基于多傳感器的車輛盲區(qū)探測系統(tǒng)研究

李陽，黃庭旭，何鵬飛

（1.廣西職業(yè)師范學(xué)院，計算機與信息工程學(xué)院，南寧530007；2.廣西職業(yè)師范學(xué)院，旅游與公共管理學(xué)院，南寧530007）

0 引言

車輛盲區(qū)檢測是利用現(xiàn)代化科技技術(shù)達(dá)到軟件硬件融合行程的視覺監(jiān)控間接監(jiān)控手段。車輛固定盲區(qū)范圍大，以及駕駛員的駕駛空間固定化，導(dǎo)致盲區(qū)危險信息可視化不足，而當(dāng)前對車內(nèi)外障礙物排查所需的精準(zhǔn)定位和危險預(yù)警等手段有限，無法在駕駛過程中實行全透明監(jiān)控，導(dǎo)致許多潛在的交通風(fēng)險被忽視，構(gòu)成交通事故的危險源。在國外，車輛盲區(qū)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)有不少成熟的系統(tǒng)投入應(yīng)用，如瑞士沃爾沃公司研發(fā)的盲點信息系統(tǒng)，通過左右后視鏡的攝像頭進(jìn)行盲區(qū)的探測工作，精密的攝像設(shè)備能夠探測10 m×3 m的范圍，極大縮小了車輛盲區(qū)范圍，擴大駕駛員可視范圍。日本馬自達(dá)公司同樣提升了盲區(qū)探測技術(shù)，并做到了緊急危險處理功能，如應(yīng)急剎車、應(yīng)急防護(hù)帶彈出等。而我國在盲區(qū)探測技術(shù)研究領(lǐng)域的探索有限，應(yīng)用在實際車輛的盲區(qū)探測技術(shù)大多集中于攝像機監(jiān)控與高性能車載計算機結(jié)合的盲區(qū)探測技術(shù)，該技術(shù)僅能保證排除盲區(qū)范圍內(nèi)一定系數(shù)的危險和精準(zhǔn)掃描預(yù)警功能，不能滿足駕駛員對盲區(qū)探測的功能要求。本文提出了一種基于多傳感器的車輛盲區(qū)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠為車輛盲區(qū)探測系統(tǒng)研究領(lǐng)域向深度和廣度方向挖掘，將多傳感器與車載計算機結(jié)合，填補車輛盲區(qū)探測系統(tǒng)對功能的需求，有效地排查風(fēng)險，精準(zhǔn)掃描盲點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 車輛盲區(qū)分析

車輛盲區(qū)通常指駕駛員不可直接視覺探測的區(qū)域，主要分布在車輛引擎蓋前、駕駛員后方、AB柱盲區(qū)以及其他盲區(qū)組成。

車輛引擎蓋前盲區(qū)：車輛行駛過程中，駕駛員通過前置玻璃的可視范圍大約在車輛前3米以外，3米以內(nèi)就形成了駕駛員的視覺盲區(qū)。由于不同車輛款型和駕駛室空間設(shè)計的差異，導(dǎo)致了不同車輛的前盲區(qū)可視范圍不同，且由于我國駕駛規(guī)定左舵式，因此前盲區(qū)左端可視范圍大于右端盲區(qū)。

駕駛員后方：駕駛員后盲區(qū)被稱為車輛后盲區(qū)。后盲區(qū)分為兩種情況，第一是后視鏡盲區(qū)，在車輛兩側(cè)車門外側(cè)約30°角范圍可視為后視鏡盲區(qū)范圍；第二是車尾部分，與車輛前盲區(qū)原理相同，車尾到地面的空間存在著無法視查區(qū)域，是車輛固有的盲區(qū)。這兩類后盲區(qū)的可視范圍低，存在許多安全隱患，如車輛倒車、低光線行駛和后方強光照射等原因都極大可能造成交通安全事故。

