車輛防剮蹭預警系統的應用＊

廣東警官學院 陳墉禧 黃沐杰 吳宇帆 曾偉棋 鄭淙允

隨著國內外道路車輛增加，停泊車輛剮蹭事故的發生頻率增高，對此類事故的警力資源分配也相應增加。但因車輛攝像記錄的儀器和城市道路監控的不完善，停泊的車輛在拍攝盲點或監控錄像模糊的地帶發生剮蹭事故后，警方和車主難以通過監控錄像來提供事發時間與地點。為突破此類案件難點，本團隊研發的車輛防剮蹭預警系統針對剮蹭事故數據記錄的完善度與精確度，結合信息技術，超聲波測距技術與360°車載環視監控技術，協助警方與車主及時處理車輛刮蹭事故，有利于警力資源的節省和合理分配，同時對國內外的汽車附屬品發展方向有一定參考意義。

我國道路交通事故總量一直呈上升趨勢，從2008 年的176 萬起一直增加到2018 年的1026 萬起，根據其演變的趨勢，可預知到2020 年將在1026 萬起的基礎上進一步增大。伴隨著人民生活質量的提高，國家的汽車保有量逐年上漲，道路交通安全事故的總量也會隨之升高。

近年來，配置行車記錄儀與車載攝像頭的車輛數目大幅上升，城市道路上的路攝范圍不斷擴大，這使得車輛狀態的相關數據記錄逐步完善，這些對車輛狀態的監測方法讓交警在調查案件時可依據數據增多，為交警處理案件提供了數據保證。

1 系統工作基理

1.1 系統模塊組成

該系統由超聲波測距模塊、監控系統控制模塊、全景攝像模塊以及車輛數據記錄模塊共4 個模塊組成，并采用簡單的IF 算法將監控系統控制模塊與超聲波測距模塊、全景攝像模塊和車輛數據記錄模塊分別連接起來，4個模塊呈一條單線系統進行運作。全系統能夠統一在車輛上進行安裝。

1.1.1 超聲波測距模塊工作原理簡析

超聲波測距模塊由覆蓋全車車身的超聲波測距技術來進行對車外物體與車身之間距離的測量。收集超聲波傳播的時間數據，再利用超聲波在介質中的傳播速度計算出超聲波的傳播距離。

此類技術只需利用51 單片機及HC-SR04 超聲波測距模塊[1]即可測出目標距離。HC-SR04 超聲波測距模塊內配置了超聲波的發射器與接收器，計時器使用自適應濾波器通過LMS 自適應時延估計算法計時。超聲波發射器發射一組高頻聲波，計時器同步計時，當聲波在傳播途中遇到物體后會被反彈，返回的聲波再由超聲波接收器進行接收，計時器停止計時，利用聲波的傳播速度與計時器得到的時間數據計算可以得到所測距離。

1.1.2 360°車載環視監控模塊工作原理簡析

全景攝像頭由4 組魚眼攝像頭組成，對不同方位的近距離車外現時狀況進行監控，將這4 個攝像頭獲取的圖像通過圖像拼接技術進行拼接，可對車輛周圍的現實狀況進行360°的全景重建，直接得到車外近距離無盲區無死角的全景鳥瞰圖，以此來克服傳統監視裝置中存在視野盲區的問題，且圖像拼接的計算速度大大提高[2]。

1.1.3 車輛數據記錄模塊工作原理簡析

行車記錄儀在保障原有功能的同時，加入實時采集車輛的時間信息、位置信息與圖片信息，進行交通行駛相關的數據處理，并上傳至儲存云中心的功能。上傳的剮蹭事故發生可能的時間信息、位置信息與圖片信息也能夠另外儲存，以便提供給交警進行調查處理。

1.2 整體系統工作原理簡析

當超聲波測距模塊測出兩者距離小于某一個可能發生剮蹭事故的距離的時候，監控系統控制模塊會下達指令讓GPS 系統與時間計時器將事發時的車輛的地理位置信息反饋給行車記錄儀中的信息儲存模塊，由信息儲存模塊快速精準地記錄下事發的地理位置信息與時間信息，待交警接到該車輛的剮蹭案件報案后，可直接調查車內行車記錄儀記錄的剮蹭事故發生可能的時間信息、位置信息，并依據記錄的信息調用剮蹭事故發生地最近的街道攝像頭或路面攝像頭在剮蹭事故發生可能的時間的畫面進行調查，從而極大地縮小交警的調查范圍，加快交警的辦案速度。

在超聲波測距模塊檢測到車外物體與車身的距離過小時，監控系統控制模塊也可下達指令觸發全景攝像頭運行，記錄車輛外部的實時影像，行車記錄儀會將拍攝的視頻文件儲存入云中心中。使得在無監控攝像頭路段的情況下交警也可根據車主提供的全景攝像頭的錄像可直接確認肇事人身份。

