一種大型車輛智能輔助駕駛車載終端設計

郭征凱，曹斌芳,，肖 勤，陳元惠

（1.湖南文理學院芙蓉學院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學院，湖南 常德 415000）

0 引 言

近年來，我國生產建設發展迅速，大型車輛保有量逐年上升。有關數據分析，公路交通事故主要集中在小型客車和大型貨車中，事故發生的同時帶來的破壞力極強。大型車輛發生事故的誘因主要有：超載、疲勞駕駛、超速駕駛、視覺盲區有行人和車輛出現、車輛故障處理不及時等。本文提出了一種解決大型車輛及其駕駛員在行駛過程中存在安全隱患的系統設計：通過多傳感器網絡的搭建進行環境感知，通過相關軟件讀取網絡采集的數據，由系統處理后進行相應干預動作；從事故成因出發，有針對性的預防、遏制交通事故發生。

1 系統工作原理

本系統以嵌入式Linux平臺進行相應功能開發，系統主控模塊采用三星JZ2440芯片；整套系統由車況實時監測網絡、安全預警網絡組成，可實現智能化車輛行駛安全監測、駕駛員身體情況監測、駕駛室環境監測、車外風險實時預警（盲區監控預警、行人臨近預警）等功能；基于上述安全防護功能，為大型車輛行駛安全提供更全面的防護與更智能的車載設備終端以及安全網絡。

車載系統由主控制部分（JZ2440）、車載傳感器監測部分、安全預警部分、智能終端部分組成，各部分間以I2C通信總線進行數據傳輸；車載系統具體實現方案通過軟、硬件子模塊組合，構建安全車載終端功能。系統架構如圖1所示。

圖1 系統模塊架構

2 系統檢測模塊

本方案中的視覺識別模塊硬件采用AIS906嵌入式主板，其板載4核心ARM架構CPU（主頻最高支持1.8 GHz）。此板支持單目、雙目、3D攝像頭等，對于攝像頭的選型更加靈活，且具備更強的場景針對性，一定程度上消除了利用視覺傳感技術獲取車輛周圍環境兩維或三維圖像信息時易受光照環境影響、三維信息測量精度較低等缺點。

煙霧傳感模塊MQ-2作為消防常用的傳感器模塊，其對于具備高強度運輸任務的大型車輛而言更具應用潛力；駕駛室內，煙霧傳感器將輔助檢查駕駛員行為是否規范（對駕駛室環境進行無煙檢測）；煙霧傳感還可應用在車輛貨艙內，運輸品為易燃易爆物品時，煙霧傳感模塊可作為運輸保障方案與具有其他特征檢測功能的傳感器組合（如氧氣濃度模塊等），實時將貨艙情況傳遞給終端。

雷達監測模塊采用微波傳感模塊AWR1843，AWR1843微波傳感模塊為德州半導體公司出品的集成DSP、MCU和雷達加速器的汽車雷達傳感器芯片，具有高精度以及低功耗等特點，其擁有4個接收通路，3個發送通路，以及基于分數NPLL的超精度啁啾引擎，其TX功率為12 dBm，RX噪音[1]（76～77 GHz）為14 dB，主要用于車輛盲區檢測、變道輔助、停車輔助。

車載雷達分布如圖2所示。

圖2 車載雷達分布

安全檢測模塊包括溫度與氧氣協同模塊、駕駛安全模塊等，為了便于拓展安全功能與協調軟件開發，將其功能抽象為車載終端的綜合安全保障模塊。

溫度與氧氣聯合模塊主要進行駕駛室內環境的檢測，根據傳感器內置的高精度電化學傳感器，將獲取的溫度以及氧氣濃度等模擬信號輸出為數字信號[2]至系統主控制器進行數據分析處理，并對駕駛室隱患采取干預（如駕駛室溫度過高，將發送語音提示駕駛員休整，同時進行一定的反饋調節）。溫度與氧氣協同模塊亦將結合視覺識別模塊，為駕駛室內人員提供保護機制，實時監測室內的氧氣濃度（以19.5%為警戒閾值），針對長期封閉的駕駛室環境（低氧情況）將自動控制通風，防止低氧對車內人員造成傷害[3]。

駕駛安全模塊要求駕駛員上車前進行呼出氣體酒精含量測定（20 mg/100 mL為閾值），模塊檢測到駕駛員酒駕后，通過I2C協議與控制系統核心通信；車載終端將聯系相關監管部門并終止車輛啟動或行駛行為；當駕駛員通過上車前檢測后，駕駛安全模塊轉為調用攝像頭模塊輔助檢測駕駛行為是否規范[4]。

