可以根據(jù)路況調(diào)整的車速限制系統(tǒng)研制

周定華，李 源，朱向冰

（1.奇瑞商用車 （安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

超速行駛是造成大多數(shù)道路交通事故的重要原因，因此各個(gè)國(guó)家對(duì)車速限制方面尤其重視，如在中國(guó)對(duì)高速公路、橋梁和隧道、人口密集的市區(qū)都有嚴(yán)格的車速限制［1］。車速限制的目的是為了減少車禍，提供更加安全的駕駛技術(shù)，有效地減少車禍發(fā)生的幾率和造成的損失。現(xiàn)有汽車中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)限速及報(bào)警方案［2-4］，但主要通過(guò)自動(dòng)識(shí)別限速標(biāo)牌來(lái)警告和提示用戶的超速情況，這種方案限速值是固定的，難以根據(jù)路況復(fù)雜程度做出更改，當(dāng)路況較復(fù)雜時(shí)，實(shí)際行駛的車速往往應(yīng)遠(yuǎn)小于該數(shù)值，因而有必要在汽車上增加一種可調(diào)節(jié)式限速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的限速功能。

1 工作原理

首先由用戶決定限速功能是否開(kāi)啟。當(dāng)需要關(guān)閉限速功能時(shí)，用戶按下屏蔽開(kāi)關(guān)，不執(zhí)行限速功能，組合儀表接收到開(kāi)關(guān)信號(hào)，相應(yīng)的LED指示燈閃爍表明用戶不需要限速功能；當(dāng)需要開(kāi)啟限速功能時(shí)，用戶再一次按下屏蔽開(kāi)關(guān)，執(zhí)行限速功能，組合儀表中相應(yīng)的LED指示燈常亮，表示用戶需要限速功能，通過(guò)攝像頭及圖像識(shí)別單元、導(dǎo)航儀、語(yǔ)音識(shí)別模塊獲取最大允許速度，組合儀表通過(guò)CAN總線獲取整車的實(shí)際速度并計(jì)算平均值，將速度的平均值與限制速度相比較，判斷是否開(kāi)啟報(bào)警，如果超速，組合儀表通過(guò)CAN總線給發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送信號(hào)，降低車速。在系統(tǒng)中還設(shè)置了一個(gè)低速報(bào)警，當(dāng)在高速公路上速度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)只報(bào)警并不增加速度。

汽車通過(guò)攝像頭識(shí)別道路上的限速標(biāo)志，獲取基本的限速值，汽車也可以通過(guò)導(dǎo)航地圖信號(hào)獲取限速值，如果兩個(gè)值不一致時(shí)，一般選取較低的值，也可以由用戶判斷該用哪一個(gè)值。

為了方便用戶使用，本系統(tǒng)使用組合儀表中的車載語(yǔ)音模塊，不僅向用戶播報(bào)各種信息，還接收用戶的語(yǔ)音命令，用戶通過(guò)語(yǔ)音可以進(jìn)一步降低限速值，實(shí)現(xiàn)根據(jù)周圍路況而調(diào)整限速值的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車速限制系統(tǒng)由屏蔽開(kāi)關(guān)、攝像頭及圖像識(shí)別單元、組合儀表、CAN總線和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元組成。汽車限速系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 汽車限速系統(tǒng)

現(xiàn)有技術(shù)通常采用單片機(jī)作為限速器的處理控制單元［5-6］，本文的組合儀表中也使用單片機(jī)。圖1中組合儀表集成了限速設(shè)置和報(bào)警功能，通過(guò)組合儀表可以調(diào)節(jié)速度的限值，在偏離速度限值以后發(fā)出聲光報(bào)警。組合儀表中的液晶屏也用來(lái)顯示當(dāng)前車速和限速值。組合儀表中的語(yǔ)音模塊具有語(yǔ)音識(shí)別功能，捕捉用戶語(yǔ)言中的車速信息，當(dāng)需要改變限速值時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音反饋給用戶。

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)采用的是LD3320芯片，該芯片基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，芯片上內(nèi)置單聲道m(xù)ono 16-bit A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、雙聲道stereo 16-bit D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道、550 mW的內(nèi)置放大器、20 mW的雙聲道耳機(jī)放大器接口，不需要外接AD芯片，只需要把麥克風(fēng)接在芯片的AD引腳上；同時(shí)不需要外接輔助的Flash和RAM，降低了系統(tǒng)成本。LD3320支持并行接口或者SPI協(xié)議，并內(nèi)置鎖相電路PLL，輸入主控時(shí)鐘頻率為2~34 MHz，在待機(jī)狀態(tài)下電流為1 μA，工作電壓為3.3 V，可以與多種單片機(jī)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控系統(tǒng)。

