門(mén)檻閾值自匹配的車載呼救系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸 穎，李 彬，張玉辰，季小潔

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 前言

車輛事故自動(dòng)呼救系統(tǒng)（Automatic Crash Notification System，ACNS）[1-3]，能將車輛碰撞事故信息傳送給呼救中心，呼救中心根據(jù)事故信息，采取相應(yīng)措施，前往事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援。因此，ACNS在行車安全中具有重要意義。

傳統(tǒng)的ACNS主要以安全氣囊點(diǎn)火作為信號(hào)源，即當(dāng)安全氣囊點(diǎn)火時(shí)會(huì)主動(dòng)發(fā)出碰撞求救信息，但是這種ACNS大多用于豪華型車，對(duì)于那些未配有ACNS車型，后期無(wú)法安裝[4]，若想加裝需要對(duì)安全氣囊進(jìn)行改裝，技術(shù)難度較大且安全性低。目前對(duì)車身加速度的采集和處理已經(jīng)不是難題，因此以車身加速度為ACNS的觸發(fā)源成為研究的熱點(diǎn)。

由于ACNS對(duì)碰撞過(guò)于靈敏，很容易發(fā)生誤觸發(fā)[5]。因此研究人員在近幾年的研究中設(shè)置了兩層閾值[6-7]：（1）門(mén)檻閾值（Discrimination Threshold，），用來(lái)區(qū)分緊急制動(dòng)、顛簸路面等干擾并檢測(cè)碰撞事故是否發(fā)生；（2）觸發(fā)閾值（Trigger Threshold），用來(lái)判斷事故的嚴(yán)重性，決定是否觸發(fā)ACNS的對(duì)外呼救功能。

現(xiàn)有研究對(duì)于門(mén)檻閾值的設(shè)定主要是通過(guò)不同路況實(shí)驗(yàn)[8]，文獻(xiàn)[8]考慮了卵石路、搓板路等特殊路面，指出路面干擾的加速度在（5～15）g。文獻(xiàn)[9]通過(guò)考慮緊急制動(dòng)和過(guò)減速坎后設(shè)置門(mén)檻閾值為2g[9]。文獻(xiàn)[10]考慮了110mm 的臺(tái)階后，將門(mén)檻閾值設(shè)為6g[10]。由此可見(jiàn)，由于路面干擾的加速度的范圍很大，傳統(tǒng)的門(mén)檻閾值設(shè)置不能根據(jù)道路交通狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[11]。同時(shí)，門(mén)檻閾值也影響到ACNS傳輸?shù)氖鹿市畔ⅲ绕涫撬俣茸兓啃畔⒌臏?zhǔn)確性，而速度變化量信息在交通事故責(zé)任劃分、乘員傷情評(píng)估中又有著非常重要的作用[12-13]。基于以上分析設(shè)計(jì)一種能夠提高抗干擾性、以加速度信號(hào)觸發(fā)、具有兩層閾值并能根據(jù)路面調(diào)整門(mén)檻閾值的ACNS車載終端。

2 ACNS終端工作原理

ACNS是一個(gè)智能聯(lián)合系統(tǒng)，車輛行駛過(guò)程中，終端實(shí)時(shí)采集并處理加速度信號(hào)，利用觸發(fā)算法判別是否發(fā)生碰撞，若發(fā)生碰撞則立即與通信基站建立連接，并向呼救中心發(fā)送信息。呼救中心根據(jù)發(fā)送的求救信息，采取相應(yīng)措施，前往事故地點(diǎn)進(jìn)行救援。

2.1 門(mén)檻閾值動(dòng)態(tài)匹配方法

門(mén)檻閾值對(duì)ACNS的誤觸發(fā)率有著決定性的影響，其設(shè)置需要考慮車輛路況。國(guó)際道路平整度測(cè)量的重要指標(biāo)為國(guó)際平整度指數(shù)（International Roughness Index，IRI）。研究表明功率譜密度與IRI 有轉(zhuǎn)換關(guān)系，門(mén)檻閾值又與路況有關(guān)[14]，因此可以通過(guò)“車身垂向加速度功率譜密度—IRI”和“IRI—門(mén)檻閾值”的關(guān)聯(lián)關(guān)系將路面狀況和門(mén)檻閾值聯(lián)系在一起。

