可以根据路况调整的车速限制系统研制

周定华，李 源，朱向冰

（1.奇瑞商用车 （安徽）有限公司，安徽 芜湖 241000；2.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002）

超速行驶是造成大多数道路交通事故的重要原因，因此各个国家对车速限制方面尤其重视，如在中国对高速公路、桥梁和隧道、人口密集的市区都有严格的车速限制［1］。车速限制的目的是为了减少车祸，提供更加安全的驾驶技术，有效地减少车祸发生的几率和造成的损失。现有汽车中已经实现限速及报警方案［2-4］，但主要通过自动识别限速标牌来警告和提示用户的超速情况，这种方案限速值是固定的，难以根据路况复杂程度做出更改，当路况较复杂时，实际行驶的车速往往应远小于该数值，因而有必要在汽车上增加一种可调节式限速系统，实现主动式的限速功能。

1 工作原理

首先由用户决定限速功能是否开启。当需要关闭限速功能时，用户按下屏蔽开关，不执行限速功能，组合仪表接收到开关信号，相应的LED指示灯闪烁表明用户不需要限速功能；当需要开启限速功能时，用户再一次按下屏蔽开关，执行限速功能，组合仪表中相应的LED指示灯常亮，表示用户需要限速功能，通过摄像头及图像识别单元、导航仪、语音识别模块获取最大允许速度，组合仪表通过CAN总线获取整车的实际速度并计算平均值，将速度的平均值与限制速度相比较，判断是否开启报警，如果超速，组合仪表通过CAN总线给发动机控制单元发送信号，降低车速。在系统中还设置了一个低速报警，当在高速公路上速度过低时，系统只报警并不增加速度。

汽车通过摄像头识别道路上的限速标志，获取基本的限速值，汽车也可以通过导航地图信号获取限速值，如果两个值不一致时，一般选取较低的值，也可以由用户判断该用哪一个值。

为了方便用户使用，本系统使用组合仪表中的车载语音模块，不仅向用户播报各种信息，还接收用户的语音命令，用户通过语音可以进一步降低限速值，实现根据周围路况而调整限速值的功能。

2 系统硬件设计

车速限制系统由屏蔽开关、摄像头及图像识别单元、组合仪表、CAN总线和发动机控制单元组成。汽车限速系统如图1所示。

图1 汽车限速系统

现有技术通常采用单片机作为限速器的处理控制单元［5-6］，本文的组合仪表中也使用单片机。图1中组合仪表集成了限速设置和报警功能，通过组合仪表可以调节速度的限值，在偏离速度限值以后发出声光报警。组合仪表中的液晶屏也用来显示当前车速和限速值。组合仪表中的语音模块具有语音识别功能，捕捉用户语言中的车速信息，当需要改变限速值时，通过语音反馈给用户。

语音识别系统采用的是LD3320芯片，该芯片基于非特定人语音识别技术，芯片上内置单声道mono 16-bit A/D模数转换、双声道stereo 16-bit D/A数模转换通道、550 mW的内置放大器、20 mW的双声道耳机放大器接口，不需要外接AD芯片，只需要把麦克风接在芯片的AD引脚上；同时不需要外接辅助的Flash和RAM，降低了系统成本。LD3320支持并行接口或者SPI协议，并内置锁相电路PLL，输入主控时钟频率为2~34 MHz，在待机状态下电流为1 μA，工作电压为3.3 V，可以与多种单片机连接来实现语音识别/声控系统。

在一些特殊场合下，为方便用户使用，必须关闭限速功能，其中增加了一个快捷键——屏蔽开关，方便用户使用。

摄像头及图像识别单元采用其他公司生产的成熟的产品，其具有MicroPython板载解析器，可以运行基于机器视觉算法的程序，与单片机之间通过串口通信，可以快速方便地识别限速标识牌中的信息，并与组合仪表交换数据。该产品采用OpenMV技术，使用OpenMV IDE开发平台，现阶段本文只用它检测道路标识牌，在后续的工作中还将用它检测道路信号，如交通标线、交通护栏等，还可以用来检测道路中的其它车辆和行人，根据安全车距计算出能够行驶的最高速度，产生新的限速信号。

组合仪表上还预留一个车载导航仪的接口，导航仪可以将道路的限速值传递给组合仪表，在组合仪表中与图像识别单元发出的限速信号进行比较。本文设计了一个简单的组合仪表与导航仪之间的通信协议，由于目前没有合适的车载导航仪，所以该功能暂时没有对用户开放，在图1中也没有标出上述接口。

在发动机控制单元中CPU是核心部分，它具有运算与控制功能，在本系统中，发动机在运行时，采集各传感器的信号进行运算，并将运算结果转变为发动机控制信号。发动机控制单元接收到组合仪表通过CAN总线传来的减速信号后，自动降低发动机的速度，即使用户仍然加大油门，车速也不会增加，维持在限速范围内，实现限速功能。

除了图1中提到的硬件以外，系统硬件电路中还有CAN总线元件。本文采用CAN总线技术连接各个设备，使整车所有电子控制系统做到资源共享，互相协调。本文中的组合仪表和发动机控制单元之间采用CAN总线连接，纠错能力强，可在高噪声干扰环境中工作，保证了系统的性能。

3 系统软件设计

根据本系统的硬件结构和控制思想，本文编写了相应的软件程序，图2是主程序流程图，在限速功能启动后，删除之前存储的限速信息，初始化语音识别系统，摄像头及图像识别单元也分别初始化，获取车载导航系统的限速数据，修改内部存储的限速数据，通过CAN总线获取车辆的实际速度，将实际速度与存储的限速数据进行比较，如果实际速度过高，通过CAN总线向发动机控制单元发送减速信号，组合仪表显示文字提示并发出报警声音。

图2 主程序流程图

语音识别系统接收到减速命令后，向组合仪表发送信号，组合仪表在中断程序中响应语音识别系统，修改限速数据。

在组合仪表的中断程序内还响应摄像头及图像识别单元、导航仪发来的限速信号，为了安全起见，本文的系统可以自动取其中最低的限速信号，但是考虑到摄像头及图像识别单元、导航仪、语音识别系统都可能出现故障，此时用户可以直接关闭限速功能。本文不再赘述中断服务程序的流程图。

4 总结

限制车速能避免因超速行驶造成的交通事故，特别是对运输危险品的车辆、专用校车、公路客车及旅游客车来说尤其重要。为了克服现有系统不能根据路况修改限速的缺点，本系统中的摄像头及图像识别单元不仅识别道路标识，还根据实际路况修改最大允许速度，从而提高系统的安全性。

本系统中集成了语音识别功能，可直接输入语音命令，取缔了用户只能在中控面板中手动设定限速值的方法，提高了驾驶安全性；当实际车速超过限制车速时，不仅向用户提供报警提示，同时系统会根据设置的限速值自动降低车速，方便用户使用。

由于本系统还处于研发阶段，语音识别功能还存在着一些缺陷。和其他读取限速标志的方案类似［7-8］，在雾天状况下，本文的摄像头及图像识别单元还不能准确判断路况，在这种情况下驾驶员一般都会主动降低速度。现阶段还需要进一步完善语音识别功能，在不久的将来，等到语音识别功能完善以后，本系统将逐步推广。