基于智能手機平臺的主動安全預警系統關鍵技術研究＊

（科學技術部高技術研究發展中心 北京 100044）

0 引 言

最新上市的機動車中集成應用了更多的主動安全裝備，用于預防交通事故、降低碰撞傷害，并且主動安全預警系統目前已經成為了越來越多高級轎車的標準配件．最近美國進行了一項主動安全預警系統對事故降低程度影響的研究，選擇配備主動安全系統和未裝備機動車作為研究對象，道路傷害數據研究中心的研究結果表明：有碰撞預警裝備車輛發生碰撞的事故概率會減少14%，有自動剎車系統車輛發生事故概率下降10%，有自動前車燈系統的車輛事故概率下降10%．如果這些研究結果在中國適用的話，我國有一半車輛新裝主動安全預警系統，會減少6 000多人的道路交通事故死亡，挽回1 000萬元的經濟損失［1］．

傳感器技術的發展為主動安全提供了重要保障［2］，智能手機中的傳感器技術這2年取得了驚人的進步，并將持續發展，這些進步已經可以充分保證其為用戶提供更多的功能和體驗，在交通應用方面目前主要體現在導航、停車、交通信息獲取等方面．在智能手機上的專業應用仍然處于欠發展狀態，但是成為目前科學研究的熱點問題．Ertico公司的 ADASIS（advanced driver assist systems interface specification）［3］已經公開明確表示將提供基于智能手機平臺的解決方案，并且已經形成了一款以imaGinyze－Augmented Driving系統為特征的應用軟件，其以手機主攝像頭為傳感器進行圖像處理，提供車道偏離預警功能．Global Mobile Alert是主動安全預警系統的另一種應用形式，當車輛靠近路口、學校區域等危險地點或路段時，提供駕駛人和乘客預警信息．利用手機進行車道偏離預警的功能已經被Chen Chaojung［4］，Ren Feixiang［5］等人研發成功．本文研究的是基于智能手機的主動安全預警技術，并分別介紹主要傳感器在實現主動安全系統中發揮的作用和其具體功能．首先分析智能手機的系統和主動安全預警系統的功能需求，設計體系框架，通過與專業設備的比較對基于智能手機的主動安全系統有效性進行評價．

1 智能手機特征分析

智能手機的出現是一種對傳統通話手機的革新，其除能夠實現基本的通話和文字、圖像短消息傳輸外，在手機內部嵌入了各種新型傳感器用于實現各種使用功能，如利用攝像頭進行拍攝和視頻通話；利用定位GPS設備進行駕駛導航和路徑規劃；利用陀螺儀、加速度計等進行游戲．目前已經廣泛使用的智能手機嵌入式傳感器見圖1．這些傳感器組成為其實現主動安全功能提供了保障．

圖1 智能手機傳感器組成

按照傳感器功能的不同主要分為圖像傳感器、運動傳感器以及定位傳感器3大類．

1）圖像傳感器成為智能手機標準配置后，使得用戶能夠隨時記錄有趣事件的畫面和視頻，隨著最近3G／4G無線通信網絡的不斷完善，遠程視頻通話也逐步實現，并且促成了面部攝像頭在手機上的出現，使得手機用于環境和面部兩個攝像頭．

2）運動傳感器主要是指手機中的陀螺儀、加速度計．陀螺儀是一種根據角度動量原理測量或保持某種方位信息的設備．陀螺儀廣泛用于導航系統或姿態識別系統中，判斷位置和設備的方位角．加速度傳感器是一種檢測設備方向的傳感器，并自適應新的方位，當設備在垂直方向被旋轉90°時，加速度能夠檢測到其旋轉角度，能夠調整屏幕以適應新的方位，加速度采集的數值是相對于自由落體的比值．當陀螺儀和加速度共同工作時，能夠實現上下、左右、前后以及翻轉、側傾、橫擺6個自由度的方位檢測．

3）定位系統是指利用衛星進行定位，并根據獲取的經緯度信息，并在地圖顯示的系統，根據不同時刻的位置信息，能夠解算出智能手機的運動速度．利用獲取的圖像判斷距離和車道位置信息，利用陀螺儀和加速度計判斷運動狀態，利用定位系統判斷車輛速度和所在路段，這些都是實現主動安全預警系統的基本要素，為基于智能手機開展主動安全系統研發提供了可能．

2 主動安全預警系統設計

2.1 框架設計

當所獲取的行為或狀態參數超過預警閾值時，給出預警信息是主動安全研究的基礎．因此，根據參數獲取和預警功能等模塊間的關聯關系，設計基于智能手機的主動安全預警框架見圖2．

圖2 智能手機主動安全系統框架

手機內部傳感器作為整個系統的硬件部分，在軟件系統初始化完成后會被激活用于數據采集；參數是直接由傳感器提供的各種數據，與參數不同的是，指標項是直接用于判斷安全閾值的數據，不需要再進行轉換，部分參數和指標是一致的，直接用于安全閾值比較；不能直接用于判斷安全狀態的參數會通過轉換成為指標．主動安全應用是系統所實現的功能．

