仇建華，王建勇

（1.西安航空學(xué)院 車輛與醫(yī)電工程系 陜西 西安 710077；2.上海通用東岳汽車有限責(zé)任公司 山東 煙臺(tái) 264000）

近年來(lái)，我國(guó)高速公路現(xiàn)正以高速發(fā)展，高速公路運(yùn)輸以其方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)生活中發(fā)揮著重要的作用，然而，高速公路運(yùn)輸在帶來(lái)高效、快捷、方便的同時(shí)，也給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p害[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去幾年中，我國(guó)高速公路交通事故百公里發(fā)生率約為普通公路的4倍，且重大、惡性交通事故時(shí)有發(fā)生，汽車追尾事故約占我國(guó)高速公路交通事故的 1/3左右，已成為近幾年我國(guó)高速公路交通事故的主要形式之一[2]。對(duì)高速公路汽車追尾事故形成原因的分析表明，事故的產(chǎn)生原因主要為行駛車輛間的間距小于安全距離[3]。

為了從根本上解決上述公路客運(yùn)車輛運(yùn)行中存在的安全隱患問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP的車載測(cè)距安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用DSP高速數(shù)字圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)判別、警示客運(yùn)車輛駕駛員跟車距離過(guò)近、容易導(dǎo)致追尾碰撞事故的危險(xiǎn)性駕駛行為。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

基于DSP的車載測(cè)距安全預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。它主要由激光雷達(dá)傳感器、TLC5510數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊、TMS320DM643數(shù)字信號(hào)處理 DSP、MC9S12XS128單片機(jī)、LCD液晶顯示器、聲光預(yù)警模塊等組成。數(shù)據(jù)信息采集處理系統(tǒng)采用基于TMS320DM643內(nèi)核的北京合眾達(dá)公司生產(chǎn)的SEED-DEC643高速數(shù)字信號(hào)處理DSP，同時(shí)為了節(jié)省DSP的內(nèi)部資源，采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XS128單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛狀態(tài)參數(shù)的采集及聲光警示[2]。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The figure of the hardware structure

系統(tǒng)的工作原理：在汽車啟動(dòng)以后系統(tǒng)開始上電工作，從Flash加載程序并進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要完成芯片初始化、外圍硬件配置等工作，為數(shù)據(jù)信號(hào)輸入及處理做好準(zhǔn)備。初始化工作完成后，激光雷達(dá)實(shí)時(shí)測(cè)量行駛車輛間距，經(jīng)過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，存在信息處理芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)；與此同時(shí)，測(cè)速傳感器模塊將車速信號(hào)記錄下來(lái)，通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量，輸入到信息處理芯片，經(jīng)過(guò)特定算法計(jì)算實(shí)時(shí)得到的汽車運(yùn)行安全車距。某一時(shí)刻，當(dāng)一場(chǎng)道路環(huán)境信息采集完后，CPLD發(fā)出中斷喚醒信號(hào)通知DSP，DSP收到中斷后；將SRAM里的數(shù)據(jù)從片外讀入其片內(nèi)數(shù)據(jù)空間，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出該時(shí)刻的跟馳車距并與事先設(shè)定的安全車距進(jìn)行比較。如果跟馳車距小于安全值，則發(fā)出命令由語(yǔ)音系統(tǒng)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)，同時(shí)顯示行駛車輛間距，提醒駕駛員注意控制車速，保持安全車距，如果跟馳車距大于安全值，則繼續(xù)讀入下一輪檢測(cè)重新計(jì)算。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光雷達(dá)傳感器

激光雷達(dá)傳感器用來(lái)采集車輛前方的道路環(huán)境信息，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，為了滿足系統(tǒng)工作可靠性的需求，激光雷達(dá)傳感器選用型號(hào)HDL-64E S2的高精度激光雷達(dá)傳感器，使用了64束激光光束、905 nm波長(zhǎng)、可以實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)、角分辨率高達(dá) 0.09°、180 M point/s的數(shù)據(jù)采集，50～120 m采集距離。它安裝在客運(yùn)車輛前部牌照上方位置，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行脈沖或編碼調(diào)制，利用激光鏡頭使脈沖狀的紅外激光束向前方照射，由光學(xué)天線發(fā)射的激光束遇到前面的障礙物或車輛后，產(chǎn)生向后散射信號(hào)，被光學(xué)天線接收，通過(guò)受光裝置檢測(cè)其距離[4]。

