基于UM4B0的車載變道輔助系統(tǒng)設(shè)計

田芮玨,馬 浩,曹曉鈺,肖廣兵

(1.南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

車輛在行駛過程中會碰到各類突發(fā)情況。車輛在十字路口變道時，由于司機不能及時對在視覺盲區(qū)突然沖出的行人作出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，會造成車輛和行人碰撞。目前，國內(nèi)外解決這一問題的方法有車載全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定位[1]、安裝反光鏡等[2]。用車載GPS定位查看其他車輛的位置，可在車輛碰撞前及時避讓其他車輛。但是此方法在GPS信號不良時不能精準(zhǔn)地定位車輛的位置，會產(chǎn)生延遲，而且不能查看行人和電瓶車的位置。在車輛右側(cè)人行道的適當(dāng)位置安裝反光鏡，可以讓行人得到車輛移動的信息從而判斷能否通過。但是此方法讓行人變得被動，而且在道路車輛[3]極多的情況下車輛連續(xù)迅速通過，會導(dǎo)致行人沒有辦法通過該路口。

本文設(shè)計的車載變道輔助系統(tǒng)利用GPS系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)[4]和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global Navigation satellite system，GLONASS)[5]等定位系統(tǒng)收集車輛和行人的位置信息，再將得到的信息用算法計算得到兩者的高精度位置信息，使車輛能接收到自身、附近行人和其他車輛的精準(zhǔn)定位信息。車載變道輔助系統(tǒng)成本較低，能較好地解決司機不能及時對在視覺盲區(qū)沖出的行人作出反應(yīng)而造成的交通事故[6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于UM4B0的車載車輛變道輔助系統(tǒng)以UM4B0為核心。首先，通過硬件設(shè)備，收集車輛自身、行人和其他車輛的GPS、BDS、GLONASS等定位信息；然后，將收集的定位信息通過算法進行計算，得到車輛自身、行人和其他車輛的高精度位置；最后，將三者的位置信息同時上傳到該系統(tǒng)并處理成像。司機可以根據(jù)這些圖像，在轉(zhuǎn)彎或變道時提前看到處于視覺盲區(qū)的行人和其他車輛，從而提前減慢速度或直接停車避讓行人，以減少交通事故發(fā)生的概率。

系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計圖

2 硬件電路設(shè)計

基于UM4B0的車載變道輔助系統(tǒng)的硬件有供電模塊、主處理器模塊、高精度定位模塊、三軸傳感器模塊和無線通信模塊。

2.1 供電模塊

基于UM4B0的車載變道輔助系統(tǒng)中：主處理器使用2.0～3.6 V直流電壓；高精度定位模塊使用3.2～3.3 V直流電壓；三軸傳感器模塊使用2.5 V直流電壓；供電模塊以磷酸鐵鋰電池組[7]為電源，穩(wěn)壓芯片配合使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片[8]。AMS1117-3.3輸出3.3 V左右電壓，具有低功耗、面積小、性能穩(wěn)定[9]等優(yōu)點。AMS1117穩(wěn)壓芯片有固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出兩種版本。本設(shè)計應(yīng)用固定電壓輸出的3.3 V版本。AMS1117芯片的溫度適用范圍為-20～+120 ℃，并且芯片略微調(diào)低了基準(zhǔn)電壓的誤差，而且也調(diào)整了電流限制，盡可能削減了因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。

供電模塊如圖2所示。

圖2 供電模塊

2.2 主處理器模塊

基于UM4B0的車載變道輔助系統(tǒng)使用STM32F103微型控制器[10]。STM32F系列是由意法半導(dǎo)體公司出品的32位ARM微控制器，由Cortex-M3作為芯片內(nèi)核[11]。該芯片功耗低，有睡眠、待機和停機三種模式[12]。中央處理器(central processing unit，CPU)的工作頻率最高為72 MHz，有著最大64 KB的靜態(tài)隨機存取存儲器(static random-access memory，SRAM)，以及達8個定位器、9個通信接口和112個快速I/O端口。該控制器性能優(yōu)越，所以在各個領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。主處理器模塊如圖3所示。

