商用车驾驶员视野盲区监测系统研究及基于信息安全和低成本考虑的系统架构设计

郑子健，郑继翔，刘 蒙

（中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津300300）

近年来，商用车保有量持续上升，而商用车引发的交通事故比例也在不断增加，尤其是商用车转弯时发生的伤亡事故明显增加。相关数据统计显示，大约有30%的交通事故是由驾驶员进入视野盲区导致的[1]。在商用车低速转弯时，车身两侧存在内轮差盲区，同时A 柱与后视镜视野也存在盲区，尤其在右转弯时盲区的范围较大，极易导致商用车与盲区中的其他交通参与者发生碰撞[2]。行人与非机动车辆作为弱势交通参与者，若处于商用车驾驶员视野盲区内，极易与商用车发生碰撞，伤亡率很高。研究表明，若驾驶员能够提前1~2 秒察觉到潜在危险，作出正确的判断并及时采取相应的措施，交通事故发生率将大幅减小[3]。

随着车辆技术的不断发展，国内外商用车市场均对车辆的安全性与舒适性提出更高的要求。因此，开展商用车驾驶员视野盲区监控系统的研究至关重要。

1 盲区监测系统研究现状

1.1 国外研究现状

在20 世纪初，很多主机厂和供应商推出了各种盲区监测系统。这些系统主要用于监测车辆正后方以及侧后方盲区范围内的车况。当监测到有车辆接近本车时，系统会自动提醒驾驶员。在各主机厂和供应商研发的盲区预警系统中，具有较高研究价值的有CamCar 系统、BLIS 系统、LCA/BSD 系统和盲区监控系统。CamCar 系统为福特汽车公司研发的视觉观察辅助系统[4]，该系统将摄像头安装在车尾和车辆外后视镜上，同时系统会自动调节摄像头角度以适应当前的交通场景，为驾驶员获取最佳观察视角，拓展视野范围。BLIS 系统也是福特汽车公司推出的系统，采用两个多线束雷达监测车辆两边的盲点区域，当探测到移动物体时，通过后视镜上的LED 灯闪烁报警提示驾驶员。LCA/BSD 系统由Mobileye 公司研发[5]，该系统通过安装在侧边后视镜上的摄像头对目标进行检测，并判断当前场景下的换道操作是否安全。

1.2 国内研究现状

国内对于商用车驾驶员视野盲区的研究起步较晚。张正轩[6]等基于全景影像和超声波雷达研究了驾驶员视野盲区监控系统，该系统利用全景影像使驾驶员知悉车辆的周边环境，同时使用超声波雷达探测车辆两侧与后方盲区内的障碍物。李磊磊等[7]利用广角摄像头和毫米波雷达，研究了大型货车视野盲区的层叠式预警系统，可有效解决内轮差盲区导致的商用车安全问题。在近几年国内主机厂新推出的一些高端车型上，已经搭载了环视移动物体监测系统或盲区监测系统。

2 盲区监测系统检测方法分析

目前应用到商用车与乘用车盲区的障碍物检测方法，大多使用摄像头、超声波雷达、毫米波雷达、激光传感器或红外装置。

根据摄像头的图像采集范围分类，一般分为平角摄像头和广角摄像头。平角摄像头的图像采集范围较小，若布置到商用车上，需要的摄像头数量较多，不利于实车布置和图像拼接处理。故在商用车全景监控系统中一般采用广角摄像头，6 颗摄像头即可满足商用车360°范围的检测。但商用车倒车影像及全景影像技术发展较晚，由于轮胎高度、空载/重载等情况造成商用车摄像头输出的倒车轨迹线准确性较差，对驾驶员指导意义较小。

超声波雷达广泛应用于乘用车的泊车系统，具备穿透性强、操作简单与成本低的特点。但是超声波也具有监测范围小、方向性差、散射角大和受天气变化影响大的缺点。对于远距离的物体，超声波测距的回波信号较为微弱，由此造成测量精度较低。且在车辆高速行驶时，超声波测距不能实时跟进车距的变化，测量误差较大。因此，超声波雷达适用于车辆起步或低速泊车时监控车辆周围近距离（5m 内）的障碍物。

近几年，毫米波雷达大规模应用于乘用车与商用车的碰撞避免系统与盲区监测系统。其优点为精度高、穿透性强、抗干扰能力强、性能稳定、分辨率高及受天气影响小，可满足全天候工作。市面上常见的毫米波雷达频率为24GHz 和77GHz，毫米波雷达的频率越高，则距离分辨率越高，目标探测能力越强。目前已量产车型搭载较多的为24GHz 毫米波雷达，用以实现车辆左右侧盲区的监控。77GHz 雷达对加工工艺要求更高，成本较高，但随着技术的发展和雷达的大规模量产，成本将逐步降低，未来将有更多的车型采用77GHz 雷达实现更高精度的探测。

激光传感器测距具备速度快、精度高、量程范围广、抗干扰能力强的特点，但是激光测距受恶劣天气影响较大，因此限制了激光传感器的使用。自动驾驶车辆多采用激光雷达实现周围环境重建与目标定位，然而激光雷达成本极高，目前无法用于大规模量产。

3 基于信息安全和低成本考虑的商用车全盲区监测系统设计

基于以上章节的分析，本文提出一种基于全景摄像头、前向与侧向超声波雷达以及后向毫米波雷达的商用车全盲区监测系统设计。本系统电气原理图与所用传感器监测范围分别如图1、图2 所示，其中全景摄像头（6 颗）用于识别车辆周围的交通参与者，并判断其运动轨迹。前向与侧向超声波雷达（8 颗）用以监测近距离的障碍物，主要用于起步及低速右转弯时弥补全景摄像头的盲区。后向毫米波雷达用于监测车辆侧后方70m 范围内的车辆，辅以左后方与右后方的摄像头可实现20m 范围内行人与非机动车辆的精确识别。

