基于北斗主機的智能安全駕駛系統試驗初探

錢煒程

【摘 ?要】駕駛員的安全意識淡泊，成為了交警檢查的盲區。針對這個問題，我們覺得它可以通過基于北斗主機集成實現多項安全功能，實現交通監管和技術提升，保障行車安全。本系統可以對監控駕駛者酒駕、疲勞狀態，還賦有跟車安全距離警報，檢測車內和機艙溫度，監測振動顛簸功能，根據行車路段濕度坡度監測等因素，自動結合車速，計算安全跟車距離。

【關鍵詞】北斗系統;安全駕駛;車輛自動安全系統

1.背景

發生交通事故主要原因除不遵守交通規則外，另兩個主要原因是疲勞駕駛和惡劣自然環境。而每年的交通事故中有很多都是因為疲勞駕駛，這個比例要大大超過酒后駕駛。除此之外，陌生路段以及不確定的環境條件也導致了大部分交通事故的發生。

除此之外，車內自燃的新聞頻頻出現在新聞報道中，駕駛員的安全意識不足以及各種安全措施不當都導致車輛在無人情況下自燃，并且滅火不及時導致大范圍火勢。

2.項目概念

2.1應用領域

基于北斗主機的智能安全駕駛檢測系統對車輛多方面的安全狀況進行監測，包含測酒駕、提醒疲勞駕駛、行駛過程震動幅度監測、行駛安全距離監測、車內發動機艙（或新能源車電池艙）自燃預警監測功能。適用于私家車、公用車以及小型貨運車。

2.2 項目主要解決問題

目前城市及郊區道路，僅設置了最高限速來減少車輛發生安全事故，但路段路面實際狀況變化速度快，原有限速無法真正起到安全作用。實際情況中，遇到各種不確定的天氣因素或者路面因素，駛員無法在注意力高度集中情況下判斷與前車安全距離，在各種外界變量影響下，駕駛員在行車時估計本車的剎車距離往往出現錯誤。在貨車運輸過程中，經常出現酒駕，疲勞駕駛、超速追尾等狀況。本項目將采用基于北斗導航的前沿科技，對行車進行更進一步的監管，降低道路上因非故障類因素而產生的事故概率。

3.基本原理

3.1基本功能原理

功能一：測酒駕（注：因為此酒精傳感器模塊為TTL協議，試驗中無法支持，故試驗過程及代碼省略）

使用酒精傳感器，LCD液晶屏。

（1）當駕駛室車門被打開后，酒精傳感器自動開啟。

（2）酒精傳感器檢測車主呼出氣體中的酒精濃度并記錄。

（3）若呼氣酒精濃度超過0.0091mg/100ml，測液晶屏顯示“Do not drink and drive！“并觸發繼電器。待酒精濃度小于0.0050mg/100ml后解鎖。