車身垂向加速度功率譜密度均方根、車速與IRI 的關(guān)聯(lián)模型，其回歸方程如下[15]：

其中，α=(0 .0002365V2+0.0009125V)-0.5，α—速度的修正系數(shù)；μ—車身垂向加速度功率譜密度均方根；V—車速。IRI、車速與門(mén)檻閾值的關(guān)聯(lián)模型是將門(mén)檻閾值作為因變量，國(guó)際平整度指數(shù)值和車速作為自變量，建立三者之間的回歸方程，最終得到的關(guān)聯(lián)模型為[16]：

式中：DT—門(mén)檻閾值，門(mén)檻閾值與車速和IRI的關(guān)聯(lián)模型之所以是一個(gè)分段函數(shù)，在IRI＜2.433m∕km（通常為GB∕T7031-2005中所規(guī)定的A級(jí)路面時(shí)），門(mén)檻閾值設(shè)為2g已經(jīng)可以保證汽車內(nèi)所安裝的ACNS不會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)的現(xiàn)象［7］。

2.2 觸發(fā)算法和閾值

觸發(fā)閾值決定ACNS能否準(zhǔn)確的判斷出所發(fā)生的碰撞事故的嚴(yán)重程度。根據(jù)歐洲ECE R94法規(guī)的規(guī)定，將ACNS觸發(fā)的臨界車速設(shè)置為30km∕h。觸發(fā)算法不同，觸發(fā)閾值的設(shè)置的指標(biāo)也不同，移動(dòng)窗積分法靈敏度高，抗干擾性好且計(jì)算量相對(duì)小，因此采用移動(dòng)窗積分法作為ACNS的觸發(fā)算法，本算法綜合考慮了安全氣囊（15～24）km∕h的傳感灰度區(qū)間，結(jié)合窗寬的特性，選取8ms為該算法的窗寬［9］，并對(duì)該窗寬進(jìn)行不斷的移動(dòng)積分，得到積分的最大值1.91m∕s，以此作為觸發(fā)閾值。

3 ACNS終端硬件設(shè)計(jì)

3.1 ACNS終端硬件總體設(shè)計(jì)

ACNS終端需要安裝加速度信號(hào)采集模塊，實(shí)時(shí)采集車身加速度信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)碰撞數(shù)據(jù)信息；定位模塊，接收碰撞位置信息；通信模塊，對(duì)外發(fā)送救援信號(hào)和事故信息；信息顯示模塊，顯示事故碰撞信息。

ACNS終端硬件總體框架，如圖1所示。它由一個(gè)微控制器（Micro Control Unit，MCU）和五個(gè)外設(shè)組成，實(shí)線表示線路連接，虛線表示供電。MCU 把收到的加速度信號(hào)和GPS 信息進(jìn)行處理，并把處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在卡中，當(dāng)檢測(cè)到碰撞信號(hào)時(shí)，MCU將輪詢GPS模塊，用來(lái)確定汽車的最終位置。其中，圖1也展示了各個(gè)模塊與MCU連接的接口設(shè)計(jì)。

圖1 ACNS終端總體設(shè)計(jì)Fig.1 ACNS Terminal Integral Design

3.2 微控制器

為滿足ACNS 的需求，選用STM32F103ZET6 單片機(jī)作為ACNS終端的微控制器［17］，以此來(lái)滿足有充足的數(shù)據(jù)通道。該芯片配置十分豐富，帶有外部總線可以用來(lái)外擴(kuò)SRAM和連接LCD等，并且具有低電壓、低功耗和高性能的體系結(jié)構(gòu)。因此該芯片能夠滿足ACNS終端處理信號(hào)等功能架[18]。

3.3 加速度采集模塊設(shè)計(jì)

MPU6050是由InvenSense 推出，該模塊內(nèi)部嵌有三軸加速度傳感器，可輸出三維加速度數(shù)據(jù)[19]。

模塊自己帶有3.3V電壓調(diào)節(jié)芯片為其供電，模塊接口原理圖，如圖2 所示。該模塊通過(guò)IIC 接口與MCU 進(jìn)行通信，引腳IIC_SCL 和IIC_SDA 分別與引腳PB6 和PB7 連接，模塊地址為OX69。

圖2 加速度傳感器接口電路圖Fig.2 Acceleration Sensor Interface Circuit Diagram

3.4 定位模塊設(shè)計(jì)

定位模塊選用GPS+北斗模塊ATK1218-BD，該模塊能夠快速定位車輛位置且定位精度高，外接有源天線，能更好地接收衛(wèi)星信號(hào)，如圖3所示。

圖3 北斗電路圖Fig.3 Beidou Circuit Diagram

模塊通過(guò)1×5 的排針引出GPS_RXD、GPS_TXD、GND、VCC和GPS_PPS，模塊的GPS_TXD 和GPS_RXD 引腳分別與MCU 的USART3_RX和USART3_TX引腳連接并與之通信。該模塊內(nèi)置紅色信號(hào)燈，用來(lái)指示定位是否成功。