圖3 主處理器模塊

2.3 高精度定位模塊

基于UM4B0的車載變道輔助系統(tǒng)使用UM4B0高精度定位模塊獲得高精度的車輛和行人的位置信息。UM4B0是一款4系統(tǒng)11頻點高精度定位模塊，能同時跟蹤GPS、BDS、GLONASS、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[13]等全系統(tǒng)多頻衛(wèi)星信號，并進行多頻點抗干擾處理。UM4B0性能優(yōu)越，也是業(yè)內(nèi)較小的全系統(tǒng)全頻實時差分定位(real-time kinematic，RTK)定位模塊[14]，具有20 Hz高數(shù)據(jù)輸出率，支持串口、1PPS、Event 等多種物理接口[15]。通過算法，UM4B0能實現(xiàn)在森林、隧道、樓宇等GPS信號不強的地方對車輛和行人的高質(zhì)量、高精度定位，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。UM4B0電路如圖4所示。

圖4 UM4B0電路圖

2.4 三軸傳感器模塊

基于UM4B0的車載變道輔助系統(tǒng)使用LIS3DH三軸傳感器模塊監(jiān)測車輛的轉(zhuǎn)彎情況[16]。LIS3DH電路如圖5所示。

圖5 LIS3DH電路圖

LIS3DH內(nèi)置先入先出(first input first output，F(xiàn)IFO)存儲器和高性能加速度傳感器，具有超低功耗、高性能、滿量程的特點[17]，LIS3DH具有數(shù)字I2C/串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)標(biāo)準(zhǔn)輸出[18]。用戶可動態(tài)選擇的完整量程為±2g/±4g/±8g/±16g，能夠用輸出數(shù)據(jù)速率測量1 Hz～5.3 kHz的輸出速率數(shù)據(jù)測量加速度。LIS3DH具有1個數(shù)據(jù)就緒信號(data ready signat,DRDY)。DKDY用于指示一組新測量的加速度數(shù)據(jù)是否是可用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用Visual Basic 6.0開發(fā)設(shè)計，搭建變道輔助界面。軟件主界面如圖6所示。當(dāng)時間為早上6點到下午7點時，用戶進入主界面出現(xiàn)如圖6(a)所示的軟件主界面(白天)；當(dāng)時間為下午7點到早上6點時，用戶進入主界面出現(xiàn)如圖6(b)所示的軟件主界面(夜晚)。

圖6 軟件主界面

這一設(shè)計使用戶在打開軟件時能看到和當(dāng)前環(huán)境相適應(yīng)的界面，以及相應(yīng)功能對應(yīng)的進入按鈕。用戶在進入主界面時，不需要任何操作就能在界面上看到車輛所在的位置和行駛方向，并且不需要任何操作就能自動跳轉(zhuǎn)到變道輔助界面，從而較好地提高用戶的體驗感。

由圖6可知，系統(tǒng)主界面由天氣、設(shè)置、用戶反饋、個性化設(shè)置、下三角按鈕、登錄按鈕、時間框所構(gòu)成，分別實現(xiàn)天氣查看、軟件設(shè)置、用戶反饋、軟件界面?zhèn)€性化設(shè)置、道路規(guī)劃與導(dǎo)航、用戶管理員登錄、時間查看等功能。

開始使用車輛變道輔助系統(tǒng)時，用戶可以再選擇是否開啟變道輔助后進入主界面。該軟件的核心是車輛轉(zhuǎn)彎或變道輔助。高精度定位模塊收集和計算車輛和行人的高精度位置，并將兩者位置傳給車輛，實現(xiàn)基于高精度定位的變道輔助。三軸加速度計可以監(jiān)測車輛轉(zhuǎn)彎或變道狀態(tài)。如果用戶選擇開啟變道輔助并檢測到車輛轉(zhuǎn)彎或變道時，跳出變道輔助界面；如果用戶選擇不開啟變道輔助，則不會跳出變道輔助界面。除變道輔助功能外，系統(tǒng)還設(shè)有道路規(guī)劃、設(shè)置、天氣、用戶反饋以及個性化設(shè)置功能。道路規(guī)劃功能可根據(jù)用戶輸入的目的地進行道路規(guī)劃和導(dǎo)航。用戶反饋界面能讓用戶反饋在軟件內(nèi)遇到的問題，并且上傳相關(guān)資料，從而改善軟件的錯誤和不足之處。天氣界面能讓用戶查看到近一周的天氣狀況、濕度、風(fēng)速和路面濕滑狀況。設(shè)置界面可控制變道輔助功能的開啟或關(guān)閉，并實現(xiàn)路線規(guī)劃的功能。用戶可通過個性化設(shè)置改變軟件的字體和背景顏色。