AB柱盲區(qū)：AB柱盲區(qū)分別布局于車輛左右兩端，兩端可視區(qū)域以左右兩邊的車輛擋風(fēng)玻璃為主，但對于駕駛員而言，AB柱盲區(qū)的可視范圍過于個人化，不同的車身設(shè)計導(dǎo)致的擋風(fēng)玻璃大小和視覺傳達(dá)折射視線、后視鏡大小差異和前后位移偏差以及駕駛室放置不同，都對駕駛員進(jìn)行駕駛時車輛周圍環(huán)境的監(jiān)控和道路障礙信息排除造成了不利影響。

其他盲區(qū)：除了以上3個覆蓋車身和駕駛過程的大區(qū)域盲區(qū)外，駕駛員對于其他遮蓋視線的障礙物的把控也會縮小可視范圍，構(gòu)成交通安全隱患，如駕駛員私自安裝的擺件與掛件、車輛噴漆的高飽和反光、不良天氣導(dǎo)致的雨刷遮礙和玻璃起霧等因素。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

多傳感器集成系統(tǒng)是由探測硬件和嵌入式軟件構(gòu)成，實現(xiàn)對盲區(qū)實時信息采集、信息傳輸、信息分析、危險報警等功能，達(dá)到車輛盲區(qū)探測的最佳效果，減少交通事故。系統(tǒng)整體架構(gòu)包括傳感器層、車載處理層、報警層3個部分，如圖1所示。

圖1 多傳感器系統(tǒng)架構(gòu)

傳感器層由超聲波傳感器、紅外線傳感器和視覺傳感器共同組成；超聲波傳感器包括超聲波測距模塊和收發(fā)分離式防水探頭，通過電信號傳輸使超聲波測距模塊與收發(fā)分離時探頭有效對接，向單片機輸送有效數(shù)據(jù)，實現(xiàn)超聲波測距等功能；紅外線傳感器包括感應(yīng)透鏡和探頭，針對人體發(fā)出的特殊波，實現(xiàn)將人體發(fā)出的紅外輻射轉(zhuǎn)化成可測量的電信號功能；視覺傳感器主要有CCD攝像機，將車輛盲區(qū)環(huán)境圖像信息傳輸至圖像顯示器，實現(xiàn)盲區(qū)實時圖像信息采集功能。

車載處理層包括單片機、車載計算機、集成電板、NVIDIA Jetson TX-2處理器和圖像顯示器，車載處理層主要將多傳感器采集到的實時路況信息轉(zhuǎn)化為電信號從而向報警層傳送有效信息。例如單片機將超聲波測距模塊檢測到的障礙物信號通過CAN總線發(fā)送給儀表盤；NVIDIA Jetson TX-2處理器將實時路況信息數(shù)據(jù)傳輸至圖像顯示器，為駕駛員形成視覺信息等。

警報層包括警示燈警報、語音警報、顯示器警報和蜂鳴警報，通過視覺和聽覺提醒駕駛員注意潛在危險。警示燈設(shè)置于儀表盤，以明閃形式提示駕駛員盲區(qū)有障礙物；語音警報在顯示器有“車輛盲區(qū)有障礙物”等文字提示的同時，進(jìn)行語音警報，避免駕駛員因忽略顯示屏信息而出現(xiàn)交通事故；蜂鳴警報則在語音警報1分鐘后仍未遠(yuǎn)離障礙物情況下持續(xù)蜂鳴，直至駕駛員將車輛駛離安全區(qū)域。

2 多傳感器集成設(shè)計

2.1 多傳感器選用

該系統(tǒng)集成設(shè)計選用超聲波傳感器、紅外線傳感器和視覺傳感器。

超聲波傳感器采用的超聲波測距模塊，與多個收發(fā)分離式防水探頭配合工作，測量范圍為可達(dá)0.15~4.5米；同時采用降噪技術(shù)，使信號受到干擾時仍保持正常工作；待機時耗電量低。使用收發(fā)分離方式還具有兩個優(yōu)勢：不混疊收發(fā)信號和超聲波反射時不易受干擾，因此接收探頭所接收到的都是反射信號；將接收探頭放置在合適位置，可有效實現(xiàn)提高探測裝置的可靠性。單片機控制超聲波測距模塊，將檢測到的障礙物信息迅速發(fā)送給單片機，再由單片機通過CAN總線發(fā)送給車輛儀表盤[3]。

