王小龍，孫付春，曹文繼

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

汽車輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)旨在解決汽車的交通安全問題，并提高道路的通行效率.通常，汽車輔助駕駛系統(tǒng)的環(huán)境感知模塊常用到視覺、雷達(dá)、激光和慣性導(dǎo)航等傳感器，并通過融合技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，上述單一傳感器或不同類型傳感器的融合計算存在系統(tǒng)誤差，且受環(huán)境影響，導(dǎo)致系統(tǒng)誤警率和漏警率較高，不能夠及時準(zhǔn)確提供預(yù)警信息[1].研究表明，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于汽車輔助駕駛系統(tǒng)中，可有效提升車輛行駛過程中信息交互能力[2].ZigBee通信作為一種新型無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有成本低、功率小與工作可靠等特點(diǎn)逐漸在汽車智能交通領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展起來[3].

汽車輔助駕駛系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的傳輸效率和可靠性要求較高，利用ZigBee通信的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠更加有效建立車際間的通信，數(shù)據(jù)傳輸可以實現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)，不再以中繼點(diǎn)作為數(shù)據(jù)交互的管理單元，從而顯著提升車際之間的數(shù)據(jù)交互范圍及效率.基于此，本研究基于ZigBee通信設(shè)計了一種汽車輔助駕駛系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用ZigBee通信的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，快速搭建車際聯(lián)系，以實現(xiàn)車與車之間的行車數(shù)據(jù)交互，可實時對汽車周圍的場景進(jìn)行采集分析并及時做出相應(yīng)的預(yù)警提示.

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本研究的汽車輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計主要基于以下技術(shù)要求進(jìn)行，即實現(xiàn)車際通信(vehicle to vehicle,V2V)、數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)分析、及時預(yù)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控等主要功能.系統(tǒng)的原理架構(gòu)設(shè)計如圖1所示.

圖1 汽車輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計方案

本汽車輔助駕駛系統(tǒng)依據(jù)功能和狀態(tài)的不同進(jìn)行了相應(yīng)的模塊設(shè)計，主要包括車載信息采集系統(tǒng)、自車狀態(tài)采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)總控系統(tǒng)及移動監(jiān)控系統(tǒng)等.其中：車載信息采集系統(tǒng)主要進(jìn)行車輛定位與車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集；自車狀態(tài)采集系統(tǒng)主要對車輛行駛狀態(tài)中的速度、加速度、航向角以及行車所處環(huán)境狀態(tài)等進(jìn)行采集；無線通信系統(tǒng)進(jìn)行車際組網(wǎng)，實現(xiàn)行車數(shù)據(jù)交互；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)總控系統(tǒng)完成多車信息的接收、分析和監(jiān)控；移動監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)移動設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，獲取系統(tǒng)信息以及對預(yù)警信息的移動端提示.

1.2 車載控制系統(tǒng)設(shè)計

作為輔助駕駛系統(tǒng)的基礎(chǔ)交互控制單元，車載控制系統(tǒng)需要將車載信息采集系統(tǒng)、自車狀態(tài)采集系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng)集成一體，同時還需要實現(xiàn)對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)總控系統(tǒng)與移動監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[4].因此，該部分是輔助駕駛系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計方面的關(guān)鍵點(diǎn)，其模塊設(shè)計如圖2所示.

圖2 車載控制系統(tǒng)示意圖

車載控制系統(tǒng)各個硬件單元分為：無線通信子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、車載設(shè)備處理單元及數(shù)據(jù)收發(fā)天線等部分.無線通信子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收和發(fā)送信號，一個車載設(shè)備里可以裝配一個或者多個無線電通信子系統(tǒng)；定位子系統(tǒng)可以通過車速信號、慣性測量單元與差分定位系統(tǒng)等方式來實現(xiàn)增強(qiáng)定位技術(shù)，該子系統(tǒng)中集成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)接收器，以實現(xiàn)對車輛的位置、方向、速度和時間等信息的采集；車載設(shè)備處理單元是車載控制系統(tǒng)的主要控制單元，負(fù)責(zé)生成需要發(fā)送的自車信號，并且對接收的來車信號進(jìn)行處理分析；數(shù)據(jù)收發(fā)天線則負(fù)責(zé)各類控制信號的接收與發(fā)送.

車載控制系統(tǒng)可通過接口與應(yīng)用電子控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并通過人機(jī)交互界面(driver-vehicle interface，DVI)來實現(xiàn)包括圖像、聲音及振動等方式對駕駛員的輔助駕駛提醒.在某些實際場合，應(yīng)用電子控制單元和車載設(shè)備處理單元可在一個物理設(shè)備中實現(xiàn).