（4）若此車為公交車，運貨車，打車app合約車等有上級管理部門的公共用車，系統自動通過北斗通訊系統上報上級以加強監督。

功能二：提醒疲勞駕駛

使用計時器，蜂鳴器，LCD液晶屏。

（1）當發動機啟動時開始計時。

（2）若發動機持續開啟時長超過4小時，或者當日累計時長超過8小時，蜂鳴器發出提醒，LCD液晶屏顯示“Do not drive when tired！”。

功能三：檢測振動情況

使用振動傳感器，雙色LED。

（1）根據振動傳感器測定當前路段的車身振幅。

（2）將振幅與設定最高車身承載振幅進行比較，設定三次判斷過程，劃定四個震動區間。

功能四：安全距離警報

使用超聲波傳感器，陀螺儀傳感器，震動傳感器，雨滴傳感器，七色LED，溫度氣壓傳感器，LCD顯示屏，無源蜂鳴器。

（1）根據北斗衛星導航系統測定汽車的瞬時速度。

（2）在模型中輸入各種地面的實際摩擦系數。

（3）根據雨滴傳感器測出是否下雨和雨勢的大小。

（4）根據陀螺儀傳感器測定傾斜角度。

（5）根據震動傳感器測定震動區間。

（6）測量實際車外溫度。

（7）通過超聲波傳感器測定前方障礙物的距離。

（8）若距離小于安全距離，七色LED亮燈，蜂鳴器警報，LCD顯示“Warning ！”。

功能五：車輛自燃早期預警警報

使用溫度氣壓傳感器，煙霧傳感器，火焰傳感器，LCD液晶屏、無源蜂鳴器。

以下情況均視作可能自燃情況：

（1）溫度傳感器溫度異常，即發動機艙（或電池艙）內局部溫度140度以上持續二十秒以上無人手動關閉;

（2）車內煙霧傳感器報警二十秒且無人手動關閉;

（3）車內火焰傳感器檢測到明火。

以上三種情況符合其一后，車載系統自動報警，LED警告，LCD顯示“Fire ！！”通過北斗導航定位系統發送車輛所處位置通知車主，車主可根據實際情況手動關閉。

3.2 安全距離實現原理

3.2.1基礎調查

μ的測定：

路面情況不同，受到的摩擦力也不同，路面的潮濕程度會影響到輪胎摩擦力。此外，路面溫度等狀況改變，都可能導致路面摩擦系數的顯著變化。摩擦力取決于摩擦系數，據研究，不同路面的摩擦因數不同，受限于其他不確定變量影響。本裝置將通過路面潮濕度以及溫度判斷不同路面上相應情況下的μ數值大小，對應計算汽車受到的摩擦力，根據算法最終判斷是否在安全距離以內。

借鑒的摩擦因數如下：

滾動阻力系數

1.滾動阻力系數良好的瀝青或混凝上路面 ? ?0.010--0.018

2.一般的瀝青或混凝土路面 ? ? ? ? ? ? ? ?0.018--0.020

3.碎石路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.020--0.025

4.良好的卵石路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.025--0.030

5.坑的卵石路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.035--0.050

6.壓緊土路干燥的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.025--0.035

7.雨后的 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.050—0.150

8.泥濘上路雨季或解凍期 ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.100--0.250

9.干沙 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.100--0.300

10.濕沙 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.060--0.150

11.結冰路面 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.015--0.030

12.壓緊的雪道 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.030--0.050

根據以上數據，可知在溫度變量中可以在常溫（0℃-20℃）范圍內，大致用一次函數數學模型模擬摩擦因數改變量;在水膜厚度（下雨狀況或其他路面濕滑情況）變量中，以0.03mm為臨界點，對<0.03mm和≥0.03mm，賦予兩個不同常量的數值。

通過程序模型，在獲取各種環境變量后，計算出平地上的基礎摩擦因數參數μ的數值。

3.2.2程序框架

（1）判斷路面狀況，代入基礎路面摩擦因數μ0;

（2）判斷是否下雨，雨滴傳感器：設2個靈敏度不同的傳感器A、B（A的靈敏度比B低）沒檢測到雨滴返回0，反之返回1，。令i=A返回值+B返回值。若i=0，則無雨;若i=1，則小雨;若i=2，則大雨。若i=1：μ1=μ0*0.8;若i=2：μ1=μ0*0.7。

（3）測溫，y=1.5x+70（x=溫度，單位：℃），在此基礎上μ2=μ1*y%;

（4）使用振動傳感器檢測振動情況：設3個靈敏度不同的傳感器A、B（A的靈敏度比B低）沒檢測到振動返回0，反之返回1，。令i=A返回值+B返回值。若i=0，則平坦;若i=1，則路面不平整;i=2，路面存在較大坑洼，若i=3，則路面需維修，不適合車輛行駛。設定4檔振幅后，處于一檔，不賦值;二檔即i=1，μ3=μ2*0.95;三檔即i=2，μ3=μ2*0.85;四檔即i=3，報警反饋次路面不適合行駛，靠邊慢行（此數據通過等比例縮小模型獲取）。

