板、各類用戶修改后的開發(fā)板等，從而保證了用戶在開發(fā)板選擇上的最大自由度。

2.2.3 "實(shí)驗(yàn)與測試

首先要確定反光條的位置，反光條的位置需要滿足以下條件：①能保證隨安全帶一起抽出，在乘員身體前方當(dāng)安全帶未按正確方式使用時(shí)（例如繞在乘員身后）無法反射紅外線信號;②當(dāng)安全帶正常使用時(shí)反光條不會(huì)被乘員正常身體活動(dòng)遮擋安全帶在此處的扭轉(zhuǎn)角度較小，測試時(shí)不同區(qū)域安全帶在下列常見情況下被遮擋的情況，將遮擋時(shí)間除以總時(shí)間作為該區(qū)域在做某事的情況下被遮擋的概率，使用手機(jī)加權(quán)0.4，吃東西加權(quán)0.15，睡覺加權(quán)0.4，看報(bào)紙加權(quán)0.05，粗略估算出乘客的安全帶不同區(qū)域被遮擋的概率;方向盤從最左到最右加權(quán)0.1，不遮擋加權(quán)0.9，粗略估算出司機(jī)安全帶不同區(qū)域被遮擋概率：

根據(jù)以上條件，并結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際檢驗(yàn)，我們初步確定將反光條設(shè)置在安全帶正常使用時(shí)經(jīng)過人鎖骨處的一段。若正確使用安全帶，安全帶在該區(qū)域會(huì)拉的比較平整，而且在一般情況下該區(qū)域很少被遮擋。確定紅外線傳感器的位置，若將反光條設(shè)置在此處，紅外線傳感器固定位置應(yīng)滿足的條件，紅外線信號不能被雜物遮擋，與反光條的距離不能過遠(yuǎn)，與反光條的連線大致垂直于反光條平面，根據(jù)以上條件，傳感器的位置可以設(shè)置在A柱上或是擋風(fēng)玻璃與車頂交界處，二者與反光條的距離均在40cm左右。

測試驗(yàn)證系統(tǒng)是否能滿足以上條件并正常運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

反光條對紅外線的反射能力顯著高于其他物體表面，檢測距離與允許的偏轉(zhuǎn)角度均能滿足要求。可以利用反光條與其他材質(zhì)反射能力的差異讓系統(tǒng)從其他物體中區(qū)分出安全帶而不會(huì)與其他物體混淆。主要存在以下問題：①安全帶寬度不大，紅外線傳感器與反光條之間不易對準(zhǔn)容易造成誤判。②反光條易于復(fù)制，不能排除乘員使用其他反光條代替安全帶上的反光條欺騙系統(tǒng)的情況，防欺騙能力達(dá)不到預(yù)期。③紅外線傳感器易被陽光干擾。

2.3 "圖像識別/顏色識別檢測方案（第二階段）

2.3.1 "1pixy攝像頭概述

Pixy是一個(gè)開源的圖像識別傳感器，支持多物體，多色彩的顏色識別，最高支持7種顏色。你可以告訴它你想要的顏色，教它找東西。Pixy支持多種通信方式，如SPI，I2C等，可以直插在Arduino控制板上面。它搭載的圖像傳感器配合強(qiáng)大的硬件，可以配合PC跟蹤、分析多色的數(shù)據(jù)。Pixy是由Charmed實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學(xué)共同推出的一款圖像傳感器。其強(qiáng)大的處理器上搭載著一個(gè)圖像傳感器，它會(huì)選擇性的處理有用的信息，因?yàn)樗捎靡灶伾珵橹行牡霓k法——使該產(chǎn)品只是將特定顏色的物體的視覺數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺數(shù)據(jù)以進(jìn)行圖像處理。所以你的Arduino板或其它微控制器很容易跟它交流，并滕出許多CPU來執(zhí)行其他事件。利用該攝像頭，我們先教它一段特定的顏色組合，再將該顏色組合印在安全帶上，這樣，顏色組合相當(dāng)于一段密碼，可以增強(qiáng)系統(tǒng)防欺騙能力，攝像頭自帶的圖像跟蹤功能還解決了了安全帶在使用過程中移動(dòng)而造成誤判的問題。該攝像頭與arduino兼容，便于程序設(shè)計(jì)。

