一种大型车辆智能辅助驾驶车载终端设计

郭征凯，曹斌芳,，肖 勤，陈元惠

（1.湖南文理学院芙蓉学院，湖南 常德 415000；2.湖南文理学院，湖南 常德 415000）

0 引 言

近年来，我国生产建设发展迅速，大型车辆保有量逐年上升。有关数据分析，公路交通事故主要集中在小型客车和大型货车中，事故发生的同时带来的破坏力极强。大型车辆发生事故的诱因主要有：超载、疲劳驾驶、超速驾驶、视觉盲区有行人和车辆出现、车辆故障处理不及时等。本文提出了一种解决大型车辆及其驾驶员在行驶过程中存在安全隐患的系统设计：通过多传感器网络的搭建进行环境感知，通过相关软件读取网络采集的数据，由系统处理后进行相应干预动作；从事故成因出发，有针对性的预防、遏制交通事故发生。

1 系统工作原理

本系统以嵌入式Linux平台进行相应功能开发，系统主控模块采用三星JZ2440芯片；整套系统由车况实时监测网络、安全预警网络组成，可实现智能化车辆行驶安全监测、驾驶员身体情况监测、驾驶室环境监测、车外风险实时预警（盲区监控预警、行人临近预警）等功能；基于上述安全防护功能，为大型车辆行驶安全提供更全面的防护与更智能的车载设备终端以及安全网络。

车载系统由主控制部分（JZ2440）、车载传感器监测部分、安全预警部分、智能终端部分组成，各部分间以I2C通信总线进行数据传输；车载系统具体实现方案通过软、硬件子模块组合，构建安全车载终端功能。系统架构如图1所示。

图1 系统模块架构

2 系统检测模块

本方案中的视觉识别模块硬件采用AIS906嵌入式主板，其板载4核心ARM架构CPU（主频最高支持1.8 GHz）。此板支持单目、双目、3D摄像头等，对于摄像头的选型更加灵活，且具备更强的场景针对性，一定程度上消除了利用视觉传感技术获取车辆周围环境两维或三维图像信息时易受光照环境影响、三维信息测量精度较低等缺点。

烟雾传感模块MQ-2作为消防常用的传感器模块，其对于具备高强度运输任务的大型车辆而言更具应用潜力；驾驶室内，烟雾传感器将辅助检查驾驶员行为是否规范（对驾驶室环境进行无烟检测）；烟雾传感还可应用在车辆货舱内，运输品为易燃易爆物品时，烟雾传感模块可作为运输保障方案与具有其他特征检测功能的传感器组合（如氧气浓度模块等），实时将货舱情况传递给终端。

雷达监测模块采用微波传感模块AWR1843，AWR1843微波传感模块为德州半导体公司出品的集成DSP、MCU和雷达加速器的汽车雷达传感器芯片，具有高精度以及低功耗等特点，其拥有4个接收通路，3个发送通路，以及基于分数NPLL的超精度啁啾引擎，其TX功率为12 dBm，RX噪音[1]（76～77 GHz）为14 dB，主要用于车辆盲区检测、变道辅助、停车辅助。

车载雷达分布如图2所示。

图2 车载雷达分布

安全检测模块包括温度与氧气协同模块、驾驶安全模块等，为了便于拓展安全功能与协调软件开发，将其功能抽象为车载终端的综合安全保障模块。

温度与氧气联合模块主要进行驾驶室内环境的检测，根据传感器内置的高精度电化学传感器，将获取的温度以及氧气浓度等模拟信号输出为数字信号[2]至系统主控制器进行数据分析处理，并对驾驶室隐患采取干预（如驾驶室温度过高，将发送语音提示驾驶员休整，同时进行一定的反馈调节）。温度与氧气协同模块亦将结合视觉识别模块，为驾驶室内人员提供保护机制，实时监测室内的氧气浓度（以19.5%为警戒阈值），针对长期封闭的驾驶室环境（低氧情况）将自动控制通风，防止低氧对车内人员造成伤害[3]。

驾驶安全模块要求驾驶员上车前进行呼出气体酒精含量测定（20 mg/100 mL为阈值），模块检测到驾驶员酒驾后，通过I2C协议与控制系统核心通信；车载终端将联系相关监管部门并终止车辆启动或行驶行为；当驾驶员通过上车前检测后，驾驶安全模块转为调用摄像头模块辅助检测驾驶行为是否规范[4]。