3.5 SD卡

SD卡需要存儲(chǔ)采集和處理后的數(shù)據(jù)，因此需要選用大容量的存儲(chǔ)空間，本設(shè)計(jì)采用8G SD卡即可存儲(chǔ)ACNS終端大量數(shù)據(jù)，SD卡為高度集成閃存，數(shù)據(jù)傳輸可靠[20]，如圖4所示。SD卡總線有6根通信線和3根電源線，且SD卡以SDIO模式與MCU通信。

圖4 SD卡接口原理圖Fig.4 Schematic Circuit Diagram of SD Card

3.6 通信模塊

GSM使用高性能工業(yè)級(jí)四頻工作模塊ATK-SIM800C，該模塊功能完善，GSM模塊通電后，將自動(dòng)啟動(dòng)并自動(dòng)搜索網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)嵌入紅色信號(hào)燈以指示模塊狀態(tài)并有一個(gè)SIM 卡插槽，支持標(biāo)準(zhǔn)SIM 卡。SIM800C 原理圖，如圖5 所示。模塊的SIM800_TXD、SIM800_RXD 引腳分別與串口2 的PA3、PA2 連接，使MCU 與模塊進(jìn)行通信，另外為使GSM 模塊更加穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了5V邏輯轉(zhuǎn)換電路。

圖5 SIM800C原理圖Fig.5 Schematic Diagram of SIM800C

3.7 LCD屏

LCD屏需要顯示一些碰撞信息，如果屏幕過(guò)小，將無(wú)法顯示完整信息。如果屏幕過(guò)大，會(huì)加大系統(tǒng)功耗。因此選用2.8英寸的LCD電阻屏。STM32F103ZET6帶有FSMC接口，包含34根信號(hào)線，各個(gè)信號(hào)線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 LCD顯示屏接口圖Fig.6 LCD Display Interface Diagram

4 ACNS終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在RealView MDK（簡(jiǎn)稱MDK）環(huán)境下運(yùn)行。采用庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)方法分別設(shè)計(jì)了ACNS終端各模塊，編寫(xiě)了初始化驅(qū)動(dòng)程序和自動(dòng)呼救觸發(fā)算法[17]。

（1）觸發(fā)算法設(shè)計(jì)。車輛在路面行駛的過(guò)程中不斷的采集車身縱向加速度信號(hào)，當(dāng)采集的加速度峰值超過(guò)動(dòng)態(tài)匹配的門(mén)檻閾值時(shí)，ACNS判定發(fā)生了碰撞，并開(kāi)始移動(dòng)計(jì)算8ms窗寬的積分值，當(dāng)該值大于設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)，否則繼續(xù)計(jì)算與閾值進(jìn)行比較。

（2）加速度數(shù)據(jù)采集和處理任務(wù)。首先完成MPU6050的硬件初始化，然后讀MPU6050的ID判斷模塊是否正常，如果正常繼續(xù)配置模塊的時(shí)鐘，通過(guò)寄存器對(duì)應(yīng)位使加速度傳感器工作，獲取的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)IIC接口讀取。根據(jù)SD卡2.0協(xié)議，設(shè)置SD為查詢模式，進(jìn)行輪詢加速度數(shù)據(jù)，對(duì)SD卡內(nèi)信息進(jìn)行處理。

（3）GPS數(shù)據(jù)接收任務(wù)。當(dāng)識(shí)別到開(kāi)始命令標(biāo)志“$”時(shí)表示開(kāi)始接收信息，如果識(shí)別到幀結(jié)束標(biāo)志“（CR）（LF）”則表示接收結(jié)束，接收完成后MCU對(duì)幀內(nèi)參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、處理，獲取車輛位置、時(shí)間等信息。

（4）GSM 任務(wù)。求救信息通過(guò)GSM 模塊進(jìn)行傳輸，GSM 模塊由TA發(fā)送AT指令進(jìn)行控制將求救信息發(fā)送到救援中心。

（5）LCD顯示任務(wù)首先對(duì)LCD屏進(jìn)行硬件初始化，然后設(shè)置字符的坐標(biāo)、字高度寬度及字體的大小等顯示模式，最后在屏幕上顯示時(shí)間、速度等信息。ACNS總體程序流程，如圖7所示。

