车辆防剐蹭预警系统的应用＊

广东警官学院 陈墉禧 黄沐杰 吴宇帆 曾伟棋 郑淙允

随着国内外道路车辆增加，停泊车辆剐蹭事故的发生频率增高，对此类事故的警力资源分配也相应增加。但因车辆摄像记录的仪器和城市道路监控的不完善，停泊的车辆在拍摄盲点或监控录像模糊的地带发生剐蹭事故后，警方和车主难以通过监控录像来提供事发时间与地点。为突破此类案件难点，本团队研发的车辆防剐蹭预警系统针对剐蹭事故数据记录的完善度与精确度，结合信息技术，超声波测距技术与360°车载环视监控技术，协助警方与车主及时处理车辆刮蹭事故，有利于警力资源的节省和合理分配，同时对国内外的汽车附属品发展方向有一定参考意义。

我国道路交通事故总量一直呈上升趋势，从2008 年的176 万起一直增加到2018 年的1026 万起，根据其演变的趋势，可预知到2020 年将在1026 万起的基础上进一步增大。伴随着人民生活质量的提高，国家的汽车保有量逐年上涨，道路交通安全事故的总量也会随之升高。

近年来，配置行车记录仪与车载摄像头的车辆数目大幅上升，城市道路上的路摄范围不断扩大，这使得车辆状态的相关数据记录逐步完善，这些对车辆状态的监测方法让交警在调查案件时可依据数据增多，为交警处理案件提供了数据保证。

1 系统工作基理

1.1 系统模块组成

该系统由超声波测距模块、监控系统控制模块、全景摄像模块以及车辆数据记录模块共4 个模块组成，并采用简单的IF 算法将监控系统控制模块与超声波测距模块、全景摄像模块和车辆数据记录模块分别连接起来，4个模块呈一条单线系统进行运作。全系统能够统一在车辆上进行安装。

1.1.1 超声波测距模块工作原理简析

超声波测距模块由覆盖全车车身的超声波测距技术来进行对车外物体与车身之间距离的测量。收集超声波传播的时间数据，再利用超声波在介质中的传播速度计算出超声波的传播距离。

此类技术只需利用51 单片机及HC-SR04 超声波测距模块[1]即可测出目标距离。HC-SR04 超声波测距模块内配置了超声波的发射器与接收器，计时器使用自适应滤波器通过LMS 自适应时延估计算法计时。超声波发射器发射一组高频声波，计时器同步计时，当声波在传播途中遇到物体后会被反弹，返回的声波再由超声波接收器进行接收，计时器停止计时，利用声波的传播速度与计时器得到的时间数据计算可以得到所测距离。

1.1.2 360°车载环视监控模块工作原理简析

全景摄像头由4 组鱼眼摄像头组成，对不同方位的近距离车外现时状况进行监控，将这4 个摄像头获取的图像通过图像拼接技术进行拼接，可对车辆周围的现实状况进行360°的全景重建，直接得到车外近距离无盲区无死角的全景鸟瞰图，以此来克服传统监视装置中存在视野盲区的问题，且图像拼接的计算速度大大提高[2]。

1.1.3 车辆数据记录模块工作原理简析

行车记录仪在保障原有功能的同时，加入实时采集车辆的时间信息、位置信息与图片信息，进行交通行驶相关的数据处理，并上传至储存云中心的功能。上传的剐蹭事故发生可能的时间信息、位置信息与图片信息也能够另外储存，以便提供给交警进行调查处理。

1.2 整体系统工作原理简析

当超声波测距模块测出两者距离小于某一个可能发生剐蹭事故的距离的时候，监控系统控制模块会下达指令让GPS 系统与时间计时器将事发时的车辆的地理位置信息反馈给行车记录仪中的信息储存模块，由信息储存模块快速精准地记录下事发的地理位置信息与时间信息，待交警接到该车辆的剐蹭案件报案后，可直接调查车内行车记录仪记录的剐蹭事故发生可能的时间信息、位置信息，并依据记录的信息调用剐蹭事故发生地最近的街道摄像头或路面摄像头在剐蹭事故发生可能的时间的画面进行调查，从而极大地缩小交警的调查范围，加快交警的办案速度。

在超声波测距模块检测到车外物体与车身的距离过小时，监控系统控制模块也可下达指令触发全景摄像头运行，记录车辆外部的实时影像，行车记录仪会将拍摄的视频文件储存入云中心中。使得在无监控摄像头路段的情况下交警也可根据车主提供的全景摄像头的录像可直接确认肇事人身份。

