摘要：針對目前市面上的人-車碰撞預警系統(tǒng)大多采取單向預警措施，即行人端不能提前接收到預警信息進而容易引起交通事故的問題，本文設計了一種基于車聯(lián)網(wǎng)的人-車碰撞雙向預警系統(tǒng).該系統(tǒng)由車載客戶端、行人客戶端、云服務器、控制管理界面四部分組成.車載客戶端與行人客戶端主要負責將GPS坐標以及車輛的行駛信息通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)皆品掌?，接受云服務器轉發(fā)的相關信息，并根據(jù)所設計碰撞預警算法計算預警信息.同時，為了便于整個系統(tǒng)的后臺管理，還設計了包括更新數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、繪制軌跡等功能的控制管理界面.最后對所設計的系統(tǒng)進行了調試及測試，驗證了該人-車碰撞預警系統(tǒng)具有車輛、行人雙向預警功能，可以讓行人提前獲知可能存在的危險并實施預防措施，大大降低人-車碰撞交通事故的發(fā)生率.
關鍵詞：車聯(lián)網(wǎng);人-車碰撞預警系統(tǒng);汽車主動安全;碰撞預警
由于汽車碰撞預警系統(tǒng)對提高汽車安全性有著重大意義，因此對該系統(tǒng)的研究一直是國內外研究的熱點之一.世界各大汽車生產(chǎn)相關企業(yè)都針對碰撞預警系統(tǒng)做了大量的研究.如奔馳的PRE-SAFEBrake系統(tǒng)使用毫米波雷達對碰撞進行檢測，利用毫米波雷達檢測車輛前方障礙物的位置[1].
當檢測到可能有碰撞事故發(fā)生時，系統(tǒng)觸發(fā)相關功能避免碰撞事故發(fā)生.菲亞特的CBC系統(tǒng)使用激光雷達對碰撞進行檢測.系統(tǒng)正常工作設定的車速范圍為5～30km/h，當檢測出有碰撞發(fā)生的可能性時，系統(tǒng)控制預警及制動系統(tǒng)啟動以實現(xiàn)防碰撞功能.綜合分析現(xiàn)有人-車碰撞預警系統(tǒng)可知，其大多采用車輛單向的預警方式，且預警的功能比較單一.預警系統(tǒng)大多基于激光雷達、毫米波雷達、超聲波、攝像頭等傳統(tǒng)的測距傳感器，成本較高.基于此，本文針對基于車聯(lián)網(wǎng)的人-車碰撞預警系統(tǒng)進行研究，設計了具有雙向預警功能的人-車防碰撞系統(tǒng).
1系統(tǒng)總體結構
為了降低人車碰撞交通事故發(fā)生的概率，本文提出一種具備雙向預警功能、基于車聯(lián)網(wǎng)的人-車碰撞預警系統(tǒng).通過對系統(tǒng)的雙向預警方式的分析[2]，制定出該系統(tǒng)的總體架構.
系統(tǒng)包括車載客戶端、行人客戶端、服務器端和控制管理界面四個部分.其中，行人終端主要由主控制器、GPS模塊、蜂鳴器組成.其主控制器通過GPS模塊采集行人的位置信息，再將該位置信息與從服務器接收到的數(shù)據(jù)進行解析處理，并根據(jù)處理結果控制蜂鳴器發(fā)出預警信號.車載終端設備主要由主控制器、GPS模塊、蜂鳴器、CAN模塊組成.
車輛端主控制器通過GPS模塊和CAN模塊分別采集車輛位置和實時車速等信息，然后發(fā)送到云服務器處理，并根據(jù)處理結果控制蜂鳴器發(fā)出預警信號.服務器端則主要負責數(shù)據(jù)的中轉收發(fā).為了便于管理員監(jiān)控系統(tǒng)的實時運作狀態(tài)，本文還設計了一個便于操控的PC端控制管理界面.該界面能夠實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)異常，并更新、記錄數(shù)據(jù).
