基于北斗导航的夜间行车安全系统

阚亦西，林佳宏，樊昊鹏，杜 钧

（成都理工大学 地球科学学院，四川 成都610059）

随着大数据时代的到来和数字地球概念的提出，智能交通领域也有了快速发展，智慧交通是在智能交通的基础上，在交通领域充分利用互联网、自动控制等技术，通过高新技术汇集交通信息，对交通管理、交通运输等方面进行管控支撑，为公众出行提供服务。

然而在现实生活中交通事故形式多样，车辆与驾驶员自身都可能会面临危险，尤其在夜间，由于道路环境光线不足，易发生较大的交通事故[1]。目前，针对夜间行车的研究相对较少且应用范围不广，且主要是针对大型车辆[2]。市场上较多的安全预警系统有行车防碰撞系统、车道保持系统、ACC自适应巡航系统、防疲劳驾驶预警系统、超车预警系统等，种类繁多，安全性能好，然而在价格上较为昂贵，一般配置在较高价位的车辆上。很多低价位车辆甚至货车没有安装安全预警系统。在此背景下，设计一个简易、低价位、可靠的安全预警系统很有必要。同时，针对于夜间行车的安全预警在系统市场上也比较少，这方面是值得研究开发的。这正是本课题研究的目的所在。

针对此类情况，本系统利用一些物理装饰后结合红外线热成像技术对夜间照明条件进行改善，利用北斗导航功能预测通过弯道的临界速度，并在车辆到达弯道之前使其速度降低到安全速度以下，同时将实时的车身侧倾角与临界侧倾角进行比较，及时调整车辆运动状态，降低弯道发生侧翻的概率。如若在不可抗力因素下，车辆仍不幸发生侧翻，利用北斗系统的短报文功能，将求救信息发送至临近救援平台，平台通过相应算法得到最短路径并传送至求救人，使事故得到最快处理以保证驾驶员的生命和财产安全。

1 原理和方法

1.1 夜间行车防侧翻系统

夜间防侧翻系统由4个模块构成，分别是监测模块、北斗模块、控制模块和传感器模块。系统结构如图1所示。

图1 夜间安全系统示意图

传感器模块由雷达、红外传感器、三轴加速度传感器等组成，该模块负责监测车辆行驶的实时相关信息并将这些信息传输给监测模块。

监测模块负责将传感器模块采集到的各种信息进行整合并按其中指定的模型程序计算实时的车辆行驶数据，如实时倾角、加速度等，并将这些实时数据与设定的阈值进行比较，如若超出阈值，则将信号传至控制模块。

控制模块采用51单片机，整合应用电路。该模块依据所接收的信号，调整车辆运动状态。与此同时，北斗模块将定位及车辆信息发送到监测平台，供监测平台进行道路信息统计和反馈。

如若在紧急情况下发生侧翻，实时倾角与侧倾角阈值差值过大，应急求救功能启动，其可以立即利用北斗模块的短报文功能将定位信息、车辆信息及通过算法得出的最短路径发送至临近交警部门，处理人员即刻开始行动，缩短处理时间。

为了达到获得车辆夜间行驶的实时数据，需要多种装置获取和传递实时信息，需使用的装置和需获取的目标信息如表1所示。

表1 系统所需装置图

1.2 夜间行车感知功能

在黑暗的道路环境下，驾驶员自身的视力有限，为保证获取到较远路况信息以提醒驾驶员注意防范道路附近车辆，本系统以热成像技术为基础做出了解决方案。

利用红外传感器感知车辆附近不同物体的热量散发情况，收集并区分温度不同的物体，并将其转化为可视图像呈现在车内仪表盘中央的显示屏以供驾驶员进行参考。在直线路段行驶时，对向来车与本车达到设定距离阈值时，系统自动开启近光灯而关闭远光灯；若对向来车因疏忽而开启远光灯造成本车驾驶员眩晕，系统自动启动防眩装置，驾驶员可以通过显示屏观察对向车辆的位置和此处路况信息并采取相应措施安全地完成夜间会车[3]。在转弯和上下坡路段同样如此。夜间会车系统结构如图2所示。

图2 夜间会车系统

1.3 夜间盲区测距功能

由于光照不充足和车辆盲区的存在，车辆在夜间行驶时很容易与其他物体发生碰撞和摩擦导致损坏，基于此问题，本系统通过超声波测距技术提示驾驶员注意操作，以减小车辆在夜间行驶的安全风险[4]。

该设计主要对大货车盲区进行监测，能有效避免车辆进行转弯等操作时对盲区内的车辆和人员造成危害[5]。系统核心为测距和报警，该系统主要由四个部分构成，分别为单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块以及显示模块。在车辆启动时开始运行，车辆熄火时系统停止运作。由超声波传感器发射超声波，超声波发射探头将电压转化的超声波发射出去，同时启动位于单片机内部的计时器开始计时，当接收超声波时，与发射探头位于同一侧的超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片，计时器停止计时并通过程序开始计算距离D。计算原理为D=1/2ct。c为超声波的传播速度；1/2t为超声波从发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。然后通过距离D判断是否需要启动蜂鸣器进行报警提示。

1.4 北斗防侧翻功能

车辆在道路上发生侧翻主要原因包括弯道行驶速度过快[6]和车辆整体倾斜导致重心不稳，该功能针对两种情况进行监测，在行驶过程中提前做出处理。

对侧翻做出预防的主要措施为限制速度和调整车辆侧倾状态。在车辆行驶过程中开启北斗导航，在距前方弯道还有100米时，获取弯道信息传输到监测模块，通过该模块中的程序计算出通过弯道的临界速度，将该临界速度通过语音报告提醒驾驶员减速；如若在距离弯道50米时车辆速度还没有减至临界值，则控制模块自动强制车辆减速，防止车辆因速度过快造成事故。

