基于RFID車車通信的防碰撞預警系統設計

顧昊倫，王軍年，邱鵬鋮，魏夢巖，嚴 云

(吉林大學 汽車工程學院，長春 130025)

近年來，交通事故頻發，汽車碰撞成為最主要的交通事故形式，嚴重威脅著人們的生命和財產安全[1]。車輛防碰撞預警系統等主動安全技術具有重要的研究意義。美國加州大學伯克利分校研究了防撞控制；通用汽車公司研發了“視覺控制雷達”防碰撞系統[2-3]；日本Eaton VORAD公司研制了汽車防撞雷達；豐田汽車公司將視覺系統和毫米波雷達結合，通過視覺圖像處理對車距進行動態監測[4]；韓國Moon等[5]研究了走-停系統，并將主動防撞功能整合到自適應巡航系統；北京泰遠科技有限公司研制的“泰遠”牌汽車防撞器針對障礙物運動和靜止有兩種工作模式；河南超越汽車有限公司的防撞產品將紅外探頭安裝在汽車前端，以檢測前方車輛[6-7]；吉林大學王軍年等[8]利用超聲波雷達檢測車體后方物體運動并對車門進行鎖死控制，采用激光三角測距原理檢測車身兩側障礙物,限制車門開啟角度；南京工程學院滕飛等[9]設計的汽車側門開啟防碰撞預警系統通過超聲波檢測模塊檢測周圍環境，所得環境信號經處理后判斷是否預警；德賽西威公司[10]發明的預警系統通過預設身份識別號(ID)庫，使標簽ID與車輛周邊的事物信息一一對應。停車后，系統采集識別到的信息與ID庫中的標簽ID匹配，并根據標簽的種類發出相應預警。

綜上所述，現有智能駕駛輔助系統的防碰撞預警大多是基于車載視覺和雷達感知技術的單車智能防碰撞預警，市面上的汽車防碰撞系統多采用紅外線、超聲波、雷達等技術手段等進行檢測和預警[11]。車載視覺測距實時性較低且測量精度受限于攝像頭分辨率和視覺信號處理方法；紅外線、超聲波在惡劣天氣時穿透能力較低且灰塵、煙霧籠罩時傳感器性能較差；雷達的目標識別能力較差且成本較高。

目前無線射頻識別(RFID)技術已基本成熟，廣泛應用于各個領域[12]。隨著高速公路過橋費電子不停車收費系統(ETC)的普及，車輛普遍裝有RFID模塊。該無線通信技術具有成本低、普及量大、準確度較高等優點。為此，本文提出基于RFID技術實現車-車通信，且專門針對停車路段容易發生的碰撞事故提供一套可行的預警系統設計方法。

1 總體方案設計

為簡化說明，道路行駛車輛用A車表示，停車路段停放車輛用B車表示。系統工作原理如圖1所示。本系統提出的防碰撞預警系統分別布置于行駛車輛A車和停放車輛B車。安裝在A車的裝置由電源、信息采集模塊(包括前置攝像頭、毫米波雷達、車速傳感器)、預警模塊、RFID模塊、控制器、汽車主動安全系統(包括主動前輪轉向系統(AFS)和自動緊急制動系統(AEB))組成；安裝在B車的裝置由電源、信息采集模塊(包括方向盤轉角傳感器、車速傳感器、車門開啟角度傳感器)、控制器和RFID模塊組成。

圖1 系統工作原理

系統的工作原理為：當A車行駛于停車路段的慢速車道上時，會發出帶有地址的RFID觸發信號，此信號發出后以局域網的形式傳播，即只要處在一定范圍內的停放車輛皆可受到觸發。此時如果停車路段上有停放車輛B車即將起步或存在車門開啟這一動作時，則B車信息采集模塊中的各類傳感器會監測，并將數據信息傳至控制器，到達電子標簽中，再經A車的無線射頻信號激發使B車向A車發出帶有地址且攜帶本車狀態信息的無線射頻信號，A車RFID模塊接收并將其傳至控制器中進行數據處理和安全判定，根據不同的判定結果完成后續的預警和駕駛輔助操作。