1.1車載終端設計
車載終端設備由樹莓派3B主控制器、GPS模塊、CAN模塊、蜂鳴器模塊組成.GPS模塊通過串行端口(GPIO15RXD)發(fā)送數(shù)據(jù)到主控制器.而CAN模塊則通過SPI引腳(MOSI和MISO)、片選引腳(CS)和中斷引腳(INT)與CAN模塊連接，實現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)交互.主控制器通過通用輸入輸出引腳(GIPO23)連接蜂鳴器模塊，實現(xiàn)對蜂鳴器的控制.
1.2行人終端設計
行人的終端設備主要由樹莓派3B主控制器、GPS模塊、蜂鳴器模塊組成.主控制器分別為GPS模塊和蜂鳴器模塊提供5V和3.3V供電.GPS模塊通過串行端口(GPIO15RXD)發(fā)送數(shù)據(jù)到主控制器，主控制器上的通用輸入輸出引腳(GIPO23)連接到蜂鳴器模塊，實現(xiàn)對蜂鳴器的控制.
1.3通信架構設計
本文所提出的系統(tǒng)設計核心就是行人、車輛、云服務器三端的通信.選用無線網(wǎng)絡通信的方式來實現(xiàn)終端設備之間的信息交互.其中，云服務器作為服務器端，行人、車輛、控制管理界面等終端設備作為客戶端，通過編程實現(xiàn)客戶端向服務器端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務器端將接收到的數(shù)據(jù)向指定客戶端廣播.網(wǎng)絡通信中需設定IP地址，并為其提供端口號，才能準確無誤地接收到從網(wǎng)絡發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時也向目的地發(fā)送數(shù)據(jù).完成對IP地址和端口號的設定，需將它們與傳輸協(xié)議關聯(lián)起來.本系統(tǒng)選用TCP作為傳輸協(xié)議，該傳輸協(xié)議具有可靠連接[3]、錯誤檢查、丟包重發(fā)等特點.
1.4控制管理界面程序設計
為了便于系統(tǒng)管理員能夠實時監(jiān)控系統(tǒng)的運作狀態(tài)，我們設計了控制管理界面.該控制管理界面以圖形界面的形式為系統(tǒng)管理員提供相關數(shù)據(jù)，接收并實現(xiàn)管理員的操作指令.程序編寫使用python語言和pyqt模塊.控制平臺的程序設計包括登錄界面、主界面、數(shù)據(jù)文件和顯示界面，同時滿足客戶端數(shù)據(jù)更新、記錄、軌跡繪制等功能.系統(tǒng)管理員可通過控制平臺了解系統(tǒng)的工作狀況以及查看行人與車輛終端設備的相關數(shù)據(jù)與實時人-車軌跡等內容.
2人-車碰撞預警算法設計
2.1安全距離的確定
安全距離是預警系統(tǒng)預警條件的依據(jù)，因此確定合適的安全距離至關重要.行人客戶端的步行速度遠小于車速，因此可設定安全距離為某一定值.
2.2行人相對車輛方位的確定
行人相對于車輛方位主要是通過Python中的Geodesic模塊和經(jīng)緯度信息等求解出行人相對于車輛的方位角α和它們之間的距離d而確定的.方位確定的程序開始運行后，先導入Python相關庫Geodesic用于解決GPS數(shù)據(jù)和地理坐標的處理與轉換問題.
由于Geodesic.WGS84.Inverse傳入的兩組經(jīng)緯度參數(shù)需要以度分秒的形式，而從GPRMC讀取的經(jīng)緯度形式不符合要求，因此需要對經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進行轉換[4]，即進行進制變換和小數(shù)點移動.轉換完成后即可將其傳入Geodesic.WGS84.Inverse，讀取函數(shù)返回值(包含行人和車輛的直線距離以及它們之間的相對方位角等數(shù)據(jù)).最后根據(jù)客戶端類型記錄返回值.如果客戶端是車輛，則記錄行人相對于車輛的方位角α和它們之間的距離d.否則，只記錄它們之間的距離d.
