基于北斗導航的夜間行車安全系統

闞亦西，林佳宏，樊昊鵬，杜 鈞

（成都理工大學 地球科學學院，四川 成都610059）

隨著大數據時代的到來和數字地球概念的提出，智能交通領域也有了快速發展，智慧交通是在智能交通的基礎上，在交通領域充分利用互聯網、自動控制等技術，通過高新技術匯集交通信息，對交通管理、交通運輸等方面進行管控支撐，為公眾出行提供服務。

然而在現實生活中交通事故形式多樣，車輛與駕駛員自身都可能會面臨危險，尤其在夜間，由于道路環境光線不足，易發生較大的交通事故[1]。目前，針對夜間行車的研究相對較少且應用范圍不廣，且主要是針對大型車輛[2]。市場上較多的安全預警系統有行車防碰撞系統、車道保持系統、ACC自適應巡航系統、防疲勞駕駛預警系統、超車預警系統等，種類繁多，安全性能好，然而在價格上較為昂貴，一般配置在較高價位的車輛上。很多低價位車輛甚至貨車沒有安裝安全預警系統。在此背景下，設計一個簡易、低價位、可靠的安全預警系統很有必要。同時，針對于夜間行車的安全預警在系統市場上也比較少，這方面是值得研究開發的。這正是本課題研究的目的所在。

針對此類情況，本系統利用一些物理裝飾后結合紅外線熱成像技術對夜間照明條件進行改善，利用北斗導航功能預測通過彎道的臨界速度，并在車輛到達彎道之前使其速度降低到安全速度以下，同時將實時的車身側傾角與臨界側傾角進行比較，及時調整車輛運動狀態，降低彎道發生側翻的概率。如若在不可抗力因素下，車輛仍不幸發生側翻，利用北斗系統的短報文功能，將求救信息發送至臨近救援平臺，平臺通過相應算法得到最短路徑并傳送至求救人，使事故得到最快處理以保證駕駛員的生命和財產安全。

1 原理和方法

1.1 夜間行車防側翻系統

夜間防側翻系統由4個模塊構成，分別是監測模塊、北斗模塊、控制模塊和傳感器模塊。系統結構如圖1所示。

圖1 夜間安全系統示意圖

傳感器模塊由雷達、紅外傳感器、三軸加速度傳感器等組成，該模塊負責監測車輛行駛的實時相關信息并將這些信息傳輸給監測模塊。

監測模塊負責將傳感器模塊采集到的各種信息進行整合并按其中指定的模型程序計算實時的車輛行駛數據，如實時傾角、加速度等，并將這些實時數據與設定的閾值進行比較，如若超出閾值，則將信號傳至控制模塊。

控制模塊采用51單片機，整合應用電路。該模塊依據所接收的信號，調整車輛運動狀態。與此同時，北斗模塊將定位及車輛信息發送到監測平臺，供監測平臺進行道路信息統計和反饋。

如若在緊急情況下發生側翻，實時傾角與側傾角閾值差值過大，應急求救功能啟動，其可以立即利用北斗模塊的短報文功能將定位信息、車輛信息及通過算法得出的最短路徑發送至臨近交警部門，處理人員即刻開始行動，縮短處理時間。

為了達到獲得車輛夜間行駛的實時數據，需要多種裝置獲取和傳遞實時信息，需使用的裝置和需獲取的目標信息如表1所示。

表1 系統所需裝置圖

1.2 夜間行車感知功能

在黑暗的道路環境下，駕駛員自身的視力有限，為保證獲取到較遠路況信息以提醒駕駛員注意防范道路附近車輛，本系統以熱成像技術為基礎做出了解決方案。

利用紅外傳感器感知車輛附近不同物體的熱量散發情況，收集并區分溫度不同的物體，并將其轉化為可視圖像呈現在車內儀表盤中央的顯示屏以供駕駛員進行參考。在直線路段行駛時，對向來車與本車達到設定距離閾值時，系統自動開啟近光燈而關閉遠光燈；若對向來車因疏忽而開啟遠光燈造成本車駕駛員眩暈，系統自動啟動防眩裝置，駕駛員可以通過顯示屏觀察對向車輛的位置和此處路況信息并采取相應措施安全地完成夜間會車[3]。在轉彎和上下坡路段同樣如此。夜間會車系統結構如圖2所示。