2 超聲波測距技術相關理論

2.1 超聲波測距技術的工作原理

超聲波測距原理是利用聲波與障礙物剮蹭后會發生反射的特性，通過測量聲波在兩個物體間來回運動所需的時間，再利用聲波在空氣介質中的已知音速，通過公式S=1/2vt 即可得出所需測量的距離結果。v 為空氣中聲波的傳播速度，v=340m/s；t 為聲波在空氣介質中來回傳播運動所需的時間。

2.2 超聲波測距模塊的總體架構

2.2.1 超聲波測距模塊的組成

超聲波測距系統主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波發射模塊和接收模塊是由工作性能穩定，操作簡易方便且性價比極高的單片機控制系統51 系列AT89C51 單片機和測距范圍廣，精度高且具有測距精度能達到3mm 的非接觸式距離感測功能的HC-SR04 超聲波測距模塊[3]共同組成。顯示模塊采用的是LCD1602，該系統的數據處理技術較前衛，處理出的數據可靠性與準確性較高且操作簡易，除此之外，該系統會自主過濾出實時有用的數據且會在第一時間反饋到顯示器上，車主可以非常直觀地看到各項相關的實時數據。

2.2.2 超聲波測距模塊的電路設計

單片機和關鍵子模塊路是超聲波測距系統的硬件部分，在硬件電路中，每個模塊獨立工作，其中傳感器的驅動電路可放大低壓脈沖信號，而后作用于超聲波換能器，換能器利用低壓脈沖信號將電能轉化為聲能，從而實現超聲波的發射[4]。當超聲波與物體剮蹭后產生的反射波經過換能器時，聲能再次轉換為電能，成為電壓信號，此時便完成了超聲波的發射及接收工作。回波信號處理電路的作用是對超聲波剮蹭后產生的反射波進行處理，增強反射波中信號微弱的部分，隨后利用濾波器對聲波進行降干擾降噪處理，從而獲取準確的聲波傳播運動的時間，最后再利用已知音速和時間完成對距離數據的精準測量。在其余模塊中，信號檢測模塊用于判斷數據傳輸的電平高低；偏置電路則提供偏置電流給系統內部電路；而電源模塊將模擬電源電路和數字電路，且充當變壓器為內部系統各個電路模塊輸出適合的電壓并提供電流。測距模塊開始工作時，在外部電源供電的前提下，可利用電路中的電源模塊為其他模塊提供穩定的電壓和電流從而維持正常的工作狀態，其中輸出的電壓為3.3V。此時，系統將會接收到來自單片機發送的指令，信號檢測模塊在接收指令前就已經開始檢測電路并確定高低電平的工作。

2.3 超聲波測距數據輸出相關算法

超聲波測距技術利用的是由Pellam 和Galt 提出的脈沖回波法[5]，原理為超聲波發射器發射超聲波，并由超聲波接收器接收經物體剮蹭反射回來的超聲波，測量記錄這一過程的時間，按照算法公式即可測出相應距離，因為聲音在空氣介質中的速度已確定，提高記錄發射和過程的時間精度則是關鍵問題，為提高時間測量時的精度和準度，本團隊采用了LMS 自適應時延估計法。LMS自適應時延估計法能很好提高時間測量精度，需要與自適應濾波器搭配共同使用，而自適應濾波器是一種能夠進行自我調節的特殊濾波器，不需要根據輸入信號和噪聲的統計特性而后人為調整參數，濾波器系統本身就能根據自身的工作環境自行進行估計并調節，與其他濾波器相比自適應濾波器更為方便快捷，只需要加一延時在接收信號前，并通過調整延時便可使得經過LMS 算法的信號與預測的信號之間的誤差達到最小。

3 GPS 定位系統與時間記錄系統模塊

3.1 GPS 信號源檢測模型

當超聲波測距模塊測出兩者距離小于預設距離數值，監控系統控制模塊會下達指令讓GPS 系統與時間計時器將事發時的車輛的地理位置信息反饋給行車記錄儀中的信息儲存模塊，由信息儲存模塊快速精準地記錄下事發的地理位置信息與時間信息。傳統汽車GPS 信號源檢測技術會因汽車GPS 信號中存在的噪聲過大而對準確定位造成干擾。

GPS 定位技術可以消除傳統定位方法的缺點，如對GPS 信號中噪聲的消除能力較弱，導致車輛定位的精度和實時性不能滿足要求。為了避免GPS 信號在長距離傳輸過程中的弱化和失真，GPS 定位系統采用了信號噪聲抑制算法來消除噪聲[6]。該系統參與信號抑制跟蹤定位，修改車載GPS 信號殘差特性的系統計算結果，構造車載GPS 噪聲子帶DEMON 譜來傳遞GPS 信號信息和信號差分。就像是把汽車GPS 信號點當做原始點，汽車GPS 信號點發出信號比擬作各個方向的射線，同時伴隨噪聲的抑制方法，優化完善信息，最終接收所有融合射線，實現對汽車GPS 信號的定位與判斷。