3 預警模塊

預警模塊由駕駛室預警部分和車身四周預警部分組成。

3.1 駕駛室預警部分

本部分主要實現駕駛室內環境與駕駛員狀態的矯正及預警，終端結合OpenMV攝像頭實時監測、判定駕駛員的精神狀態。出現問題則向駕駛員發出提示，將具有安全隱患（提醒無效）車輛的基本信息發送至周圍車輛進行警示[5]。

3.2 車身四周預警部分

此部分主要負責車輛周圍警示，結合24位陀螺儀模塊、導航模塊、雷達檢測模塊反饋的信息，獲取車輛周圍的實時行駛路況信息，在終端進行相應提示。對于路面上影響車輛行駛的安全障礙物，周身預警部分可以為司機提供實時路面信息，輔助選擇合適的行駛路線；對于行駛途中發生的特殊情況，如車輛姿態異常等，車載終端將危險信號通過主控制器接收處理后，除駕駛室發出危險信號進行提醒外，車身四周也將采取激光投影方案警示危險區域。對誤入危險區者，車身聲光預警裝置再次警示[6]。

4 無線通信模塊

車載終端模塊具體設計模型如圖3所示。

圖3 車輛安全網絡

拓展工業級WiFi網絡模塊USR-WiFi232-A2B2（基于工業級無線網絡通信技術進行信息的發送或接收，通信距離達250 m）。車載終端無線連接，將終端傳感器網絡檢測的道路數據通過WiFi傳輸協議發送至附近終端，或者結合收取的其他終端道路數據提示駕駛員，實現道路信息預先加載。此功能將消除本地傳感器網絡存在的局部道路可處理范圍較小等問題，聯合地圖導航，實現以車輛為單個道路信息傳感器的、多車載終端聯合的局域性車載網絡。但本模塊目前也存在網絡傳輸成本過高、不同地形傳輸障礙等技術難點[7]。

5 軟件架構

車載系統總體采用圖4所示架構，軟件工作流程如圖5所示。

圖4 系統軟件架構

圖5 軟件工作流程

各底層驅動（語音驅動、攝像頭驅動等）主要將各硬件模塊進行功能上的抽象封裝，將硬件層與上層應用開發進行隔離，方便車載終端的程序開發。

車載終端核心功能包括駕駛員身體檢測進程、車外環境檢測進程、車內環境檢測進程、警報提示進程和終端顯示進程[8]。

5.1 車內環境檢測進程

該進程主要負責調用安全檢測模塊部分（煙霧、氧氣、溫度等室內模塊驅動）及開啟駕駛員身體檢測進程，以獲得駕駛室內、駕駛員身體狀態等數據；當進程檢測存在異常狀態數據時，喚醒警報進程進行提示，并將數據通過網絡驅動發送至云端管理者求助。

5.2 車外環境檢測進程

通過調用雷達、攝像頭、導航、陀螺儀等底層驅動程序，結合兩者采集的道路數據進行判定處理，輔助終端顯示進程構建實時行車安全地圖。檢測到道路數據存在危險（如有路面落石障礙）后，喚醒警報進程進行提示，并將實時道路信息通過網絡驅動共享至局部車輛安全網絡[9-10]。

5.3 警報提示進程

本進程作為車載終端系統中的重要部分，負責進行各類異常事件的處理以及針對性調用語音驅動等。驅動主要包括語音驅動和激光鐳射模塊驅動。在系統中通過核心處理進程傳遞信息進行動作響應。主要有兩種警示方案：

（1）駕駛室內語音播報加網絡廣播警示危險情況；

（2）車身周圍鐳射示警。

駕駛員存在疲勞駕駛或其他危險行為時，通過視覺算法的顯示畫面自動捕捉相關行為，并進行事件判定；同時，進程將進行下一步動作（調用警示提示進程對駕駛員及其周邊車輛進行提示，必要時可進行制動處理防止造成更大損失）。此外，對于其他數據，如果超過正常閾值時，終端進程將特殊參數發送至警報提示進程，并且調用其進行相關提示。

6 結 語

本車載終端解決方案提出了一種新形的智能化、安全化大型車輛安全運營保障方案，一定程度上具備輔助人類駕駛員規范駕駛行為以及車輛聯合保障安全網絡構建（車輛室內安全監測、車外安全監測、安全網絡聯動監控等）的功能。通過一系列調試運行，本方案運行結果符合預期，能夠預防交通事故的發生，保障駕駛人員的生命安全，具有非常重大的現實意義，應用前景較為廣闊。