如圖2所示為激光雷達(dá)傳感器的搜索工作模式，根據(jù)中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例第八十條規(guī)定的內(nèi)容，機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛；車速超過(guò)100 km/h時(shí)，應(yīng)當(dāng)與同車道前車保持100 m以上的距離，車速低于100 km/h時(shí)，與同車道前車距離可以適當(dāng)縮短，但最小距離不得少于50 m。依據(jù)上述要求并結(jié)合客運(yùn)車輛的實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)置中央激光束的檢測(cè)距離為100 m，這樣就能夠及時(shí)的檢測(cè)出的前方運(yùn)動(dòng)車輛，適時(shí)辨識(shí)危險(xiǎn)狀態(tài)并發(fā)出警報(bào)[5]。

2.2 數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊采用高速的A/D轉(zhuǎn)換器，其型號(hào)為TLC5510，其采用CMOS工藝制造，8位、20 MSPS模擬量變數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器 （ADC），它采用半閃速結(jié)構(gòu) （semi-flash architecture）。單5 V工作電源且功耗只有100 mW（典型值）的功率。內(nèi)含采樣和保持電路，具有高阻抗方式的并行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電阻。

2.3 數(shù)據(jù)信號(hào)處理系統(tǒng)

圖2 激光雷達(dá)傳感器的搜索工作模式Fig.2 The search work mode of laser radar sensor

SEED-DEC643是以高性能的32 bit定點(diǎn)DSP（TMS320DM643）為主控芯片的DSP系統(tǒng)，主頻高達(dá)600 MHz，處理性能可達(dá) 4800MIPS，SDSRAM：4M×64 位，F(xiàn)lash：4M×8位，完全滿足運(yùn)算的需求。芯片上集成了一個(gè)多通道音頻串行接口（McASP）外設(shè)，具有8根串行數(shù)據(jù)線，由軟件配置輸入和輸出，具有很強(qiáng)的可編程能力，可以配置為多種同步串口標(biāo)準(zhǔn)，可以和音頻ADC、DAC，Codec，數(shù)字音頻接口接收器DIR和S/PDIF傳輸物理層器件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，直接與各種器件高速接口。2個(gè)RS232/RS422/RS485異步串行通信接口，這兩個(gè)串口之間可以通過(guò)編程進(jìn)行相互切換；RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘能夠?yàn)閿?shù)據(jù)的采集與處理提供時(shí)間信息；8個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入及輸出接口，可以輕松實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的控制或環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制[6]。

2.4 車輛行駛狀態(tài)參數(shù)的采集與處理系統(tǒng)

霍爾式車速傳感器的信號(hào)為脈沖信號(hào)，客運(yùn)車輛工作狀況異常復(fù)雜，車速信號(hào)在采集和傳輸過(guò)程中極易受到環(huán)境的影響，因此本文采用光電隔離電路進(jìn)行濾波處理，處理后的高低電平車速信號(hào)再經(jīng)過(guò)電壓比較器LM311整形，整理為標(biāo)準(zhǔn)的脈沖矩形波形，抑制噪聲干擾，車速信號(hào)采集處理電路如圖3所示。

圖3 車速信號(hào)采集處理電路Fig.3 The circuit of speed signal collection and processing

MC9S12XS128的PA0口接受處理后的車速脈沖信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算出車速數(shù)據(jù)。MC9S12XS128中的計(jì)數(shù)器每隔一個(gè)采樣周期記錄傳感器信號(hào)的脈沖數(shù)，車速計(jì)算公式為：

式中，N位計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)；l為車輪的周長(zhǎng)；p為從動(dòng)輪每轉(zhuǎn)一圈傳感器輸出的脈沖數(shù)；T為采樣周期[7]。