3.2 基于物聯網的汽車GPS 定位防盜系統設計

本設計以物聯網技術為核心的車輛防盜系統，結合矢量化地理信息系統軟件平臺，通過二者的有機結合，實現對停放車輛的全天候監控，并在發生事故時提供及時報警。GPS 衛星定位技術的基本原理是衛星連續發射星歷參數和時間信息，業主接收并計算出接收機的3 個位置、3 個方向、運動速度和時間信息。基于5G 發展，可以將GPS 與此結合，進行全球范圍對汽車進行監控，使車主能夠及時對車輛狀態清楚了解。同時利用物聯網安防技術，把物聯網產品與安防產品聯系起來，從而對車輛進行保護防盜。本研究是基于物聯網DSP 芯片、GPS 模塊、物聯網5G 無線通信模塊以及必要的輔助電路，從而實現監控車輛定位防盜系統的結構框圖的構建。基于此系統設計，車主離開車輛時，各種信息，例如位置、時間，甚至構建出剮蹭地點的3D 視圖都能通過5G 無線通訊發送到車主手機。不僅立即將信息發給車主，還將有效信息及時提供給警方，構建警民交流平臺，減低破案時間成本。

4 行車記錄儀對交通數據的管理應用

4.1 行車記錄儀系統的改進

基于Android 操作系統，在前端加入截屏程序并安裝4G卡，從而對獲得事故發生時的圖片，GPS 經緯度，點速度等數據進行記錄與分析，進一步上傳至云中心，此控制系統可以統籌超聲波測距、全景攝像頭記錄、GPS 定位、與車主建立信息聯系、行車記錄儀記載等方面，并在事故發生后及時發送相關信息告知車主。在日常行駛過程中，實現實時去霧處理和對道路狀況實時記錄，精準識別道路目標，并在傳輸信息后處理實現路徑可視化。行車記錄儀系統改進后，既把通信傳輸和車載前端的運算成本大大降低，又可以通過傳輸圖片時的間隔差異以及其他結構化數據集中傳輸到云中心進行分析。實現運輸成本的降低，也就解決了視頻內存過大超過SD 卡容量視頻會自動覆蓋的問題。

4.2 行車記錄儀解析經緯度與道路匹配逆地址

改良后的行車記錄儀記錄的經緯度上傳至數據庫，采用開源ETL 工具PivotDateETL 獲得儲存起來的經緯度，利用百度地圖APL-Geocoder，轉化為道路信息，最后將道路字段信息轉化為JSON 格式，將得到的信息錄入數據庫表面的相應字段[7]。

通過此操作把行車記錄儀的GPS 經緯度轉化為具體道路位置，與實際的道路路徑相匹配，是實現路徑可視化以及記錄事故發生位置的基本條件。

4.3 行車記錄儀對數據缺失與異常處理

對于行車記錄儀對數據記錄的缺失和異常的判斷與處理，結合瞬時車速和經緯度之差數據來進行篩查。根據瞬時車速是否為0 或過大超出常規車速限度來進行數據剔除，以此排除在車輛或者行車記錄儀的啟動時刻未能及時收到GPS 信號時所記錄的無效數據；同時根據經緯度之差是否大于某個容忍值，或是否為零來確定該情況是否發生在行駛的起點來決定是否需要將該信息數據進行刪除。

5 結論與展望

本項目的研究對于防止社會資源浪費、節省警力都有較大幫助。車輛剮蹭預警和信息記錄系統對國內外的汽車附屬品發展方向有一定的參考意義。在未來的計劃中，本團隊可能會對此項目相關數據測量的精準度、預警的及時性及與用戶的交互性做出進一步研究。除了研究性能之外，本團隊還將會對整個系統的性價比、各板塊連接的適配性及流水線工程的步驟進行研究，力求以高性價比的名號打開市場，讓車輛剮蹭預警和信息記錄系統裝置走入百姓家，從而達到最大限度地減少資源浪費的目的。

引用

[1] 郝玉楠,紀昕洋,馬晴.基于超聲波測距技術的車輛防剮蹭預警系統的設計[J].電子測試,2018(12):33+32.

[2] 張聰.基于魚眼鏡頭的車載全景環視系統[D].杭州:浙江大學,2015.

[3] 鄺愛華,李平.基于單片機的超聲波測距系統設計[J].中國新通信,2015,17(15):104-105.

[4] 孫宇鳳.基于超聲波傳感器測距系統關鍵技術的研究[D].西安:西安電子科技大學,2019.

[5] 高龍.高精度超聲波單探頭測距與多探頭定位技術的研究[D].沈陽:東北大學,2015.

[6] 張宇波,成麗君.基于信號抑制追蹤定位的汽車GPS信號源檢測[J].計算機仿真,2015,32(3):206-209.

[7] 保麗霞.行車記錄儀改進及其交通數據分析方法研究[J].中國市政工程,2019(5):75-76+80+110-111.