基于北斗主机的智能安全驾驶系统试验初探

钱炜程

【摘  要】驾驶员的安全意识淡泊，成为了交警检查的盲区。针对这个问题，我们觉得它可以通过基于北斗主机集成实现多项安全功能，实现交通监管和技术提升，保障行车安全。本系统可以对监控驾驶者酒驾、疲劳状态，还赋有跟车安全距离警报，检测车内和机舱温度，监测振动颠簸功能，根据行车路段湿度坡度监测等因素，自动结合车速，计算安全跟车距离。

【关键词】北斗系统;安全驾驶;车辆自动安全系统

1.背景

发生交通事故主要原因除不遵守交通规则外，另两个主要原因是疲劳驾驶和恶劣自然环境。而每年的交通事故中有很多都是因为疲劳驾驶，这个比例要大大超过酒后驾驶。除此之外，陌生路段以及不确定的环境条件也导致了大部分交通事故的发生。

除此之外，车内自燃的新闻频频出现在新闻报道中，驾驶员的安全意识不足以及各种安全措施不当都导致车辆在无人情况下自燃，并且灭火不及时导致大范围火势。

2.项目概念

2.1应用领域

基于北斗主机的智能安全驾驶检测系统对车辆多方面的安全状况进行监测，包含测酒驾、提醒疲劳驾驶、行驶过程震动幅度监测、行驶安全距离监测、车内发动机舱（或新能源车电池舱）自燃预警监测功能。适用于私家车、公用车以及小型货运车。

2.2 项目主要解决问题

目前城市及郊区道路，仅设置了最高限速来减少车辆发生安全事故，但路段路面实际状况变化速度快，原有限速无法真正起到安全作用。实际情况中，遇到各种不确定的天气因素或者路面因素，驶员无法在注意力高度集中情况下判断与前车安全距离，在各种外界变量影响下，驾驶员在行车时估计本车的刹车距离往往出现错误。在货车运输过程中，经常出现酒驾，疲劳驾驶、超速追尾等状况。本项目将采用基于北斗导航的前沿科技，对行车进行更进一步的监管，降低道路上因非故障类因素而产生的事故概率。

3.基本原理

3.1基本功能原理

功能一：测酒驾（注：因为此酒精传感器模块为TTL协议，试验中无法支持，故试验过程及代码省略）

使用酒精传感器，LCD液晶屏。

（1）当驾驶室车门被打开后，酒精传感器自动开启。

（2）酒精传感器检测车主呼出气体中的酒精浓度并记录。

（3）若呼气酒精浓度超过0.0091mg/100ml，测液晶屏显示“Do not drink and drive！“并触发继电器。待酒精浓度小于0.0050mg/100ml后解锁。

（4）若此车为公交车，运货车，打车app合约车等有上级管理部门的公共用车，系统自动通过北斗通讯系统上报上级以加强监督。

功能二：提醒疲劳驾驶

使用計时器，蜂鸣器，LCD液晶屏。

（1）当发动机启动时开始计时。

（2）若发动机持续开启时长超过4小时，或者当日累计时长超过8小时，蜂鸣器发出提醒，LCD液晶屏显示“Do not drive when tired！”。

功能三：检测振动情况

使用振动传感器，双色LED。

（1）根据振动传感器测定当前路段的车身振幅。

（2）将振幅与设定最高车身承载振幅进行比较，设定三次判断过程，划定四个震动区间。

功能四：安全距离警报

使用超声波传感器，陀螺仪传感器，震动传感器，雨滴传感器，七色LED，温度气压传感器，LCD显示屏，无源蜂鸣器。

（1）根据北斗卫星导航系统测定汽车的瞬时速度。

（2）在模型中输入各种地面的实际摩擦系数。

（3）根据雨滴传感器测出是否下雨和雨势的大小。

（4）根据陀螺仪传感器测定倾斜角度。

（5）根据震动传感器测定震动区间。

（6）测量实际车外温度。

（7）通过超声波传感器测定前方障碍物的距离。

（8）若距离小于安全距离，七色LED亮灯，蜂鸣器警报，LCD显示“Warning ！”。

功能五：车辆自燃早期预警警报

使用温度气压传感器，烟雾传感器，火焰传感器，LCD液晶屏、无源蜂鸣器。

以下情况均视作可能自燃情况：

（1）温度传感器温度异常，即发动机舱（或电池舱）内局部温度140度以上持续二十秒以上无人手动关闭;

（2）车内烟雾传感器报警二十秒且无人手动关闭;

（3）车内火焰传感器检测到明火。

以上三种情况符合其一后，车载系统自动报警，LED警告，LCD显示“Fire ！！”通过北斗导航定位系统发送车辆所处位置通知车主，车主可根据实际情况手动关闭。

3.2 安全距离实现原理

3.2.1基础调查

μ的测定：

路面情况不同，受到的摩擦力也不同，路面的潮湿程度会影响到轮胎摩擦力。此外，路面温度等状况改变，都可能导致路面摩擦系数的显著变化。摩擦力取决于摩擦系数，据研究，不同路面的摩擦因数不同，受限于其他不确定变量影响。本装置将通过路面潮湿度以及温度判断不同路面上相应情况下的μ数值大小，对应计算汽车受到的摩擦力，根据算法最终判断是否在安全距离以内。