2 各硬件模塊設計

2.1 子系統硬件設計

本系統的控制器中采用16位Freescale9S12型單片機，具有速度快、功耗低、性能高的特點，并具有較強的數值運算和邏輯運算能力，可滿足系統所需處理功能。A車子系統硬件組成框圖如圖2 所示。A車控制器與A車的車速傳感器、前置攝像頭、毫米波雷達、語音預警模塊、RFID模塊、AEB、AFS相連，通過處理自身傳感器檢測到的本車車速、距離和視覺信號等狀態信息以及接收到的包含B車狀態信息的RFID信號，進行判定處理，根據判定結果傳遞相應數字信號控制對應模塊或系統完成后續預警或駕駛輔助等操作。B車子系統硬件組成框圖如圖3所示。B車控制器與B車的車速傳感器、方向盤轉角傳感器、車門開啟角度傳感器、RFID模塊相連。在RFID模塊接收A車帶有地址的RFID觸發信號后，B車信息采集模塊中的各類傳感器會監測車速、轉角數據信息和車門開啟狀況，將數據信息傳至控制器，并存入電子標簽中，經RFID模塊發射攜帶本車狀態信息的RFID信號。

圖2 A車子系統硬件組成框圖

圖3 B車子系統硬件組成框圖

2.2 RFID模塊設計

RFID模塊電氣組成框圖如圖4所示，RFID模塊主要由電子標簽、讀寫器和天線組成。由于該系統的工作環境為停車路段和慢速車道，信息的傳遞量較大(包含車身部分設計參數、車速和車輪轉角等運動狀態信息)，依據《機動車電子標識讀寫設備通用規范》(GB/T 35786—2017)[13]，擬采用BRT-02型電子標簽，該標簽優點為通信距離遠、讀寫靈敏度高、物理特性良好，芯片內存和讀寫靈敏度符合國家標準，能夠存儲較大數量的數據信息，適用于此工作環境；讀寫器則采用CNIST CN-9800超高頻(UHF)遠距離讀寫器，其讀寫頻率、讀寫靈敏度、存儲容量符合國家標準，同時，其靜態識讀距離可達20 m，明顯優于國家標準所規定的最低靜態識讀距離12 m。當電子標簽進入讀寫器的信號范圍并接收無線射頻信號后，憑借感應電流所獲得的能量發送存儲的數據信息，讀寫器讀取信息解碼后，送至中央處理模塊進行數據處理。

圖4 RFID模塊電氣組成框圖

2.3 預警模塊設計及預警時序確定

預警模塊主要包括警示燈和揚聲器。在控制器處理好數據后，與已知的安全范圍進行比較，若超出安全范圍則觸發揚聲器，發出語音預警或閃爍警示燈。語音模塊可采用N588D作為語音芯片，N588D系列語音單片機具有功能多、音質好、應用范圍廣、性能穩定等特點，彌補了以往各類語音芯片應用領域狹小的缺陷。預警時序包括預警信號收發、觸發預警和預警響應3個過程。在預警信號收發過程中，A車首先借助自身配備的前置攝像頭捕捉路況畫面，然后將畫面信息傳送至自身控制器進行處理，若處理結果顯示檢測到前方停車路段存在停放車輛B車，且此時A車正行駛于慢速車道，則觸發自身的RFID模塊，發出帶有地址的RFID觸發信號，B車電子標簽經此信號激發后隨即發出攜帶自身數據信息且同樣帶有地址的RFID反饋信號，即預警信號，而后被A車接收。接下來為觸發預警過程，A車控制器將所獲B車的運動狀態數據信息和自身狀態數據信息進行數據處理，若數據處理結果符合判據，則會觸發預警。預警響應為儀表盤中碰撞預警燈閃爍提醒駕駛員已行至路邊有停車路段，并且控制語音揚聲器播放語音，提示駕駛員留意路邊停放車輛，小心駕駛。

3 系統控制軟件設計

3.1 系統軟件功能

系統軟件的功能需求按工作場景分為停車路段停放車輛起步和車門開啟兩種情況。

停車路段停放車輛起步防碰撞預警系統工作場景如圖5所示。該工作場景為停放車輛突然起步并線入道的突發場景情況，A車行駛于慢車道，B車停在停車路段。A車的毫米波雷達測得其前保險杠距離B車后保險杠的縱向距離為SL，橫向距離為SS；A車的車速VA由A車的車速傳感器測得；B車的瞬時速度VB由B車的車速傳感器測得；B車車輪的轉角δB經方向盤轉角傳感器獲得后再通過式(1)計算可得；A車的車寬為WA，B車的車寬為WB，軸距為LB。

圖5 停車路段停放車輛起步防碰撞預警系統工作場景

(1)