1.2.1 車載控制系統(tǒng)算法設(shè)計

車載控制系統(tǒng)的控制算法設(shè)計主要通過ZigBee通信交互獲取自車與交互車之間的距離、速度等行車數(shù)據(jù)，并各自計算與交互車的安全距離是否足夠，以及在當(dāng)前狀態(tài)下的安全制動距離及制動時間.如果存在行駛方向交叉，且制動安全距離不足時，將觸發(fā)報警機(jī)制.另外，車載控制系統(tǒng)各自車狀態(tài)傳感器也將檢測自車狀態(tài)，當(dāng)某個傳感器監(jiān)測到數(shù)據(jù)異常時也將觸發(fā)自車報警機(jī)制.

ZigBee通信數(shù)據(jù)中，每幀數(shù)據(jù)將打包自車當(dāng)前行車數(shù)據(jù)，發(fā)送至交互車輛，交互車輛接收數(shù)據(jù)后將進(jìn)一步分析來車數(shù)據(jù)，并判斷是否觸發(fā)預(yù)警，再打包自車數(shù)據(jù)反饋發(fā)送.在一次數(shù)據(jù)交互過程中，會出現(xiàn)5個距離變化，具體如表1所示.

表1 通信過程中的距離變化

由表1可以分析出車輛行駛距離的變化，

∑Si=Sn-1-Sn

(1)

式中，Sn-1為上一階段兩車相距距離；Sn為本階段各車相距距離；Si為本階段各車行駛距離.

由于各個階段車輛行駛距離主要取決于各個階段數(shù)據(jù)傳遞或數(shù)據(jù)處理所占據(jù)的時間，而ZigBee通信使用無線電波，其在數(shù)據(jù)交互距離內(nèi)，可以近似忽略兩車數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間.而數(shù)據(jù)處理周期由控制程序設(shè)計為20 ms/次，以兩車均保持120 km/h速度進(jìn)行計算，每周期內(nèi)兩車總共可行駛0.67 m，可見單周期數(shù)據(jù)處理時兩車距離變化對安全預(yù)警制動距離的影響十分微小.因此，本控制算法的關(guān)鍵在于分別采集兩車之間的定位信息，通過轉(zhuǎn)換確定兩車距離及行駛速度，進(jìn)行安全距離計算，同時檢測自車安全狀態(tài)，當(dāng)交互車與自車的行駛存在路線交叉且安全距離過小時，將觸發(fā)預(yù)警機(jī)制.

此外，車載控制系統(tǒng)是本汽車輔助駕駛系統(tǒng)的主要執(zhí)行單元，其控制邏輯關(guān)系到系統(tǒng)的整體效率.車載控制系統(tǒng)的主要控制邏輯流程如圖3所示.車載控制系統(tǒng)的工作處于循環(huán)狀態(tài)，以保證數(shù)據(jù)的順序性和結(jié)構(gòu)性.

(a)

1.2.2 車載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本研究的車載控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)方案如圖4所示.

圖4 車載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

車載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)方案中，中央處理芯片采用飛思卡爾公司的MC9S12XS128型芯片，其采集各傳感器等底層設(shè)備測量信號，并通過串口通信方式傳遞給嵌入式控制器.嵌入式控制器通過應(yīng)用軟件讀取數(shù)據(jù)，并在人機(jī)交互界面上實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和預(yù)警提示.車載控制系統(tǒng)中,ZigBee通信模塊、陀螺儀、藍(lán)牙模塊、GPS均采用串口通信與控制芯片進(jìn)行通信.ZigBee通信模塊負(fù)責(zé)建立車與車之間的通信，將自車的數(shù)據(jù)發(fā)送給周圍車輛，同時接收周圍車輛的數(shù)據(jù)；GPS負(fù)責(zé)獲取位置信息，結(jié)合電子羅盤明確自車的行駛方向，其中電子羅盤和車載控制系統(tǒng)控制芯片采用IIC方式進(jìn)行通信；陀螺儀負(fù)責(zé)將車輛的姿態(tài)信息進(jìn)行采集解算，預(yù)防自車發(fā)生嚴(yán)重側(cè)傾或側(cè)滑，并實時采集自車各向加速度信息；藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)將自車行駛數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)終端APP進(jìn)行接收處理、分析顯示以及預(yù)警提示，方便用戶通過手機(jī)實時查看自車運(yùn)行狀況和周圍行駛車輛的狀況；溫濕度傳感器負(fù)責(zé)采集車內(nèi)的溫濕度，CO傳感器負(fù)責(zé)采集車內(nèi)的空氣質(zhì)量，保障駕駛?cè)藛T和乘客擁有一個舒適的駕乘環(huán)境；超聲波傳感器采集自車與前車的距離，通過控制芯片計算短距離下安全車距界限并做出預(yù)警[5].控制芯片將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理綜合并通過ZigBee通信與周圍車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，總控制器則負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示，并根據(jù)狀態(tài)安全與否發(fā)出聲光預(yù)警.同時,總控制器還可以加裝攝像頭，實現(xiàn)對行駛盲區(qū)的顯示.車載控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理如圖5所示.