2.3.2 "程序設(shè)計(jì)

依據(jù)之前對攝像頭的學(xué)習(xí)，我們進(jìn)行了初步的程序流程圖設(shè)計(jì)，查找示例程序，因?yàn)槲覀兌际莂rduino初學(xué)者，對編程的很多方面還未能有深入了解，運(yùn)用也遠(yuǎn)未達(dá)到熟練，而該攝像頭的部分代碼米思齊無法滿足，所以我們采取“逆向開發(fā)”的策略，因?yàn)閍rduino是開源電子原型平臺，網(wǎng)上有豐富的資源可以利用，所以我們先找到了一段和我們類似的程序，再進(jìn)行部分改編，避免了很多初學(xué)者可能面臨的困難，減少了一些不必要的麻煩，降低了工作量。

以下代碼來源于：吳家豪robot.有趣的CMUcam5_Pixy機(jī)器人[OL]. [2014-7-25].https：//www.arduino.cn/thread-6582-1-1.html

#include lt;Servo.hgt;

#include lt;SPI.hgt; " " " " "http://Pixy庫函數(shù)

#include lt;Pixy.hgt;

Pixy pixy;

Servo myservo_1; " " " " " //定義舵機(jī)

Servo myservo_2;

Servo myservo_3;

int upsize=50;

int downsize=150;

int center=90;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

Serial.print（\"Starting...＼n\"）;

myservo_1.attach（9）; " " " //定義舵機(jī)的引腳

myservo_2.attach（8）;

myservo_1.write（90）;

myservo_2.write（90）;

myservo_3.attach（7）;

myservo_3.write（center）;

pixy.init（）;

}

void advance（） " " " "http://前進(jìn)

{

myservo_1.write（0）;

myservo_2.write（180）;

}

void back（） " " " " " //后退

{

myservo_1.write（160）;

myservo_2.write（20）;

}

void left（） " " " " " "http://左轉(zhuǎn)

{

myservo_1.write（0）;

myservo_2.write（90）;

}

void right（） " " " " " //右轉(zhuǎn)

{

myservo_1.write（90）;

myservo_2.write（180）;

}

void Stop（） " " " " " "http://停止

{

myservo_1.write（90）;

myservo_2.write（90）;

}

void loop（）

{

static int i =0;

int j;

uint16_tblocks;

char buf[32];

blocks =pixy.getBlocks（）; " "http://讀取數(shù)值

Serial.print（pixy.blocks[0].width）;

Serial.print（\" \"）;

Serial.print（pixy.blocks[0].height）;

Serial.print（\" \"）;

Serial.print（pixy.blocks[0].x）;

Serial.print（\" \"）;

Serial.println（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].height）;

//通過物塊面積追蹤

if（blocks）

{

if（pixy.blocks[0].xlt;200amp;amp;pixy.blocks[0].xgt;100）

{

if（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].heightlt;55000）

advance（）;

elseif（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].heightgt;55000）

back（）;

}

if（pixy.blocks[0].xgt;200）

{

right（）;

}

if（pixy.blocks[0].xlt;100）

{

left（）;

}

if（pixy.blocks[0].width * pixy.blocks[0].heightgt;500）

{

if （pixy.blocks[0].y lt; 90 amp;amp;centergt; upsize）

{

center-=2;

delay（2）;

}

if（pixy.blocks[0].ygt;120 amp;amp; centerlt;downsize）

{

center+= 2;

delay（2）;

}

}

}

myservo_3.write（center）;

}

以上代碼實(shí)現(xiàn)的功能為通過物塊面積追蹤控制多個(gè)舵機(jī)，我們需要將其改編為通過檢測物塊有無控制單個(gè)舵機(jī)。

程序改編與簡單說明

#include lt;SPI.hgt;

#include lt;Pixy.hgt; " //庫函數(shù)

#include lt;Servo.hgt;

Pixy pixy;

Servo myservo_1;

int upsize=50; " " "http://定義舵機(jī)

int downsize=150;

int center=90;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

Serial.print（\"Starting...＼n\"）; " " "http://定義舵機(jī)引腳

myservo_1.attach（9）;

myservo_1.write（45）;