图1 全盲区监测系统电气原理图

图2 全盲区监控系统监测范围

3.1 系统工作过程

本文提出的商用车全盲区监测系统功能工作过程如下所示。

起步模式（车速为30km/h 以内）：车辆起步时驾驶员需主要关注车头盲区与垂直盲区。系统上电，全盲区监控系统控制器与多媒体控制器自检完成后，首先在中控屏显示围绕车辆一周的视频，以辅助驾驶员观察车辆周围的环境。车辆挂前进挡后，中控屏显示全景拼接画面和车辆正前方视图，前向摄像头、左前摄像头与右前摄像头开始监测前向3m 及左右6m 范围内的移动物体（包括车辆与行人），同时前向与侧向超声波雷达开始监测近距离的障碍物。若摄像头检测到与本车存在碰撞危险的移动物体或超声波雷达检测到距离车辆周围1m 以内的障碍物，则在拼接好的全景画面相应区域叠加红色报警框，同时辅以仪表蜂鸣器报警提示驾驶员。车头盲区与垂直盲区的报警分为三级：一级报警仅进行视觉报警，无声音报警，提示驾驶员注意该障碍物；二级报警包含视觉报警和低频率的声音报警，提示驾驶员需要通过制动或转向避开障碍物；三级报警包含视觉报警和高频率的声音报警，提示驾驶员需要全力制动以避免与障碍物发生碰撞。

行车模式（车速为30km/h 以上）：车速达到30km/h 以上时，车头盲区与垂直盲区危险性较小，需驾驶员关注侧后方盲区。此时需要后向毫米波雷达监测车辆左/右两侧3m 及后方70m 范围内的车辆（含非机动车辆）。当监测范围内出现碰撞时间小于阈值的车辆，则通过A 柱指示灯闪烁提示驾驶员。若驾驶员在此时采取换道操作（开启转向灯或方向盘转角大于阈值），则A 柱指示灯常亮，且仪表蜂鸣器报警提示驾驶员换道危险。驾驶员开启转向灯时，同时中控屏显示全景拼接画面和车辆侧方视图（开启转向灯侧）。

转弯模式：车辆转弯时，内轮差盲区是引发交通事故的主要原因，因此本系统在车辆转弯时重点监测车辆两侧的交通参与者。驾驶员开启转向灯时，中控屏显示全景拼接画面和车辆侧方视图（开启转向灯侧），侧向的4 个摄像头开始监测车身两侧6m 范围内的移动物体，同时侧向超声波雷达监测车辆周围1m 内的障碍物。系统在转弯模式下根据危险程度提供三级报警，报警方式与起步模式相同。

倒车模式：倒车时，中控屏显示全景拼接画面和车辆正后方视图，车辆后方摄像头监测车身正后方6m 范围内的交通参与者（车辆与行人），同时后向毫米波雷达辅以监测侧向来车。当系统探测到碰撞时间小于阈值的车辆或行人时，则在拼接好的全景画面相应区域叠加红色报警框，同时辅以仪表蜂鸣器报警提示驾驶员。后方盲区的报警分为两级：一级报警仅包含视觉报警，提示驾驶员注意该交通参与者；二级报警包含视觉报警和听觉报警，提示驾驶员制动，停止倒车。

3.2 系统软件设计

本文提出的商用车全盲区监测系统软件考虑了正常功能实现和信息安全，包括以下模块。

视频拼接处理，对6 颗摄像头拍到的视频进行拼接处理，输出环视视频：

VedioStitching.Module，视频拼接模块，对6 个摄像头采集到的视频进行变形、拼接处理，得到车辆环视视频；

VedioOutput.Module，视频输出模块，根据车辆运行状态输出不同视角的视频画面。

感知信息处理，对各传感器检测的环境信息进行处理，提取障碍物目标：

PerceptionRadar.Module，毫米波雷达感知数据处理模块，根据雷达检测信息，标记障碍物分类、位置和速度；

PerceptionVedio.Module，摄像头感知数据处理模块，根据摄像头采集的视频画面，标记障碍物的分类和位置；

PerceptionUltrasonic.Module，超声波雷达感知数据处理模块，输出超声波检测的障碍物距离信息；

PerceptionFusion.Module，主要对毫米波雷达与摄像头感知到的障碍物信息进行融合，提高目标检测准确度。

报警信息处理，输出相应报警信息：

WarningOutput.Module，根据当前车辆运行条件和感知结果，当满足报警条件时，发出报警信息：

信息安全管理，建立信息安全主动防御体系与信息安全治理体系：

Identification.Module，实现统一身份认证；

AccessControl.Module，对系统资源的访问进行授权；

Encryption.Module，对通信信息进行加密；

Decryption.Module，对通信信息进行解密；

Validation.module，对输入信息进行有效性验证。

4 结束语

考虑到商用车盲区范围大，事故致死率较高，本文提出一种基于全景摄像头、前向与侧向超声波雷达以及后向毫米波雷达的商用车全盲区监测系统设计。本系统根据商用车在不同场景下的驾驶员习惯与发生事故率较高的盲区范围，优化传感器监测范围与报警等级。当前提出的商用车盲区监测系统设计均存在成本较高的缺点，这是影响该系统大规模落地的主要原因，未来各大主机厂和供应商仍需在降低商用车盲区监测系统成本、提高系统性能和驾驶员使用便利性上不断努力。随着网联化的不断发展，车辆的信息安全至关重要，未来各系统的架构设计需在信息安全管理方面做更加深入的研究。