紅外線傳感器選型首要考究探頭的特性，將探測人體紅外線輻射作為檢測人體時探頭探測標(biāo)準(zhǔn)。基于紅外線技術(shù)的控制模塊，選用默認(rèn)直徑23 mm感應(yīng)透鏡的探頭，其工作電壓為DC4.5~20V，待機功耗達(dá)到最低值，探測可延時長可達(dá)8~200秒，能受工作溫度極差大，可迅速感應(yīng)并鎖定探測點周圍120°錐角環(huán)境內(nèi)目標(biāo)障礙物，針對人體發(fā)出的特定波長紅外線做出響應(yīng)的工作原理，將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)化成可測量的電信號，向顯示模塊和報警模塊傳輸數(shù)據(jù)，達(dá)到警報效果[4-5]。

視覺傳感器主要選用CCD攝像機，有1/3"CMOS的成像器件信號系統(tǒng)PAL/NTSC，不易受外界干擾產(chǎn)生震動圖像信息模糊狀況；濾光片切換由外部觸發(fā)，視頻輸出1.0VP-P75Ω BNC；白平衡、電子快門和曝光模式皆為自動模式。同時具有全新的數(shù)字曝光功能，在不同光線和對比度比較強烈的情況下能獲得很好的圖像效果。CCD攝像機結(jié)合NVIDIA Jetson TX-2處理器將實時路況信息數(shù)據(jù)傳輸至圖像顯示器，形成視覺傳感器。視覺傳感器再與蜂鳴器、車載電源共同實現(xiàn)視覺傳感報警功能[5]。

2.2 多傳感器集成

系統(tǒng)將超聲波傳感器設(shè)為單獨的模塊，采取焊接的安裝方式進(jìn)行集成，測距模塊利用分離式探頭將采集到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C中，即可排除超聲波高密度工作中不穩(wěn)定的隱患。紅外線系統(tǒng)則利用兩款不同的紅外線探頭相結(jié)合，在車輛兩端盲區(qū)范圍內(nèi)開展實時監(jiān)控，檢測到的信息通過車載計算機分析后顯示在車輛顯示屏中，形成兩塊不同的顯示窗口，分為顯示模塊1和顯示模塊2，用于實時探測兩端障礙物信息。顯示屏則采用TFT彩色觸摸液晶屏來完成顯示工作，視覺監(jiān)控則采用CCD攝像機來完成，匹配語言芯片，能夠有效地實現(xiàn)語音播報與成像顯示的結(jié)合，兩類傳感器都是通過焊接方式進(jìn)行安裝，通過接口與車載計算機進(jìn)行連接和工作。蜂鳴報警功能中的語言播放功能由車載傳感器連接和操控喇叭，喇叭采用XH接口，通過電路板連接。多傳感器集成如圖2所示。

圖2 多傳感器集成

2.3 多傳感器布局

以普通小汽車為例，車輛盲區(qū)主要分布于車輛引擎蓋前、駕駛員后方、AB柱盲區(qū)以及其他盲區(qū)共4個位置方向，所以需要4個探測點。可分別于車輛前保險杠及車身左、右側(cè)端部和車輛左、右后尾燈內(nèi)側(cè)設(shè)探測裝置。前兩個探測點探測來自車輛擋風(fēng)玻璃邊框遮擋產(chǎn)生的視覺盲區(qū)；而車輛后尾燈內(nèi)側(cè)的探測點則探測車輛側(cè)后方區(qū)域，此為駕駛員從車身左、右兩個外后視鏡難以觀察到的側(cè)后方視覺盲區(qū)。由于不同駕駛員的個人身形條件差異，各個探測點均設(shè)有角度和位置的手動調(diào)整功能，以適應(yīng)不同駕駛員體型和車輛座椅。多傳感器布局如圖3所示。