式中，θB為B車的方向盤轉角，°；iS是方向盤轉角與車輪轉角的傳動比。

運用上述已知數據建立預警機制模型。在安全情況下，應滿足在兩車運動到軌跡相互重合的臨界位置時，B車橫向位移SmoveB小于兩車的橫向距離SS，即SmoveB

(2)

在本場景中，判據應為:SmoveB

停車路段停放車輛車門開啟防碰撞預警系統工作場景如圖6所示。該工作場景為停放車輛突然有車門開啟動作，此時，A車行駛于慢車道，停車路段B車正在開啟車門。

圖6 停車路段停放車輛車門開啟防碰撞預警系統工作場景

A車的毫米波雷達測得其與B車的橫向距離SS；B車的前、后門開啟角度傳感器測得前門開啟角度為θdf，后門開啟角度為θdr。

運用上述已知數據建立預警機制模型。在安全情況下，應滿足兩車的橫向距離大于B車車門開啟后占據橫向的最大長度Sopen，其中Sopen可通過將WA、WB、LB、θdf、θdr和SL0代入式(3)得出前門和后門的Sopenf和Sopenr，此時判據應為：SS>max{Sopenf,Sopenr}。

(3)

式中，kd為車門寬度計算系數，由于汽車的車門一般與汽車軸距存在線性關系，且前后車門存在差異，kd取2.5～3.0，本場景取2.5；θd為車門開啟角度，°，分為前門開啟角度θdf和后門開啟角度θdr，車門開啟角度一般為45°～90°，代入式(3)可分別得到Sopenf和Sopenr。

若處理結果符合判據，則觸發后續語音預警過程；反之，A車底盤域控制器控制AEB和AFS，根據感知的環境狀況，協調決策完成自動緊急剎車或自動緊急避障變線的車輛運動，以避讓B車起步上道或車門開啟導致的碰撞危險。

3.2 控制軟件流程

防碰撞控制軟件流程如圖7所示。防碰撞控制軟件操作步驟：

圖7 防碰撞控制軟件流程

(1) A車通過自身配備的硬件設施讀取得到B車發送的狀態信息。

(2) A車獲得自身的相關狀態信息以及與B車的實時距離信息。

(3) A車通過確定獲得的信息里有無B車前輪轉角信息從而判斷屬于哪種工作情況，若檢測到有前輪轉角信息則說明是停放車輛起步預警工況，若無，則說明是停放車輛車門開啟預警工況。

(4) 根據不同的工況運用不同的安全判據。

(5) 根據安全判定結果進行后續的語音預警或駕駛輔助操作。

4 試驗驗證

采用模型車，搭建相關試驗場景完成驗證。由于本實驗未采用實車，模型車包括車速傳感器、毫米波雷達、前置攝像頭、預警模塊、RFID模塊、車輪轉角傳感器和控制器，未包括AEB、AFS和車門開啟角度傳感器以外的其他硬件設備。其中，預警模塊包括警示燈和蜂鳴器。車速傳感器用于采集兩車的車速信息；毫米波雷達用于采集模型車A與模型車B的距離信息；前置攝像頭用于捕捉路面信息；預警模塊中的警示燈和揚聲器用于顯示預警效果；RFID模塊用于兩輛車之間的通信；車輪轉角傳感器用于獲得車輪轉角信息；控制器用于進行數據處理。通過上述硬件設備能夠滿足本實驗的驗證要求。

試驗場景如圖8所示。初始狀態下，模型車A和模型車B分別靜止在慢車道和停車路段上。預警場景如圖9所示。試驗開始后，模擬停放車輛起步上道，兩車在運動過程中通過自身的硬件設備獲得實時運動狀態信息，并通過RFID模塊完成信息傳遞，其中模型車A的車速快于模型車B。經控制器處理數據顯示本次實驗場景下并不滿足安全判據：SmoveB

圖8 試驗場景

圖9 預警場景

5 結論

為解決路邊側方位停放車輛起步或車門開啟與道路行駛車輛發生碰撞的問題，采用較為成熟且成本合理的RFID技術進行車間信息傳遞，設計了基于RFID車-車通信的防碰撞預警系統軟硬件方案。通過搭建模型及其場景，驗證了該系統能夠有效避免狹窄城市道路路邊停放車輛突然駛入車道或開啟車門造成的事故，相比現有技術，在一定程度上解決了城市道路停放車輛的通行效率和安全問題，且系統結構簡單、成本較低，具有實用價值。后續將進行更深入的實車試驗，更加全面系統地驗證該系統的預警效果。