用戶在打開軟件時，會跳出選擇是否打開變道輔助提示框選項。用戶可以在該界面選擇是否開啟變道輔助功能。用戶作出選擇后，軟件根據(jù)時間出現(xiàn)對應(yīng)軟件主界面。該設(shè)計能夠提高用戶的選擇權(quán)。

如用戶在開啟軟件的時候點擊開啟變道輔助，則當(dāng)檢測到車輛有變道或轉(zhuǎn)彎操作時，軟件會自動彈出打開變道輔助提示框，并出現(xiàn)變道輔助界面。如用戶在開啟軟件的時候點擊不開啟變道輔助，則當(dāng)檢測到車輛有變道或轉(zhuǎn)向操作[19-20]時，軟件不會自動彈出該提示框，且不會出現(xiàn)變道輔助界面。

變道輔助如圖7所示。

圖7 變道輔助

在車輛變道或轉(zhuǎn)變時，屏幕會彈出打開變道輔助提示框后出現(xiàn)變道輔助界面。用戶可以在該界面看到車輛的高精度位置和車輛附近的行人高精度位置。如用戶不能及時通過屏幕看到兩者的高精度位置，則當(dāng)附近車輛或行人距離車輛過近時，軟件會語音播報行人和車輛的位置，使用戶能提前減速或停車，從而避讓其他車輛和行人。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎或變道結(jié)束后，軟件會自動彈出提示并跳回主界面或進入變道輔助前的其他功能界面。

當(dāng)軟件在變道輔助界面檢測到車輛結(jié)束變道或轉(zhuǎn)彎操作時，首先系統(tǒng)會自動跳出關(guān)閉變道輔助提示框，提示用戶車輛轉(zhuǎn)彎或變道已經(jīng)結(jié)束；然后系統(tǒng)會自動退出變道輔助界面并且返回進入變道輔助前的其他界面。

軟件設(shè)置了天氣界面。用戶可以在該界面直觀地看到車輛所在地近5天的天氣狀況。管理員可以在該界面點擊其他天氣按鈕查看所在地當(dāng)天的其他天氣情況，包括濕度、風(fēng)速和路面濕滑程度。天氣界面的設(shè)置可以讓用戶知道所在地的具體天氣狀況，從而對雨天、霧天或其他天氣作出應(yīng)對準(zhǔn)備。

軟件也提供路線規(guī)劃服務(wù)。用戶可以通過點擊主界面的下三角按鈕選擇手動輸入或者語音輸入目的地，隨后軟件為用戶規(guī)劃最優(yōu)路線。當(dāng)規(guī)劃為最優(yōu)路線后自動跳轉(zhuǎn)到導(dǎo)航界面導(dǎo)航，用戶可以跟隨導(dǎo)航行駛到目的地。

4 結(jié)論

本文以UM4B0高精度定位模塊為核心，設(shè)計車載變道輔助系統(tǒng)。車載變道輔助系統(tǒng)利用高精度定位模塊UM4B0和其他硬件收集車輛和行人的定位信息，將得到的信息通過算法計算出車輛和行人的高精度定位位置。車載變道輔助系統(tǒng)在監(jiān)測到車輛在轉(zhuǎn)彎或變道時，在車載屏幕上顯示兩者位置。車載變道輔助系統(tǒng)可以有效解決司機在GPS信號不好的區(qū)域不能及時發(fā)現(xiàn)視覺盲區(qū)的行人的問題，讓司機在轉(zhuǎn)彎或變道時能及時發(fā)現(xiàn)視覺盲區(qū)的行人以提前減速或停車避讓，從而減少車輛碰撞發(fā)生的概率。