借鉴的摩擦因数如下：

滚动阻力系数

1.滚动阻力系数良好的沥青或混凝上路面    0.010--0.018

2.一般的沥青或混凝土路面                0.018--0.020

3.碎石路面                              0.020--0.025

4.良好的卵石路面                        0.025--0.030

5.坑的卵石路面                          0.035--0.050

6.压紧土路干燥的                        0.025--0.035

7.雨后的                                0.050—0.150

8.泥泞上路雨季或解冻期                  0.100--0.250

9.干沙                                  0.100--0.300

10.湿沙                                 0.060--0.150

11.结冰路面                             0.015--0.030

12.压紧的雪道                           0.030--0.050

根据以上数据，可知在温度变量中可以在常温（0℃-20℃）范围内，大致用一次函数数学模型模拟摩擦因数改变量;在水膜厚度（下雨状况或其他路面湿滑情况）变量中，以0.03mm为临界点，对<0.03mm和≥0.03mm，赋予两个不同常量的数值。

通过程序模型，在获取各种环境变量后，计算出平地上的基础摩擦因数参数μ的数值。

3.2.2程序框架

（1）判断路面状况，代入基础路面摩擦因数μ0;

（2）判断是否下雨，雨滴传感器：设2个灵敏度不同的传感器A、B（A的灵敏度比B低）没检测到雨滴返回0，反之返回1，。令i=A返回值+B返回值。若i=0，则无雨;若i=1，则小雨;若i=2，则大雨。若i=1：μ1=μ0*0.8;若i=2：μ1=μ0*0.7。

（3）测温，y=1.5x+70（x=温度，单位：℃），在此基础上μ2=μ1*y%;

（4）使用振动传感器检测振动情况：设3个灵敏度不同的传感器A、B（A的灵敏度比B低）没检测到振动返回0，反之返回1，。令i=A返回值+B返回值。若i=0，则平坦;若i=1，则路面不平整;i=2，路面存在较大坑洼，若i=3，则路面需维修，不适合车辆行驶。设定4档振幅后，处于一档，不赋值;二档即i=1，μ3=μ2*0.95;三档即i=2，μ3=μ2*0.85;四档即i=3，报警反馈次路面不适合行驶，靠边慢行（此数据通过等比例缩小模型获取）。

（5）通过陀螺仪传感器测量倾角θ后，计算出最后的刹车最大加速度a=μ3gcosθ-gsinθ（g=9.8N/kg）。

（6）计算出最大安全距离S=v?/2a。

3.2.3 应用实现

（1）根据北斗卫星导航系统测定汽车的瞬时速度。

（2）根据陀螺仪传感器测定倾斜角度，根据雨滴传感器测出是否下雨和雨势的大小，湿度温度传感器测量湿度温度，震动传感器判断震动幅度区间。

（3）代入调查已得数据公式，测定安全距离。

（4）通过超声波传感器测定前方障碍物的距离。

（5）比较实际距离与安全距离，若距离小于安全距离七色LED亮灯并蜂鸣器发声，LCD文字提示“Warning！”。

3.2.4 安全距离评估

通过北斗定位系统获取车速，在程序所建立的模型中，代入最终所得的摩擦因数，计算出以当前速度在最大动力减速时所需要的最大安全距离。模型中保守计算，认定前车速度立即减速为零，并已考虑驾驶员反应时间。通过超声波测距，比较此时与前车距离是否小于安全距离，若并未达到安全距离，系统自动警告，提醒驾驶员控制车距（大于安全距离后报警解除）。由于各车轮胎种类不同，可根据不同车型调整基础轮胎与路面摩擦因数，改变系统中初始摩擦因数μ0，此系统已做一般化处理。

4.实验与结果

4.1 3d设计图片（123D Design软件设计）

试验中需要把若干传感器安装到位，各模块由于功能不同，安装要求也有所不同，通过123D Design设计3D模型，给传感器量身定做安装架。

4.2实体图片

4.3 总体结构

试验小车上安装北斗智能主机，以及多个模块的硬件：左侧安装有按钮、超声波传感器;右侧内部安装三个震动传感器以及陀螺仪传感器;外部安装雨滴传感器、七色LED以及蜂鸣器;在车辆背部安装酒精传感器、火焰传感器、温度气压传感器以及烟雾传感器;顶部安装LCD显示屏。对部分灵敏度要求较高的传感器进行保护处理。

5.项目总结

5.1创新点

（1）本系统利用北斗卫星导航系统对汽车的瞬时速度进行实时测定，并且通过北斗通讯系统将車辆自燃危险情况反映于车主及消防部门，并且标记定位。

（2）本系统使因驾驶员驾车意识薄弱的问题而导致发生交通事故的概率降低，减少了路面环境不确定因素对于行车安全的影响，提升了行驶过程中的安全系数。在路况极差的陌生路段，解决了驾驶员不适应路面的情况，帮助驾驶员在陌生环境下安全行车。

（3）本系统对于驾驶员行车安全规范做出了制约，有利于培养驾驶员的行车安全意识。在公共用车以及货车上对于驾驶员进行实时监测，避免驾驶员危险驾驶。

5.2总结与展望

在现代生活中，行车交通安全已经成为人们不可忽视的问题。本项目基于北斗主机和卫星导航，立足行车常见问题，提高了行车安全系数。以车载系统的形式，帮助和监督驾驶员安全行车以及车辆安全管理。除此之外，自动驾驶早已成为了当今关注度最高的几项科技之一，基于北斗的安全驾驶系统，也将为自动驾驶注入新活力，从不同方面，提升车辆的智能化程度以及安全系数，助力安全自动驾驶的研发完善。

参考文献：

[1]《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》[S]（GB19522-2010）

[2]《不同路面状况对路面摩擦系数影响的试验研究》[J]李长城 刘小明 荣建 北京工业大学 建筑学院 北京100124 交通运输部公路科学研究院 北京100088  1002-0268（2010）12-0027-06