圖7 ACNS總體程序流程Fig.7 General Program Process of ACNS

5 試驗(yàn)與分析

5.1 道路實(shí)車試驗(yàn)

選用某種車型，如圖8所示。進(jìn)行道路實(shí)車試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證終端能否準(zhǔn)確采集加速度并動(dòng)態(tài)匹配門(mén)檻閾值的功能。為了檢測(cè)終端的準(zhǔn)確性與可靠性，如圖9 所示。建立一套集成高精度采集系，如圖10 所示。該采集系統(tǒng)與ACNS 終端同時(shí)采集加速度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中選取一條道路平坦的路面，如圖11所示。

圖8 試驗(yàn)車輛Fig.8 Test Vehicle

圖9 ACNS終端Fig.9 ACNS Terminal

圖10 高精度采集系統(tǒng)Fig.10 High Precision Acquisition System

圖11 平坦路面Fig.11 Flat Asphalt Pavement

一條多處深度凹陷的水泥顛簸路面，如圖12所示。進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并讓車輛保持直線穩(wěn)定車速行駛。在平坦路面和多處深度凹陷的水泥顛簸路面的采集系統(tǒng)和ACNS終端采集的數(shù)據(jù)對(duì)比圖，如圖13、圖14所示。

圖12 多處凹陷水泥顛簸路面Fig.12 A Cement Bumpy Road with Many Dents

圖13 平坦路面加速度數(shù)據(jù)比（50km∕h）Fig.13 Acceleration Data Ratio on Flat Road Surface（50km∕h）

圖14 多處凹陷水泥路面加速度數(shù)據(jù)對(duì)比（40km∕h）Fig.14 Comparison of Acceleration Data of Cement Pavement with Multiple Depressions（40km∕h）

測(cè)試結(jié)果表明，ACNS 終端采集的加速度信號(hào)與高精度采集系統(tǒng)采集的加速度信號(hào)在不同路況的兩條道路上具有較高的重合度。

為保證終端能有足夠多的數(shù)據(jù)分析路面狀況，設(shè)置ACNS每隔一段時(shí)間分析功率譜密度并動(dòng)態(tài)匹配一次門(mén)檻閾值。試驗(yàn)路段得到的門(mén)檻閾值（DT）動(dòng)態(tài)匹配情況，如表1所示。

表1 門(mén)檻閾值動(dòng)態(tài)匹配表Tab.1 Discriminatton Threshold Dynamic Matching

從表中可以看出平坦路面屬于GB∕T7031-2005中所規(guī)定的A級(jí)路面；顛簸路面屬于C級(jí)路面，說(shuō)明本試驗(yàn)的路面選擇具有一定的代表性；匹配的門(mén)檻閾值與門(mén)檻閾值動(dòng)態(tài)匹配模型一致。因此ACNS終端能夠根據(jù)路面狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)地匹配。

5.2 觸發(fā)測(cè)試試驗(yàn)

在測(cè)試過(guò)程中，預(yù)先將20km∕h和50km∕h臺(tái)車碰撞測(cè)試采集的加速度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，通過(guò)終端讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證ACNS觸發(fā)的準(zhǔn)確性，并顯示在液晶屏上。ACNS在讀取20km∕h碰撞數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)未觸發(fā)，LCD屏幕顯示的碰撞信息，如圖15所示。讀取50km∕h下的加速度碰撞數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)并發(fā)送信息，發(fā)送的信息和LCD顯示的完全一致，如圖16所示。因此，ACNS準(zhǔn)確地完成了觸發(fā)試驗(yàn)，驗(yàn)證了ACNS觸發(fā)的準(zhǔn)確性。

圖15 20km∕h的碰撞信息Fig.15 Collision Information at 20km∕h

圖16 50km∕h的碰撞信息Fig.16 Collision Information at 50km∕h

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)了根據(jù)路面狀況對(duì)門(mén)檻閾值的動(dòng)態(tài)匹配，提高ACNS終端的抗干擾性。基于STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板對(duì)ACNS終端進(jìn)行設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了終端采集的加速度數(shù)據(jù)、門(mén)檻閾值根據(jù)不同路面狀況動(dòng)態(tài)匹配的準(zhǔn)確性和ACNS觸發(fā)的可靠性。因此，終端可以使車輛在碰撞后自動(dòng)發(fā)出求救信號(hào)，對(duì)提高乘員的存活率，挽救乘員生命具有重要的實(shí)用價(jià)值。