圖2 夜間會車系統

1.3 夜間盲區測距功能

由于光照不充足和車輛盲區的存在，車輛在夜間行駛時很容易與其他物體發生碰撞和摩擦導致損壞，基于此問題，本系統通過超聲波測距技術提示駕駛員注意操作，以減小車輛在夜間行駛的安全風險[4]。

該設計主要對大貨車盲區進行監測，能有效避免車輛進行轉彎等操作時對盲區內的車輛和人員造成危害[5]。系統核心為測距和報警，該系統主要由四個部分構成，分別為單片機控制模塊、超聲波測距模塊、蜂鳴器報警模塊以及顯示模塊。在車輛啟動時開始運行，車輛熄火時系統停止運作。由超聲波傳感器發射超聲波，超聲波發射探頭將電壓轉化的超聲波發射出去，同時啟動位于單片機內部的計時器開始計時，當接收超聲波時，與發射探頭位于同一側的超聲波接收探頭將超聲波轉化的電壓回送到單片機控制芯片，計時器停止計時并通過程序開始計算距離D。計算原理為D=1/2ct。c為超聲波的傳播速度；1/2t為超聲波從發射到接收所需時間的一半，也就是單程傳播時間。然后通過距離D判斷是否需要啟動蜂鳴器進行報警提示。

1.4 北斗防側翻功能

車輛在道路上發生側翻主要原因包括彎道行駛速度過快[6]和車輛整體傾斜導致重心不穩，該功能針對兩種情況進行監測，在行駛過程中提前做出處理。

對側翻做出預防的主要措施為限制速度和調整車輛側傾狀態。在車輛行駛過程中開啟北斗導航，在距前方彎道還有100米時，獲取彎道信息傳輸到監測模塊，通過該模塊中的程序計算出通過彎道的臨界速度，將該臨界速度通過語音報告提醒駕駛員減速；如若在距離彎道50米時車輛速度還沒有減至臨界值，則控制模塊自動強制車輛減速，防止車輛因速度過快造成事故。

對車輛狀態的調整則是在三向加速度傳感器獲取的數據上進行處理，通過側傾角函數求出車輛側翻的臨界側傾角即閾值來判斷車輛的狀態[7]。車輛的實時側傾角度由兩步完成：在北斗導航上判斷路面不平度（據機械振動道路路面譜測量數據報告）后，再通過傳感器獲取相應的側向加速度、車輪轉角等數據，在控制模塊結合路面情況得出車輛實時側傾角度。如若車輛實時傾角小于閾值，不必采取措施；如若車輛實時傾角大于閾值，則采取措施如升降空氣懸架等使車輛調整到平穩狀態，同時車輛警示燈開啟，語音提示在本車附近的同向及對向車輛注意與本車保持適當距離，以免造成嚴重事故。

與此同時，北斗模塊將位置信息發送至地面監測平臺，供平臺統計分析發生風險的概率，將結果計入道路數據庫，并及時反饋給其他地面用戶以提醒用戶注意防范該路段的行駛風險。防側翻功能如圖3所示。

圖3 防側翻功能示意圖

1.5 北斗預警、報警功能

從眾多交通事故的發生原因可以看出，盡管其中許多都歸咎于人為因素，例如駕駛速度沒有控制、駕駛員疲勞駕駛、車輛超重或車輛未定期維修導致制動器等機器出現問題，但是其中的客觀原因則是駕駛員對于危險事故的到來沒有及時地察覺。因此，需要預警系統、報警裝置的干預，讓駕駛員及時獲取信息，避免事故的發生。

