史帥 張澤龍 韋映杏 趙文琦 龐樹浚

桂林電子科技大學計算機與安全學院 廣西 桂林 541004

1 項目背景

2018年1月5日由發(fā)改委發(fā)布的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》中提到二〇二〇年國內(nèi)智能汽車新車占比要達到50%，二〇二五年中國標準智能汽車體系全面形成，到二〇三五年建成智能汽車強國。隨著政策鼓勵與智能交通的發(fā)展，汽車主動防碰撞系統(tǒng)研究也引起廣泛關注，可靠、準確、實時的防碰撞算法是汽車主動防碰撞系統(tǒng)研究的核心。

目前，汽車主動防碰撞算法主要包括兩種——安全時間算法和安全距離算法，但目前市面上利用兩種算法構建的防碰撞模型存在準確性較低、不能反映路面信息等缺點甚至模型中的系統(tǒng)延遲時間和自車減速時間2個參數(shù)需要通過大量試驗測定，限制了其推廣和應用。針對上述情況，團隊順應國家鼓勵完善智能汽車內(nèi)部構造的需求提出該項目。該項目致力于新型防碰撞預警模型的建立，以有效改進傳統(tǒng)模型，提高市面上智能汽車防碰撞系統(tǒng)的預警效率，完善中國智能汽車防碰撞系統(tǒng)市場[1]。

2 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)采用激光雷達、毫米波雷達傳感器對本車行駛前方120m之內(nèi)的前方目標車輛或本車后方障礙物進行精確探測，將探測距離傳遞給中央處理器。小型乘用車采用專業(yè)星行減速電機執(zhí)行剎車系統(tǒng)（現(xiàn)在同類產(chǎn)品大多數(shù)用蝸輪蝸桿電機作為執(zhí)行剎車系統(tǒng)，易造成剎車抱死），其采集信號、處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行命令的響應速度領先同類系統(tǒng)。汽車自動防撞系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是采用激光、毫米波、超聲波探測傳感技術，經(jīng)過科學的論證、精確計算研制而成，雷達傳感器探測前后方障礙物的距離，通過計算機編碼程序，進行運算識別和處理，再根據(jù)處理要求向執(zhí)行剎車系統(tǒng)發(fā)出指令，實現(xiàn)對執(zhí)行剎車系統(tǒng)的控制，執(zhí)行剎車系統(tǒng)能夠按照要求進行有效制動。具有安全性能高、系統(tǒng)穩(wěn)定、適應性強、抗干擾能力強、工作壽命長等優(yōu)點。當本車與前方目標車輛小于安全距離時，報警系統(tǒng)以語音的形式執(zhí)行中央處理器F達的報警指令，提醒駕駛員謹慎駕駛。中央處理器根據(jù)激光雷達傳遞的探測距離，結合本車及前方目標車輛本或車后方障礙物行駛速度進行綜合分析、處理后，根據(jù)危險級別及時向報警顯示系統(tǒng)或制動執(zhí)行系統(tǒng)下達報警或制動命令。當本車即將與前方目標車輛發(fā)生追尾碰撞事故發(fā)生時，制動系統(tǒng)以減速或緊急制動的方式執(zhí)行中央處理器下達的制動指令，主動避免事故的發(fā)生。倒車自動防撞器能向駕駛員發(fā)出危險警示信，顯示本車與障礙物之間的距離；當車輛距離障礙物體較近，而駕駛員沒有采取有效的剎車措施，即將與障礙物體發(fā)生碰撞時，該系統(tǒng)能夠在事故發(fā)生前主動制動本車，從而避免事故的發(fā)生。

系統(tǒng)包括8大部分：

（1）信號采集模塊：采用影像識別、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等技術，自動測出本車速度以及與前方、后方障礙物之間的相對距離。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：計算機高速芯片對車與障礙物之間相對距離以及車與障礙物之間的瞬時相對速度進行處理后，判斷車與障礙物之間的安全相對距離，如果車與障礙物之間的距離小于安全距離，數(shù)據(jù)處理模塊就會發(fā)出指令。

（3）顯示模塊：能及時顯示系統(tǒng)參數(shù)設置、本車的車速、前、后方最具危險障礙物的距離，以嘀嘀聲音提醒駕駛員前方有危險，請減速。

（4）執(zhí)行剎車機構：負責實施數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)來的指令，當預警系統(tǒng)發(fā)出預警聲音，提醒司機剎車，如司機沒有采取措施，執(zhí)行機構將執(zhí)行數(shù)據(jù)模塊控制系統(tǒng)的指令，剎車減速或緊急制動剎車。