对车辆状态的调整则是在三向加速度传感器获取的数据上进行处理，通过侧倾角函数求出车辆侧翻的临界侧倾角即阈值来判断车辆的状态[7]。车辆的实时侧倾角度由两步完成：在北斗导航上判断路面不平度（据机械振动道路路面谱测量数据报告）后，再通过传感器获取相应的侧向加速度、车轮转角等数据，在控制模块结合路面情况得出车辆实时侧倾角度。如若车辆实时倾角小于阈值，不必采取措施；如若车辆实时倾角大于阈值，则采取措施如升降空气悬架等使车辆调整到平稳状态，同时车辆警示灯开启，语音提示在本车附近的同向及对向车辆注意与本车保持适当距离，以免造成严重事故。

与此同时，北斗模块将位置信息发送至地面监测平台，供平台统计分析发生风险的概率，将结果计入道路数据库，并及时反馈给其他地面用户以提醒用户注意防范该路段的行驶风险。防侧翻功能如图3所示。

图3 防侧翻功能示意图

1.5 北斗预警、报警功能

从众多交通事故的发生原因可以看出，尽管其中许多都归咎于人为因素，例如驾驶速度没有控制、驾驶员疲劳驾驶、车辆超重或车辆未定期维修导致制动器等机器出现问题，但是其中的客观原因则是驾驶员对于危险事故的到来没有及时地察觉。因此，需要预警系统、报警装置的干预，让驾驶员及时获取信息，避免事故的发生。

系统根据车辆参数、行驶速度、道路参数和环境条件等因素进而判断车路耦合安全度。在车辆行驶过程中，经过计算数据预测制动器升温后不会超过制动器工作安全极限温度，若接近或超过时制动器可能会失效，致使汽车行驶过程中存在不安全因素导致事故发生，则预警系统将会向驾驶员进行报警，提示驾驶员做出相应的改变措施，如降低车速、暂时停止车辆向前行驶等。

对驾驶员进行报警则是预警系统在通过对车辆当前运行状态的采集并提取路段信息后，根据车辆参数等计算出安全值，系统则判断该安全值是否在规定范围内，在不同程度上给予驾驶员不同的预警信号，甚至是系统紧急报警并自动控制车辆运行以确保驾驶员以及车辆的安全。系统预警及报警原理如图4所示。

图4 北斗预警、报警原理图

1.6 北斗短报文求救功能

基于多数事故现场的观察，许多驾驶员会出现在发生车祸事故后导致自身受伤无法向周边救援平台或周边人员呼救的情况。对于该情况，可利用北斗短报文求救功能向周边救援平台发出求救信息，及时向事故现场伸出援助之手，救助事故人员[8]。

系统可以利用单片机、感应器，对车辆受损、事故严重情况进行处理。当车辆发生翻车、侧翻等严重事故时，相关感应器感应到后实时向处理器发出信号，通过处理器、北斗等系统，以短报文的形式向附近的救援平台发出求救信号，及时救助驾驶员生命。北斗短报文求流程如图5所示。

图5 北斗短报文求救流程图

2 应用与展望

2.1 应用

基于信息时代，科技高速发展，越来越多的驾驶人员习惯开车利用导航，故将本系统与导航系统相结合无疑是锦上添花[8]。打开软件，进入系统，驾驶者根据自己在夜间的驾驶情况，可选择开启夜间模式，配合导航系统的语音工具，及时通报周围的道路情况及需要注意的事项，如有特殊情况，可一键求救，争取黄金救援时间。

本成果在解决车辆夜间行驶安全问题上具有可行性。对于车辆本身而言，本成果在车辆行驶过程中对车辆起到了监测和保护作用。夜间盲区监测功能有效地解决了车辆在驾驶员不清楚盲区路况的情况下与道路路障碰撞的问题。防侧翻功能使车辆在弯道及其他路况条件下能够保持车辆的稳态而减小侧翻风险，降低事故发生率。对于驾驶员而言，本成果在一定程度上能帮助本车驾驶员提前预知潜在危险并采取措施来修正车辆，极端情况下可以帮助驾驶员快速求救，减少被困时间；对于地面监测平台而言，本成果采集到信息路段侧翻风险信息后，监测平台根据统计结果可以提炼出有效信息，不仅可以将其结果反馈给其他地面终端用户，还可以为处理人提出道路修正措施提供理论依据。

现阶段无人驾驶技术正处于蓬勃发展时期，本成果中包含了关于强制控制车辆行驶状态的功能，这也为实现无人驾驶技术的安全性提供了支持。

2.2 不足

然而，本系统设计仍有不足之处。该系统对于酒驾等驾驶员个人问题无法解决，即使有提示、警示，也不一定能阻止驾驶员的驾驶以及保护驾驶员的驾驶安全；在山区非水泥路段，路面湿滑情况不同，对路面不平等级的评估精确度有影响；若大货车装载的是液体，车辆重心在不同路段变化大，对于侧倾角度的计算存在影响。

3 结束语

本研究结合北斗卫星导航系统，改进了车辆行驶时自身状态的判定和修正方案，使车辆在夜间行驶时也能随时保证平稳状态，并随时提醒本车驾驶员前方路段情况和风险评估结果。对临近车辆有安全保护作用，提前预防潜在危险。同时反馈的行驶数据也能帮助相关人员找出道路潜在风险并及时采取措施，并且发生事故后驾驶员能够及时报警，获得黄金救援时间，能够挽救生命财产等损失，所获取的交通信息也有利于丰富我国道路交通安全信息库。