2.5 聲光預(yù)警系統(tǒng)

聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖7所示，通過(guò)MC9S12XS128的PB0、PB1、PB2口分別控制紅、黃、綠 3個(gè)發(fā)光二極管，利用PP0口輸出PWM方波，調(diào)整占空比來(lái)控制蜂鳴器的報(bào)警聲音。系統(tǒng)采用分級(jí)式報(bào)警策略，即若兩車處于相對(duì)安全狀態(tài)，綠色發(fā)光二極管亮，系統(tǒng)不報(bào)警；若兩車處于相對(duì)危險(xiǎn)狀態(tài)，黃色發(fā)光二極管亮，蜂鳴器發(fā)出長(zhǎng)音，系統(tǒng)報(bào)警；若兩車處于異常危險(xiǎn)狀態(tài)，紅色發(fā)光二極管亮，蜂鳴器急促音預(yù)警[8]。

圖4 聲光預(yù)警電路Fig.4 The circuit of sound-light alarm

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示，系統(tǒng)初始化完成后，設(shè)置好相應(yīng)的標(biāo)示位，開始數(shù)據(jù)采集，解調(diào)出相對(duì)距離和方位信息，不斷輸出的距離和方位信息經(jīng)中央處理器分析，監(jiān)測(cè)前方運(yùn)動(dòng)車輛的行駛狀態(tài)，實(shí)時(shí)解算自車與前車之間的相對(duì)速度和相對(duì)距離，判斷這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)是否達(dá)到設(shè)定的臨界值，決定本車的最安全行駛速度，當(dāng)有可能發(fā)生事故時(shí)，系統(tǒng)觸動(dòng)報(bào)警裝置，發(fā)出聲光警報(bào)。

激光雷達(dá)的測(cè)距公式如下：

式中，c為激光光速；fa為正向調(diào)制過(guò)程中，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的差額；fb為負(fù)向調(diào)制過(guò)程中，發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的差額；ω為調(diào)制波的重復(fù)頻率；Δωm為最大調(diào)制頻率。

前方車輛與自車之間相對(duì)速度的測(cè)量公式如下：

式中，f0為發(fā)射波中心頻率[9]。

結(jié)合前方車輛與自車之間的相對(duì)速度，相對(duì)減速度，和自車的行駛車速以及自車駕駛員的制動(dòng)操作信息，前方車輛與自車之間的相對(duì)安全距離的計(jì)算公式如下：

式中，Ssafe為兩車不致相撞的最短距離，即臨界安全距離；Vh為自車車速；Vf為前車車速；ah為自車減速度；af為前車減速度。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

系統(tǒng)在南京依維柯試驗(yàn)車上安裝調(diào)試，選擇高速公路及城市道路等結(jié)構(gòu)化道路上進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于DSP的車載測(cè)距安全預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)駕駛員跟車距離過(guò)近的危險(xiǎn)駕駛行為進(jìn)行判別，通過(guò)聲光報(bào)警對(duì)駕駛員進(jìn)行警示，預(yù)防交通事故的發(fā)生，系統(tǒng)判別準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，虛警率低，完全滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 The flow chart of system software design

5 結(jié)束語(yǔ)

文中以嵌入式DSP為硬件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的嵌入式車載測(cè)距安全預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，當(dāng)車輛距離過(guò)近時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提醒駕駛員注意保持車距.系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，虛警率低，采用聲光結(jié)合的分級(jí)式報(bào)警，避免了頻繁急促報(bào)警使駕駛員長(zhǎng)期處于緊張狀態(tài)，價(jià)格成本低?？瓦\(yùn)車輛上裝備該系統(tǒng)，可以對(duì)公路客運(yùn)車輛駕駛?cè)说鸟{駛行為進(jìn)行有效監(jiān)管和規(guī)范，進(jìn)一步提高公路客運(yùn)車輛的主動(dòng)安全性能，加強(qiáng)相關(guān)交通管理部門的監(jiān)察力度，有著廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)需求，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

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