圖5 車載控制系統(tǒng)硬件設(shè)計原理圖

2 系統(tǒng)交互與測試

針對本汽車輔助駕駛系統(tǒng)的功能為有效對行車數(shù)據(jù)及車輛交互數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，本研究對系統(tǒng)的交互軟件進(jìn)行了具體設(shè)計，包括主交互軟件和手機(jī)監(jiān)視軟件.主交互軟件通過串口通信與車載控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時能夠?qū)⒆攒嚺c來車狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示，對可能出現(xiàn)的緊急狀態(tài)進(jìn)行圖像文字及聲音預(yù)緊提示.手機(jī)監(jiān)視軟件主要通過藍(lán)牙通信與車載控制系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，能夠通過手機(jī)的振動或語音提醒駕乘人員提前進(jìn)行預(yù)警操作，確保駕駛安全，其軟件交互界面如圖6所示.

圖6 主交互程序及手機(jī)藍(lán)牙監(jiān)視軟件界面

為驗證本研究設(shè)計的輔助駕駛系統(tǒng)是否能夠滿足具體的輔助駕駛性能要求，特進(jìn)行了實車測試試驗.試驗分為，同向超車、相對離去、相向制動、路口交匯4種類型[6-7].

(1)同向超車測試.甲、乙兩車同向運(yùn)行，甲車初始落后乙車376 m，甲、乙兩車同時向前行進(jìn)，甲車由于速度高于乙車，在14.4 s左右追平乙車并繼續(xù)向前行駛，最終通過加速超越乙車265.4 m后兩車停止運(yùn)動，在25.8 s試驗時間內(nèi)，甲車從落后376 m到超越265.4 m，結(jié)果如圖7所示.試驗表明，系統(tǒng)能夠有效傳輸兩行車數(shù)據(jù)，實現(xiàn)狀態(tài)提示.

圖7 同向超車試驗

(2)相對離去測試.甲、乙兩車背對處于同一位置(初始兩車相距2.5 m)，測試開始后分別朝相對方向直線駕駛，甲車整個過程中迅速駕駛至57.8 km/h峰值速度后減速停車，停止一段時間后又進(jìn)行兩次短暫起停動作，而乙車則加速至42.1 km/h峰值速度后緩慢減速行進(jìn)，在48.6 s時兩車停止運(yùn)動，此時兩者相距490.3 m，結(jié)果如圖8所示.試驗表明，在近500 m的離去距離范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠保證良好的通信效率.

圖8 相對離去試驗

(3)相向制動測試.甲、乙兩車從相距277.4 m處開始相向行駛，兩車分別加速至50 km/h后迅速進(jìn)行制動，其中甲車加速至9.6 s時達(dá)到峰值速度60.5 km/h后迅速進(jìn)行制動，而乙車則在9 s時達(dá)到峰值速度56.2 km/h后迅速制動.在13.2 s時兩車均停止移動，此時兩車相距43.4 m，結(jié)果如圖9所示.試驗表明，系統(tǒng)能夠保證在行車出現(xiàn)緊急狀況時為車輛提供必要的緊急制動預(yù)警，且能夠保障行車之間的安全制動時間及距離.

圖9 相向制動試驗

(4)路口交匯測試.甲、乙兩車分別沿交叉路線行駛，初始兩車直線距離120.9 m，兩車提速至40 km/h左右交叉通行，在10.8 s時兩車相距最近為46.2 m，此后兩車分別向前減速行駛，距離逐步增加，最終兩車停止時相距61.9 m,結(jié)果如圖10所示.試驗表明，系統(tǒng)在十字路口等路況下能夠保持良好的通信能力.

圖10 路口交匯試驗

通過上述試驗測試，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析可知，各項測試中，甲、乙兩車最高速度都達(dá)到50 km/h左右，兩車在4種模擬路況類型中均能保障良好的通信能力，并對車際之間的行車數(shù)據(jù)進(jìn)行精確傳輸.試驗驗證了基于ZigBee通信的輔助駕駛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)性能，完全能夠保證在一定距離范圍內(nèi)車際之間良好的通信效率.

3 結(jié) 語

本研究提出了一種基于ZigBee通信的汽車輔助駕駛系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的整體框架和具體的車載控制單元進(jìn)行了軟硬件設(shè)計.本系統(tǒng)的功能包括：開啟手機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)App，藍(lán)牙與輔助駕駛系統(tǒng)連接后，實現(xiàn)實時監(jiān)控車輛的室內(nèi)溫度、二氧化碳濃度等環(huán)境信息；利用ZigBee通信組網(wǎng)，在信號可達(dá)距離內(nèi)實現(xiàn)了車輛之間的信息傳遞和共享.通過實車試驗驗證，本系統(tǒng)在一定距離范圍內(nèi)能夠有效保證車與車之間的實時數(shù)據(jù)交互，保證車輛之間的主動預(yù)警，能夠為車輛的輔助駕駛及主動安全性能提升起到一定的作用.