}

void loop（）

{

static int i = 0;

int j; " " " //讀取數(shù)值

uint16_t blocks;

char buf[32];

blocks = pixy.getBlocks（）;

Serial.print（blocks）; " " "http://串行打印

if（blocks）

{

myservo_1.write（45）; " "http://當(dāng)識別到物體時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)45°，否則轉(zhuǎn)動(dòng)60°

delay（20）;

}

else

{

myservo_1.write（60）;

delay（20）;

}

}

2.3.3實(shí)驗(yàn)測試

與紅外線傳感器相比，該攝像頭檢測能力有了大幅度提升，檢測范圍范圍更廣，準(zhǔn)確率更高，解決了紅外線傳感器方案檢測范圍狹窄，失誤率高的問題;每秒50幀的傳輸速率以及自帶的圖像跟蹤功能更適合于追蹤位置、角度會(huì)不斷變化的安全帶;而使用顏色組合的方法則大大提高了裝置的防欺騙能力，同時(shí)存在夜間難以使用的問題。

3 nbsp;安全帶提醒裝置優(yōu)勢

與傳統(tǒng)裝置相比，由于以安全帶繞過乘員身體前方這一充分條件作為判斷依據(jù)，并結(jié)合了圖像識別顏色組合的方式，安全帶提醒裝置防欺騙能力顯著提升。采用限制油門深度、限制車速的方式作為提醒方式，提醒有效性、強(qiáng)制性明顯改善，同時(shí)，提醒是否能夠保障安全不再取決于乘員自身行為，限制車速本身就能夠主動(dòng)、直接避免危險(xiǎn)發(fā)生，安全性更高。這種提醒方式尤其適合于在出租車、公交車、網(wǎng)約車等場合下提醒司機(jī)或乘客系上安全帶，避免了因口頭提醒可能出現(xiàn)的尷尬，保障從業(yè)者與消費(fèi)者的生命財(cái)產(chǎn)安全。裝置結(jié)構(gòu)原理簡單，具有很大靈活性，適用于多種不同場合。

4 "安全帶提醒裝置改進(jìn)空間分析

①攝像頭在夜間無法使用，而紅外線可以在夜間使用，兩者可以結(jié)合，例如模仿紅外線掃描條形碼的技術(shù)，打印一段黑白色塊組成的條形碼，利用黑色與白色對紅外線反射的區(qū)別識別條形碼，或是利用紅外線反射/吸收涂層對標(biāo)記進(jìn)行隱形處理。我們采用顏色識別方案之前就對此方案進(jìn)行過研究，但因相關(guān)資料匱乏，實(shí)施難度大，掃描模塊與arduino不能兼容等問題放棄了此方案。②如今汽車電子化程度非常高，幾乎每一輛車都配備有ECU（電子控制單元）控制車輛運(yùn)行，而油門則普遍采用了電子油門，司機(jī)踩動(dòng)電子油門，電子油門就會(huì)向ECU輸入特定的電壓信號，ECU對信號進(jìn)行分析處理后控制電子節(jié)氣門，以此控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作。所以可以對電子油門輸出信號的特性曲線與ECU的控制程序進(jìn)行改動(dòng)，使之在乘員未系安全帶時(shí)限制節(jié)氣門打開程度以限制車速，并以此方式提醒司機(jī)。此提醒方式不需要加裝機(jī)械結(jié)構(gòu)，更簡潔，而且，ECU的電子限速方式比機(jī)械式的油門限制方式更能精確控制車速。

5 "結(jié)束語

與傳統(tǒng)裝置相比，由于以安全帶繞過乘員身體前方這一充分條件作為判斷依據(jù)，并結(jié)合了圖像識別顏色組合的方式，安全帶提醒裝置防欺騙能力顯著提升，提醒有效性、強(qiáng)制性明顯改善，保障從業(yè)者與消費(fèi)者的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

[1]Python極客團(tuán)隊(duì).機(jī)器人Python極客編程入門與實(shí)戰(zhàn)，電子工業(yè)出版社，2017，9.

[2]機(jī)械制圖基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社，2009，6.

收稿日期：2018-12-12