（5）通過陀螺儀傳感器測量傾角θ后，計算出最后的剎車最大加速度a=μ3gcosθ-gsinθ（g=9.8N/kg）。

（6）計算出最大安全距離S=v?/2a。

3.2.3 應用實現

（1）根據北斗衛星導航系統測定汽車的瞬時速度。

（2）根據陀螺儀傳感器測定傾斜角度，根據雨滴傳感器測出是否下雨和雨勢的大小，濕度溫度傳感器測量濕度溫度，震動傳感器判斷震動幅度區間。

（3）代入調查已得數據公式，測定安全距離。

（4）通過超聲波傳感器測定前方障礙物的距離。

（5）比較實際距離與安全距離，若距離小于安全距離七色LED亮燈并蜂鳴器發聲，LCD文字提示“Warning！”。

3.2.4 安全距離評估

通過北斗定位系統獲取車速，在程序所建立的模型中，代入最終所得的摩擦因數，計算出以當前速度在最大動力減速時所需要的最大安全距離。模型中保守計算，認定前車速度立即減速為零，并已考慮駕駛員反應時間。通過超聲波測距，比較此時與前車距離是否小于安全距離，若并未達到安全距離，系統自動警告，提醒駕駛員控制車距（大于安全距離后報警解除）。由于各車輪胎種類不同，可根據不同車型調整基礎輪胎與路面摩擦因數，改變系統中初始摩擦因數μ0，此系統已做一般化處理。

4.實驗與結果

4.1 3d設計圖片（123D Design軟件設計）

試驗中需要把若干傳感器安裝到位，各模塊由于功能不同，安裝要求也有所不同，通過123D Design設計3D模型，給傳感器量身定做安裝架。

4.2實體圖片

4.3 總體結構

試驗小車上安裝北斗智能主機，以及多個模塊的硬件：左側安裝有按鈕、超聲波傳感器;右側內部安裝三個震動傳感器以及陀螺儀傳感器;外部安裝雨滴傳感器、七色LED以及蜂鳴器;在車輛背部安裝酒精傳感器、火焰傳感器、溫度氣壓傳感器以及煙霧傳感器;頂部安裝LCD顯示屏。對部分靈敏度要求較高的傳感器進行保護處理。

5.項目總結

5.1創新點

（1）本系統利用北斗衛星導航系統對汽車的瞬時速度進行實時測定，并且通過北斗通訊系統將車輛自燃危險情況反映于車主及消防部門，并且標記定位。

（2）本系統使因駕駛員駕車意識薄弱的問題而導致發生交通事故的概率降低，減少了路面環境不確定因素對于行車安全的影響，提升了行駛過程中的安全系數。在路況極差的陌生路段，解決了駕駛員不適應路面的情況，幫助駕駛員在陌生環境下安全行車。

（3）本系統對于駕駛員行車安全規范做出了制約，有利于培養駕駛員的行車安全意識。在公共用車以及貨車上對于駕駛員進行實時監測，避免駕駛員危險駕駛。

5.2總結與展望

在現代生活中，行車交通安全已經成為人們不可忽視的問題。本項目基于北斗主機和衛星導航，立足行車常見問題，提高了行車安全系數。以車載系統的形式，幫助和監督駕駛員安全行車以及車輛安全管理。除此之外，自動駕駛早已成為了當今關注度最高的幾項科技之一，基于北斗的安全駕駛系統，也將為自動駕駛注入新活力，從不同方面，提升車輛的智能化程度以及安全系數，助力安全自動駕駛的研發完善。

參考文獻：

[1]《車輛駕駛人員血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗》[S]（GB19522-2010）

[2]《不同路面狀況對路面摩擦系數影響的試驗研究》[J]李長城 劉小明 榮建 北京工業大學 建筑學院 北京100124 交通運輸部公路科學研究院 北京100088 ?1002-0268（2010）12-0027-06