系統根據車輛參數、行駛速度、道路參數和環境條件等因素進而判斷車路耦合安全度。在車輛行駛過程中，經過計算數據預測制動器升溫后不會超過制動器工作安全極限溫度，若接近或超過時制動器可能會失效，致使汽車行駛過程中存在不安全因素導致事故發生，則預警系統將會向駕駛員進行報警，提示駕駛員做出相應的改變措施，如降低車速、暫時停止車輛向前行駛等。

對駕駛員進行報警則是預警系統在通過對車輛當前運行狀態的采集并提取路段信息后，根據車輛參數等計算出安全值，系統則判斷該安全值是否在規定范圍內，在不同程度上給予駕駛員不同的預警信號，甚至是系統緊急報警并自動控制車輛運行以確保駕駛員以及車輛的安全。系統預警及報警原理如圖4所示。

圖4 北斗預警、報警原理圖

1.6 北斗短報文求救功能

基于多數事故現場的觀察，許多駕駛員會出現在發生車禍事故后導致自身受傷無法向周邊救援平臺或周邊人員呼救的情況。對于該情況，可利用北斗短報文求救功能向周邊救援平臺發出求救信息，及時向事故現場伸出援助之手，救助事故人員[8]。

系統可以利用單片機、感應器，對車輛受損、事故嚴重情況進行處理。當車輛發生翻車、側翻等嚴重事故時，相關感應器感應到后實時向處理器發出信號，通過處理器、北斗等系統，以短報文的形式向附近的救援平臺發出求救信號，及時救助駕駛員生命。北斗短報文求流程如圖5所示。

圖5 北斗短報文求救流程圖

2 應用與展望

2.1 應用

基于信息時代，科技高速發展，越來越多的駕駛人員習慣開車利用導航，故將本系統與導航系統相結合無疑是錦上添花[8]。打開軟件，進入系統，駕駛者根據自己在夜間的駕駛情況，可選擇開啟夜間模式，配合導航系統的語音工具，及時通報周圍的道路情況及需要注意的事項，如有特殊情況，可一鍵求救，爭取黃金救援時間。

本成果在解決車輛夜間行駛安全問題上具有可行性。對于車輛本身而言，本成果在車輛行駛過程中對車輛起到了監測和保護作用。夜間盲區監測功能有效地解決了車輛在駕駛員不清楚盲區路況的情況下與道路路障碰撞的問題。防側翻功能使車輛在彎道及其他路況條件下能夠保持車輛的穩態而減小側翻風險，降低事故發生率。對于駕駛員而言，本成果在一定程度上能幫助本車駕駛員提前預知潛在危險并采取措施來修正車輛，極端情況下可以幫助駕駛員快速求救，減少被困時間；對于地面監測平臺而言，本成果采集到信息路段側翻風險信息后，監測平臺根據統計結果可以提煉出有效信息，不僅可以將其結果反饋給其他地面終端用戶，還可以為處理人提出道路修正措施提供理論依據。

現階段無人駕駛技術正處于蓬勃發展時期，本成果中包含了關于強制控制車輛行駛狀態的功能，這也為實現無人駕駛技術的安全性提供了支持。

2.2 不足

然而，本系統設計仍有不足之處。該系統對于酒駕等駕駛員個人問題無法解決，即使有提示、警示，也不一定能阻止駕駛員的駕駛以及保護駕駛員的駕駛安全；在山區非水泥路段，路面濕滑情況不同，對路面不平等級的評估精確度有影響；若大貨車裝載的是液體，車輛重心在不同路段變化大，對于側傾角度的計算存在影響。

3 結束語

本研究結合北斗衛星導航系統，改進了車輛行駛時自身狀態的判定和修正方案，使車輛在夜間行駛時也能隨時保證平穩狀態，并隨時提醒本車駕駛員前方路段情況和風險評估結果。對臨近車輛有安全保護作用，提前預防潛在危險。同時反饋的行駛數據也能幫助相關人員找出道路潛在風險并及時采取措施，并且發生事故后駕駛員能夠及時報警，獲得黃金救援時間，能夠挽救生命財產等損失，所獲取的交通信息也有利于豐富我國道路交通安全信息庫。