2 超声波测距技术相关理论

2.1 超声波测距技术的工作原理

超声波测距原理是利用声波与障碍物剐蹭后会发生反射的特性，通过测量声波在两个物体间来回运动所需的时间，再利用声波在空气介质中的已知音速，通过公式S=1/2vt 即可得出所需测量的距离结果。v 为空气中声波的传播速度，v=340m/s；t 为声波在空气介质中来回传播运动所需的时间。

2.2 超声波测距模块的总体架构

2.2.1 超声波测距模块的组成

超声波测距系统主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波发射模块和接收模块是由工作性能稳定，操作简易方便且性价比极高的单片机控制系统51 系列AT89C51 单片机和测距范围广，精度高且具有测距精度能达到3mm 的非接触式距离感测功能的HC-SR04 超声波测距模块[3]共同组成。显示模块采用的是LCD1602，该系统的数据处理技术较前卫，处理出的数据可靠性与准确性较高且操作简易，除此之外，该系统会自主过滤出实时有用的数据且会在第一时间反馈到显示器上，车主可以非常直观地看到各项相关的实时数据。

2.2.2 超声波测距模块的电路设计

单片机和关键子模块路是超声波测距系统的硬件部分，在硬件电路中，每个模块独立工作，其中传感器的驱动电路可放大低压脉冲信号，而后作用于超声波换能器，换能器利用低压脉冲信号将电能转化为声能，从而实现超声波的发射[4]。当超声波与物体剐蹭后产生的反射波经过换能器时，声能再次转换为电能，成为电压信号，此时便完成了超声波的发射及接收工作。回波信号处理电路的作用是对超声波剐蹭后产生的反射波进行处理，增强反射波中信号微弱的部分，随后利用滤波器对声波进行降干扰降噪处理，从而获取准确的声波传播运动的时间，最后再利用已知音速和时间完成对距离数据的精准测量。在其余模块中，信号检测模块用于判断数据传输的电平高低；偏置电路则提供偏置电流给系统内部电路；而电源模块将模拟电源电路和数字电路，且充当变压器为内部系统各个电路模块输出适合的电压并提供电流。测距模块开始工作时，在外部电源供电的前提下，可利用电路中的电源模块为其他模块提供稳定的电压和电流从而维持正常的工作状态，其中输出的电压为3.3V。此时，系统将会接收到来自单片机发送的指令，信号检测模块在接收指令前就已经开始检测电路并确定高低电平的工作。

2.3 超声波测距数据输出相关算法

超声波测距技术利用的是由Pellam 和Galt 提出的脉冲回波法[5]，原理为超声波发射器发射超声波，并由超声波接收器接收经物体剐蹭反射回来的超声波，测量记录这一过程的时间，按照算法公式即可测出相应距离，因为声音在空气介质中的速度已确定，提高记录发射和过程的时间精度则是关键问题，为提高时间测量时的精度和准度，本团队采用了LMS 自适应时延估计法。LMS自适应时延估计法能很好提高时间测量精度，需要与自适应滤波器搭配共同使用，而自适应滤波器是一种能够进行自我调节的特殊滤波器，不需要根据输入信号和噪声的统计特性而后人为调整参数，滤波器系统本身就能根据自身的工作环境自行进行估计并调节，与其他滤波器相比自适应滤波器更为方便快捷，只需要加一延时在接收信号前，并通过调整延时便可使得经过LMS 算法的信号与预测的信号之间的误差达到最小。

3 GPS 定位系统与时间记录系统模块

3.1 GPS 信号源检测模型

当超声波测距模块测出两者距离小于预设距离数值，监控系统控制模块会下达指令让GPS 系统与时间计时器将事发时的车辆的地理位置信息反馈给行车记录仪中的信息储存模块，由信息储存模块快速精准地记录下事发的地理位置信息与时间信息。传统汽车GPS 信号源检测技术会因汽车GPS 信号中存在的噪声过大而对准确定位造成干扰。

GPS 定位技术可以消除传统定位方法的缺点，如对GPS 信号中噪声的消除能力较弱，导致车辆定位的精度和实时性不能满足要求。为了避免GPS 信号在长距离传输过程中的弱化和失真，GPS 定位系统采用了信号噪声抑制算法来消除噪声[6]。该系统参与信号抑制跟踪定位，修改车载GPS 信号残差特性的系统计算结果，构造车载GPS 噪声子带DEMON 谱来传递GPS 信号信息和信号差分。就像是把汽车GPS 信号点当做原始点，汽车GPS 信号点发出信号比拟作各个方向的射线，同时伴随噪声的抑制方法，优化完善信息，最终接收所有融合射线，实现对汽车GPS 信号的定位与判断。