在一些特殊場(chǎng)合下，為方便用戶使用，必須關(guān)閉限速功能，其中增加了一個(gè)快捷鍵——屏蔽開(kāi)關(guān)，方便用戶使用。

攝像頭及圖像識(shí)別單元采用其他公司生產(chǎn)的成熟的產(chǎn)品，其具有MicroPython板載解析器，可以運(yùn)行基于機(jī)器視覺(jué)算法的程序，與單片機(jī)之間通過(guò)串口通信，可以快速方便地識(shí)別限速標(biāo)識(shí)牌中的信息，并與組合儀表交換數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品采用OpenMV技術(shù)，使用OpenMV IDE開(kāi)發(fā)平臺(tái)，現(xiàn)階段本文只用它檢測(cè)道路標(biāo)識(shí)牌，在后續(xù)的工作中還將用它檢測(cè)道路信號(hào)，如交通標(biāo)線、交通護(hù)欄等，還可以用來(lái)檢測(cè)道路中的其它車輛和行人，根據(jù)安全車距計(jì)算出能夠行駛的最高速度，產(chǎn)生新的限速信號(hào)。

組合儀表上還預(yù)留一個(gè)車載導(dǎo)航儀的接口，導(dǎo)航儀可以將道路的限速值傳遞給組合儀表，在組合儀表中與圖像識(shí)別單元發(fā)出的限速信號(hào)進(jìn)行比較。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的組合儀表與導(dǎo)航儀之間的通信協(xié)議，由于目前沒(méi)有合適的車載導(dǎo)航儀，所以該功能暫時(shí)沒(méi)有對(duì)用戶開(kāi)放，在圖1中也沒(méi)有標(biāo)出上述接口。

在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中CPU是核心部分，它具有運(yùn)算與控制功能，在本系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，采集各傳感器的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)控制信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接收到組合儀表通過(guò)CAN總線傳來(lái)的減速信號(hào)后，自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的速度，即使用戶仍然加大油門，車速也不會(huì)增加，維持在限速范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)限速功能。

除了圖1中提到的硬件以外，系統(tǒng)硬件電路中還有CAN總線元件。本文采用CAN總線技術(shù)連接各個(gè)設(shè)備，使整車所有電子控制系統(tǒng)做到資源共享，互相協(xié)調(diào)。本文中的組合儀表和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元之間采用CAN總線連接，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，保證了系統(tǒng)的性能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和控制思想，本文編寫了相應(yīng)的軟件程序，圖2是主程序流程圖，在限速功能啟動(dòng)后，刪除之前存儲(chǔ)的限速信息，初始化語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，攝像頭及圖像識(shí)別單元也分別初始化，獲取車載導(dǎo)航系統(tǒng)的限速數(shù)據(jù)，修改內(nèi)部存儲(chǔ)的限速數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN總線獲取車輛的實(shí)際速度，將實(shí)際速度與存儲(chǔ)的限速數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果實(shí)際速度過(guò)高，通過(guò)CAN總線向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送減速信號(hào)，組合儀表顯示文字提示并發(fā)出報(bào)警聲音。

圖2 主程序流程圖

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)接收到減速命令后，向組合儀表發(fā)送信號(hào)，組合儀表在中斷程序中響應(yīng)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，修改限速數(shù)據(jù)。

在組合儀表的中斷程序內(nèi)還響應(yīng)攝像頭及圖像識(shí)別單元、導(dǎo)航儀發(fā)來(lái)的限速信號(hào)，為了安全起見(jiàn)，本文的系統(tǒng)可以自動(dòng)取其中最低的限速信號(hào)，但是考慮到攝像頭及圖像識(shí)別單元、導(dǎo)航儀、語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)都可能出現(xiàn)故障，此時(shí)用戶可以直接關(guān)閉限速功能。本文不再贅述中斷服務(wù)程序的流程圖。

4 總結(jié)

限制車速能避免因超速行駛造成的交通事故，特別是對(duì)運(yùn)輸危險(xiǎn)品的車輛、專用校車、公路客車及旅游客車來(lái)說(shuō)尤其重要。為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)不能根據(jù)路況修改限速的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)中的攝像頭及圖像識(shí)別單元不僅識(shí)別道路標(biāo)識(shí)，還根據(jù)實(shí)際路況修改最大允許速度，從而提高系統(tǒng)的安全性。

本系統(tǒng)中集成了語(yǔ)音識(shí)別功能，可直接輸入語(yǔ)音命令，取締了用戶只能在中控面板中手動(dòng)設(shè)定限速值的方法，提高了駕駛安全性；當(dāng)實(shí)際車速超過(guò)限制車速時(shí)，不僅向用戶提供報(bào)警提示，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置的限速值自動(dòng)降低車速，方便用戶使用。

由于本系統(tǒng)還處于研發(fā)階段，語(yǔ)音識(shí)別功能還存在著一些缺陷。和其他讀取限速標(biāo)志的方案類似［7-8］，在霧天狀況下，本文的攝像頭及圖像識(shí)別單元還不能準(zhǔn)確判斷路況，在這種情況下駕駛員一般都會(huì)主動(dòng)降低速度。現(xiàn)階段還需要進(jìn)一步完善語(yǔ)音識(shí)別功能，在不久的將來(lái)，等到語(yǔ)音識(shí)別功能完善以后，本系統(tǒng)將逐步推廣。