圖3 多傳感器布局（車輛俯視圖）

3 數(shù)據(jù)融合算法

可將多傳感器在信息采集、信息傳輸、響應(yīng)終端的3個步驟視作一個周期，分別對應(yīng)不同的傳感器對不同盲區(qū)的工作。多傳感器由于存在不同工作模塊，安裝分布于車身不同部位，但在信號運輸過程中極易出現(xiàn)傳輸線占用率高，發(fā)生信息擁堵。因此改用并行通訊傳輸方式，該方式可使得多路線信號傳輸至系統(tǒng)內(nèi)時信息傳輸順暢有序，解決信息傳輸過程中存在的擁堵問題，實現(xiàn)多條數(shù)據(jù)同步傳輸。

數(shù)據(jù)融合算法需要分別從多傳感器數(shù)據(jù)采集、信號傳輸至顯示模塊以及決策報警模塊3個層級實現(xiàn)融合[4]。將多傳感器實時采集的行人、障礙物距離等實時路況數(shù)據(jù)列為P1,P2,…,Pn，首先設(shè)置數(shù)據(jù)融合的條件為傳感數(shù)據(jù)之間的相對距離：

根據(jù)公式（1）計算，若計算結(jié)果大于預(yù)設(shè)值，則兩端數(shù)據(jù)可相互融合，相反，則另取數(shù)據(jù)計算融合。若數(shù)據(jù)采取閾值相同，則用公式（2）進(jìn)行處理融合：

根據(jù)公式（2）可知，表示第n個自身權(quán)系數(shù)，該參數(shù)參考方程為：

其中表示傳感器數(shù)據(jù)對應(yīng)的模塊向量，而將公式（2）與公式（3）合并使用，即可得出多傳感器數(shù)據(jù)融合結(jié)果[6]。

4 系統(tǒng)測試分析

采用單一的傳感器與多傳感器融合進(jìn)行對比測試，在車輛上單獨安裝超聲波傳感器、紅外線傳感器與視覺傳感器，分別進(jìn)行盲區(qū)探測，再將三類傳感器按照上述方式進(jìn)行集成和數(shù)據(jù)融合處理。將檢測對象樣本數(shù)量設(shè)為5000，并通過計算得出各傳感器的平均檢出時間和檢出正確精準(zhǔn)度，如圖4和圖5所示。

圖4 傳感器平均檢出時間對比

圖5 傳感器檢測精度對比

由圖4和圖5可知，相較于單一的傳感器的盲區(qū)探測而言，結(jié)合多個傳感器進(jìn)行的盲區(qū)探測技術(shù)顯而易見更具有優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為精準(zhǔn)度更高、檢測時間更快、安全系數(shù)更高、可操作空間更大等。且隨著車輛科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，會有更多傳感器系統(tǒng)加入車輛盲區(qū)探測領(lǐng)域中來，不斷融合與完善車輛駕駛安全技術(shù)，同時車輛安全問題也將推動傳感器技術(shù)的發(fā)展，使多傳感器的盲區(qū)探測系統(tǒng)發(fā)展更深入。

5 結(jié)語

多傳感器的盲區(qū)探測作用在于提高駕駛?cè)藛T的駕駛安全和車輛的道路安全，對造成交通威脅的危害源進(jìn)行合理排查。其中，基于多傳感器的車輛盲區(qū)探測技術(shù)是利用不同盲區(qū)的多傳感器分布與高性能的車載計算機結(jié)合在一起的探測技術(shù)，在構(gòu)建基于多傳感器的盲區(qū)探測結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，選用了超聲波傳感器、紅外線傳感器和視覺傳感器3種不同的傳感器進(jìn)行同時探測和數(shù)據(jù)融合，設(shè)計了多傳感器集成模式，優(yōu)化了數(shù)據(jù)融合算法。系統(tǒng)測試后的數(shù)據(jù)表明，相對單一傳感器而言，多傳感器集成應(yīng)用的優(yōu)勢明顯，能夠較好探測出車輛盲區(qū)的潛在危險。