3.2 基于物联网的汽车GPS 定位防盗系统设计

本设计以物联网技术为核心的车辆防盗系统，结合矢量化地理信息系统软件平台，通过二者的有机结合，实现对停放车辆的全天候监控，并在发生事故时提供及时报警。GPS 卫星定位技术的基本原理是卫星连续发射星历参数和时间信息，业主接收并计算出接收机的3 个位置、3 个方向、运动速度和时间信息。基于5G 发展，可以将GPS 与此结合，进行全球范围对汽车进行监控，使车主能够及时对车辆状态清楚了解。同时利用物联网安防技术，把物联网产品与安防产品联系起来，从而对车辆进行保护防盗。本研究是基于物联网DSP 芯片、GPS 模块、物联网5G 无线通信模块以及必要的辅助电路，从而实现监控车辆定位防盗系统的结构框图的构建。基于此系统设计，车主离开车辆时，各种信息，例如位置、时间，甚至构建出剐蹭地点的3D 视图都能通过5G 无线通讯发送到车主手机。不仅立即将信息发给车主，还将有效信息及时提供给警方，构建警民交流平台，减低破案时间成本。

4 行车记录仪对交通数据的管理应用

4.1 行车记录仪系统的改进

基于Android 操作系统，在前端加入截屏程序并安装4G卡，从而对获得事故发生时的图片，GPS 经纬度，点速度等数据进行记录与分析，进一步上传至云中心，此控制系统可以统筹超声波测距、全景摄像头记录、GPS 定位、与车主建立信息联系、行车记录仪记载等方面，并在事故发生后及时发送相关信息告知车主。在日常行驶过程中，实现实时去雾处理和对道路状况实时记录，精准识别道路目标，并在传输信息后处理实现路径可视化。行车记录仪系统改进后，既把通信传输和车载前端的运算成本大大降低，又可以通过传输图片时的间隔差异以及其他结构化数据集中传输到云中心进行分析。实现运输成本的降低，也就解决了视频内存过大超过SD 卡容量视频会自动覆盖的问题。

4.2 行车记录仪解析经纬度与道路匹配逆地址

改良后的行车记录仪记录的经纬度上传至数据库，采用开源ETL 工具PivotDateETL 获得储存起来的经纬度，利用百度地图APL-Geocoder，转化为道路信息，最后将道路字段信息转化为JSON 格式，将得到的信息录入数据库表面的相应字段[7]。

通过此操作把行车记录仪的GPS 经纬度转化为具体道路位置，与实际的道路路径相匹配，是实现路径可视化以及记录事故发生位置的基本条件。

4.3 行车记录仪对数据缺失与异常处理

对于行车记录仪对数据记录的缺失和异常的判断与处理，结合瞬时车速和经纬度之差数据来进行筛查。根据瞬时车速是否为0 或过大超出常规车速限度来进行数据剔除，以此排除在车辆或者行车记录仪的启动时刻未能及时收到GPS 信号时所记录的无效数据；同时根据经纬度之差是否大于某个容忍值，或是否为零来确定该情况是否发生在行驶的起点来决定是否需要将该信息数据进行删除。

5 结论与展望

本项目的研究对于防止社会资源浪费、节省警力都有较大帮助。车辆剐蹭预警和信息记录系统对国内外的汽车附属品发展方向有一定的参考意义。在未来的计划中，本团队可能会对此项目相关数据测量的精准度、预警的及时性及与用户的交互性做出进一步研究。除了研究性能之外，本团队还将会对整个系统的性价比、各板块连接的适配性及流水线工程的步骤进行研究，力求以高性价比的名号打开市场，让车辆剐蹭预警和信息记录系统装置走入百姓家，从而达到最大限度地减少资源浪费的目的。

引用

[1] 郝玉楠,纪昕洋,马晴.基于超声波测距技术的车辆防剐蹭预警系统的设计[J].电子测试,2018(12):33+32.

[2] 张聪.基于鱼眼镜头的车载全景环视系统[D].杭州:浙江大学,2015.

[3] 邝爱华,李平.基于单片机的超声波测距系统设计[J].中国新通信,2015,17(15):104-105.

[4] 孙宇凤.基于超声波传感器测距系统关键技术的研究[D].西安:西安电子科技大学,2019.

[5] 高龙.高精度超声波单探头测距与多探头定位技术的研究[D].沈阳:东北大学,2015.

[6] 张宇波,成丽君.基于信号抑制追踪定位的汽车GPS信号源检测[J].计算机仿真,2015,32(3):206-209.

[7] 保丽霞.行车记录仪改进及其交通数据分析方法研究[J].中国市政工程,2019(5):75-76+80+110-111.