3 预警模块

预警模块由驾驶室预警部分和车身四周预警部分组成。

3.1 驾驶室预警部分

本部分主要实现驾驶室内环境与驾驶员状态的矫正及预警，终端结合OpenMV摄像头实时监测、判定驾驶员的精神状态。出现问题则向驾驶员发出提示，将具有安全隐患（提醒无效）车辆的基本信息发送至周围车辆进行警示[5]。

3.2 车身四周预警部分

此部分主要负责车辆周围警示，结合24位陀螺仪模块、导航模块、雷达检测模块反馈的信息，获取车辆周围的实时行驶路况信息，在终端进行相应提示。对于路面上影响车辆行驶的安全障碍物，周身预警部分可以为司机提供实时路面信息，辅助选择合适的行驶路线；对于行驶途中发生的特殊情况，如车辆姿态异常等，车载终端将危险信号通过主控制器接收处理后，除驾驶室发出危险信号进行提醒外，车身四周也将采取激光投影方案警示危险区域。对误入危险区者，车身声光预警装置再次警示[6]。

4 无线通信模块

车载终端模块具体设计模型如图3所示。

图3 车辆安全网络

拓展工业级WiFi网络模块USR-WiFi232-A2B2（基于工业级无线网络通信技术进行信息的发送或接收，通信距离达250 m）。车载终端无线连接，将终端传感器网络检测的道路数据通过WiFi传输协议发送至附近终端，或者结合收取的其他终端道路数据提示驾驶员，实现道路信息预先加载。此功能将消除本地传感器网络存在的局部道路可处理范围较小等问题，联合地图导航，实现以车辆为单个道路信息传感器的、多车载终端联合的局域性车载网络。但本模块目前也存在网络传输成本过高、不同地形传输障碍等技术难点[7]。

5 软件架构

车载系统总体采用图4所示架构，软件工作流程如图5所示。

图4 系统软件架构

图5 软件工作流程

各底层驱动（语音驱动、摄像头驱动等）主要将各硬件模块进行功能上的抽象封装，将硬件层与上层应用开发进行隔离，方便车载终端的程序开发。

车载终端核心功能包括驾驶员身体检测进程、车外环境检测进程、车内环境检测进程、警报提示进程和终端显示进程[8]。

5.1 车内环境检测进程

该进程主要负责调用安全检测模块部分（烟雾、氧气、温度等室内模块驱动）及开启驾驶员身体检测进程，以获得驾驶室内、驾驶员身体状态等数据；当进程检测存在异常状态数据时，唤醒警报进程进行提示，并将数据通过网络驱动发送至云端管理者求助。

5.2 车外环境检测进程

通过调用雷达、摄像头、导航、陀螺仪等底层驱动程序，结合两者采集的道路数据进行判定处理，辅助终端显示进程构建实时行车安全地图。检测到道路数据存在危险（如有路面落石障碍）后，唤醒警报进程进行提示，并将实时道路信息通过网络驱动共享至局部车辆安全网络[9-10]。

5.3 警报提示进程

本进程作为车载终端系统中的重要部分，负责进行各类异常事件的处理以及针对性调用语音驱动等。驱动主要包括语音驱动和激光镭射模块驱动。在系统中通过核心处理进程传递信息进行动作响应。主要有两种警示方案：

（1）驾驶室内语音播报加网络广播警示危险情况；

（2）车身周围镭射示警。

驾驶员存在疲劳驾驶或其他危险行为时，通过视觉算法的显示画面自动捕捉相关行为，并进行事件判定；同时，进程将进行下一步动作（调用警示提示进程对驾驶员及其周边车辆进行提示，必要时可进行制动处理防止造成更大损失）。此外，对于其他数据，如果超过正常阈值时，终端进程将特殊参数发送至警报提示进程，并且调用其进行相关提示。

6 结 语

本车载终端解决方案提出了一种新形的智能化、安全化大型车辆安全运营保障方案，一定程度上具备辅助人类驾驶员规范驾驶行为以及车辆联合保障安全网络构建（车辆室内安全监测、车外安全监测、安全网络联动监控等）的功能。通过一系列调试运行，本方案运行结果符合预期，能够预防交通事故的发生，保障驾驶人员的生命安全，具有非常重大的现实意义，应用前景较为广阔。