2.3預警條件
預警條件是本預警系統(tǒng)實現(xiàn)對行人-車輛可能發(fā)生的碰撞做出可靠且準確預警的關鍵.文中設計的預警條件判斷流程.其中，根據(jù)行人與車輛的位置信息可計算得到行人相對于車輛的方位角α和它們之間的距離d，以及車輛的運動方向θ.通過這些數(shù)據(jù)分別確定行人和車輛的預警區(qū)域.根據(jù)不同終端設備確定不同預警條件，即當客戶端為行人且車輛位于行人的預警區(qū)域內時，預警條件成立，反之不成立.當客戶端為車輛且行人位于車輛的預警區(qū)域內時，預警條件成立，反之不成立.由于行人和車輛的終端設備所采集的數(shù)據(jù)和處理程序有所差異。
因此行人和車輛的終端設備預警區(qū)域也有所不同，需要分別設計出兩種預警區(qū)域.對于行人而言，預警區(qū)域是以行人為圓心，半徑為d1的圓周區(qū)域.如果行人-車輛間的距離d
3系統(tǒng)調試
完成對本系統(tǒng)的初步搭建后，為保證系統(tǒng)能夠正常工作，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，我們對GPS數(shù)據(jù)、CAN數(shù)據(jù)、服務器和客戶端程序、控制平臺等進行了調試.
3.1GPS數(shù)據(jù)調試
采集GPS數(shù)據(jù)程序運行后，程序采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打印到界面上.GPS模塊包含許多NMEA協(xié)議的字段數(shù)據(jù).對采集完成的GPS模塊數(shù)據(jù)進行“GPRMC”字段的提取，GPS模塊數(shù)據(jù)和“GPRMC”字段數(shù)據(jù).
3.2服務器端程序調試
服務器端程序調試即測試程序能否與客戶端建立通信.運行服務器程序后，開始監(jiān)聽客戶端連接請求，使用兩個客戶端接入服務器，完成接入后即可建立通信.調試成功即使兩個客戶端建立通信并區(qū)分出行人端及車輛端.
3.3客戶端程序調試
客戶端程序調試即測試程序是否能夠對可能發(fā)生的碰撞進行預警.對行人客戶端而言，就是當車輛位于行人的預警區(qū)域內時，行人客戶端能發(fā)出預警.同樣對車輛客戶端而言，當行人位于車輛的預警區(qū)域內時，車輛客戶端能發(fā)出預警.
3.4控制平臺調試
控制平臺的調試主要是測試控制平臺各功能能否正常工作，包括對更新數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、繪制軌跡、打開數(shù)據(jù)文件等的功能調試.通過對設計的預警系統(tǒng)各重要部分進行調試，發(fā)現(xiàn)服務器、客戶端、控制平臺均能正常工作，達到了預期效果.
4總結
目前市面上汽車搭載的碰撞預警系統(tǒng)大多為單向預警，即行人端無法接收到預警信息.本文設計了一種能夠實現(xiàn)雙向預警的人-車碰撞預警系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)整體架構、硬件、軟件、控制管理界面的設計工作;解決了行人端無法獲取預警信號的問題[5]，使行人在碰撞發(fā)生前能提前收到預警信號，做出緊急避險反應，從而較大程度上降低車輛與行人發(fā)生碰撞的風險.該雙向主動預警的方式是一種避免行人-車輛碰撞事故發(fā)生的有效方式，能夠大大降低此類事故的發(fā)生率.對設計的預警系統(tǒng)進行的測試分析結果證明了該系統(tǒng)的可行性與可靠性.本設計為人-車防碰撞預警系統(tǒng)提供了一種新的方法和思路.
參考文獻：
[1]陳勇，黃席樾，楊尚罡.汽車防撞預警系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J].計算機仿真，2006，23(12)：239-243.
[2]黨宏社，韓崇昭，段戰(zhàn)勝.汽車防碰撞報警與制動距離的確定[J].長安大學學報(自然科學版)，2002(6)：89-91.
[3]李冉.基于北斗車載終端的主動交通安全預警機制的研究[D].青島：中國海洋大學，2014.
[4]張雁雁.面向行人防碰撞預警的駕駛員駕駛意圖辨識方法研究[D].大連：大連理工大學，2015.
[5]龐日富.一種基于車聯(lián)網(wǎng)的汽車防碰撞預警系統(tǒng)：CN108615409A[P].2018-10-02.
作者：黃金銘，李飛翔，曹俞，陳永敏，高琳琳，姚建紅
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