（5）前方碰撞預警模塊：它通過前方雷達信號采集模塊和計算在行駛過程中車輛與前方車輛的碰撞信息來判斷潛在的碰撞風險，并立即發(fā)出警示

（6）車距監(jiān)控模塊：汽車在行駛過程中，系統(tǒng)會顯示本車車速和檢測到本車與前方車輛或障礙物的距離。

（7）后方車輛防追尾警示模塊：通過后方雷達信號采集模塊和計算在行駛過程中后方車輛與前方車輛的碰撞信息來判斷潛在的碰撞風險，并立即警報強光警示

（8）溫度感應模塊：不帶ABS的汽車在行駛或啟動狀態(tài)，系統(tǒng)自動感應車外環(huán)境溫度，低于 0°C，系統(tǒng)自動關閉執(zhí)行指令，不剎車、只預警，避免結冰路滑導致安全事故[2]。

檢測可視化圖示

3 主要技術內(nèi)容

背景差分法被廣泛應用于運動目標的檢測算法，主要利用視頻圖像中的當前幀圖像和背景模型進行比較的方法，因此該方法需要預先建立背景模型，其檢測效果直接受到背景模型的影響，其描述公式如下。

式中：Dk(x,y)為第k幀的差分圖像，Xk(x,y)為第k幀圖像，為第k幀的背景模型，Th是閥值，1為包含車輛區(qū)域，0為背景區(qū)域。

利用當前幀圖像與背景模型相減，固定一個閥值，當差分圖像的像素閥值大于這一閥值時，則認為當前幀圖像的這些位置的像素區(qū)域是包含車輛區(qū)域，反之當差分圖像的像素閥值小于這一閥值時，則認為當前幀圖像的這些位置的像素區(qū)域是背景區(qū)域。

背景差分法主要適用于背景變化較小的嘗試，且該方法極易受到光照條件的影響。若圖像中背景物體的波動較大，背景中的場景不斷變化，則需要對背景信息進行實時的更新，且對更新的要求也很高。

4 應用領域

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車的普及率不斷上升，在汽車給人們的生活帶來便利的同時，交通事故也成為日益嚴重的公共安全問題。大量研究表明，絕大多數(shù)交通事故是由于駕駛員的操作失誤所致，這就推動了汽車防碰撞預警系統(tǒng)的發(fā)展。汽車防碰撞預警系統(tǒng)主要用于協(xié)助駕駛員持續(xù)不斷地檢測車輛前方道路狀況，識別判斷各種潛在的危險情況，并通過聲音提醒駕駛員，避免因汽車高速、低速或偏離駕駛軌道而發(fā)生碰撞事故。

汽車防撞系統(tǒng)的發(fā)展趨勢將從被動防撞減少傷害逐步向主動避撞減少事故方向發(fā)展。被動防撞主要依靠車體結構的耐撞性及座位安全帶等約束系統(tǒng)來降低事故發(fā)生后乘客所受到的傷害，而汽車防碰撞系統(tǒng)致力于在事故發(fā)生前發(fā)出預警，從而避免事故的發(fā)生。當前市面上的汽車防碰撞系統(tǒng)種類繁多，但價格偏高，而且仍然存在功能缺陷。而我們的防碰撞系統(tǒng)由信號采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及執(zhí)行機構組成，經(jīng)過不斷的發(fā)展、改進，更加安全可靠。

在即將到來的5G時代，傳統(tǒng)汽車將發(fā)生轉變，隨之而來的是與網(wǎng)絡相關聯(lián)的無人駕駛汽車。這將大大刺激車主對于汽車防碰撞系統(tǒng)的需求。汽車防碰撞系統(tǒng)不僅適用于普通汽車，也同樣適用于公交車、貨車等交通運輸工具。它的功能包括駕駛習慣矯正、前車防撞預警、前方行人安全預警、車道偏離預警以及超速預警。一般來說，這種能夠減輕整體駕車負擔且能夠有效幫助提高車輛安全性能及駕駛人身安全的技術是最受消費者關注的，因而該系統(tǒng)是具有廣闊的市場前景和發(fā)展空間的。

5 結束語

本項目將實際問題轉化為數(shù)學問題，根據(jù)實際情況收集模型參數(shù)，建立自己的數(shù)學模型，并用MATLAB進行仿真模擬，優(yōu)化已有算法。該算法支持系統(tǒng)有效解決現(xiàn)有市場上安全防碰撞模型臨界預警距離和臨界制動距離分段預警準確性較低，不能反映路面信息等問題，能有效模擬前后車輛在相同的最大制動減速度情況下所需的安全預警距離，具有可靠性高、不影響駕駛員操作等優(yōu)點。在智能汽車領域中為廣大人民提供更有效更安全的汽車防碰撞系統(tǒng)。