2.2 功能設計

本研究選擇了2種用戶較為廣泛的智能手機主動安全預警軟件作為分析對象，介紹功能設計過程．2種軟件系統的主工作界面見圖3．

圖3 手機平臺主動安全預警系統界面

車速、方位以及車頭時距或間距在2個系統中都能夠實時顯示，車道線邊緣檢測結果通過有顏色的條狀圖形進行顯著標注．除此之外，在進入主界面前，用戶需要進行參數配置．

根據用戶使用系統的步驟，將功能模塊劃分為4大主要部分：（1）初始化．當軟件或系統被用戶開啟后，預警所需的傳感器會被檢測一遍，確保能夠正常工作，當它們未能正確開啟，或被其他設備單獨占用時，給與用戶及時反饋、提示；（2）配置和校正．用戶需要根據系統的安裝位置，進行參數配置，并進行測試．以圖像預警為例，需要配置攝像頭高度以及在車輛中的橫向位置；（3）實時顯示和預警．設備能夠正常工作后，需要將獲取的實時信息在圖像界面中進行顯示，以提醒用戶其目前的工作態，特別是當安全閾值被觸發時，應當通過聲音和圖形的方式進行提醒；（4）數據存儲．在數據實時采集和顯示過程中，將數據存入數據庫文件中，并形成軟件運行日志文件．

3 典型應用分析評價

本研究選擇兩種分別基于Android和iOS平臺的iOnroad和imaGinyze－Augmented Driving軟件，與目前公認的專業主動安全系統Mobileye系統進行了橫向測評，手機分別選取了三星GTI9001和Iphone 4S．軟件安裝完畢后，將其固定在車輛中，其固定位置見圖4．

圖4 測試設備位置布局

通過實車實驗的方式，對這3個系統的功能組成和用于界面布局等指標進行了比較，結果見表1．表明：在正式使用之前，這3個系統都需要進行配置或校正，都具備了車道偏離和前碰撞預警功能，但只有Mobileye提供了行人預警功能，由于不集成GPS信號，不具備超速預警和車速實時顯示功能．

表1 主動安全系統功能比較結果

功能直接比較結果見表1，但Mobileye系統相對于另外2個系統，它與車輛信息之間的聯系更為緊密，預警結果也更加科學，其通過采集CAN總線或模擬信號，讀取車輛的轉向燈、車速、剎車、車前大燈等信息，用于減少誤報率．如當駕駛人受到前方慢車干擾，車距較近時，通過剎車踏板調節距離，開啟轉向燈進行換道操作．Mobileye設備檢測距離后，判斷出駕駛人踩下了剎車踏板，不會給出預警，雖然駕駛人出現了越線行為，但由于開啟了轉向燈，因此不認為是無意識壓線行為，不提示車道偏離．

開展實車道路實驗，對設備精度進行橫向測評，分別進行了10次近距離跟車以及換道操作．選擇最小車頭時距指標作為比較前碰撞精度的依據，車道偏離預警聲音發布與否用于比較車道偏離精度．實驗數據采集結果見圖5（當數據為空時，表明該數據未被采集，即未找到前方目標車輛或未能有效判斷越線行為）．

圖5 系統精度分析比較結果

研究結果表明：iOnroad軟件在前碰撞預警過程中丟失了3個數據，沒有給出預警，imaG－inyze－Augmented Driving丟失了1個前碰撞預警，最小間距與mobileye相比，相關系數分別為68%和85%．10組越線行為的判斷中，iOnroad判斷出了60%，imaGinyze－Augmented Driving判斷出了80%．根據數據分析結果可知，智能手機能夠實現與專業設備相比在主動安全預警方面的功能，但數據精度上存在差距，但這種差距并不顯著，由于涉及到安全問題，因此，這些差距還是在將來有待解決．

4 結束語

本研究通過分析主動安全預警系統的創新平臺－智能手機及其關鍵技術，介紹了手機嵌入式傳感器的功能和作用．通過實車實驗的方法，對手機平臺和專業平臺主動安全系統的功能和精度進行了評測．結果表明：在功能上可以實現專業平臺所實現的預警，但在精度上還存在一定的差距．因此，基于智能手機或其他職能系統平臺的安全駕駛預警系統在技術上是可行的，部分國家或地區正在開發基于智能手機的疲勞、分神等不良駕駛行為識別［6－7］．

［1］公安部交通管理局．中華人民共和國道路交通事故統計資料匯編［G］．無錫：公安部交通管理科學研究所，2011．

［2］周智勇．MEMS傳感器開創汽車主動安全系統的新時代［J］．電子產品世界，2008（2）：37－38，40，42．

［3］Imaginyze－Augmented Driving［EB／OL］．http：／／www．imaginyze．com／Site／Welcome．html．

［4］CHEN Chaojung，WU Bingfei，LIN Wenhsin，et al．Mobile lane departure warning systems［C］／／Digest of Technical Papers－IEEE International Conference on Consumer Electronics．Kyoto，Japan．Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc．2009：90－93．

［5］REN Feixiang，HUANG Jinsheng，JIANG Ruyi，et al．Lane detection on the iPhone［J］．Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences，Social－Informatics and Telecommunications Engineering，2010，30：198－205．

［6］張 迅，趙勝川，楊智偉．公共交通信息服務媒體選擇影響因素研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011，35（4）：679－682，687．

［7］肖獻強，王其東．基于駕駛行為的汽車主動安全技術研究［J］．中國機械工程，2010，19：2390－2393．