CN102542747A - 一种基于智能手机的行车安全保障装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于智能手机的行车安全保障装置。该装置包括一个智能手机和利用卡槽固定该手机的支架，所述支架固定在汽车驾驶舱仪表台上，且可调节手机前倾角度并通过支架底座上的刻度确定此角度。所述智能手机中运行的行车安全应用持续记录行车前方的影像、周围声音、GPS坐标、车速等信息，并利用内嵌三轴加速度传感器监测三个方向上的加速度，通过与预先设定的报警阈值比较并分析加速度方向来判定是否发生碰撞事故以及碰撞方向等事故性质。一旦判定事故发生则自动进行报警自救，包括发送报警信息、自动呼叫报警中心、上传关键影像和声音信息等。本发明实施简单易行，可实现普通行车记录仪的一般功能和遇险自动报警自救、关键数据远程备份等扩展功能。

Description

一种基于智能手机的行车安全保障装置

技术领域

本发明涉及行车安全保障装置，尤其涉及综合利用智能手机提供行车安全记录以及遇险自动报警的装置。

背景技术

随着轿车在普通家庭的日益普及，行车安全的保障措施和装置备受消费者关注。例如市场上近年出现的行车记录仪，它集成了摄影、录音、全球定位系统(GPS)接收机、加速度传感器等功能，能将汽车行驶位置轨迹和现场影像、声音以及车速等信息完整地记录下来，并可通过专用软件在电脑上回放、再现。特别是当有意外发生时，行车记录仪内置的加速度传感器便会感应到紧急刹车、突然撞击等情况，触发记录保存发生意外前后一段时间的情况，如车速、加速度、现场影像和声音、位置坐标等等。此类装置虽然在行车安全保障方面起到一定作用，但它主要应用在一些城市内碰擦事故的责任认定，对于一些重大事故的安全自救功能则比较欠缺，这主要是由于此类产品并没有无线通信功能，在事故发生后只能靠人为干预才能完成报警自救、事故数据提取回放等工作。然而一些重大事故若造成当事人严重伤亡而周围又没有其它人的情况，此时行车记录仪不能自动完成事故后报警就会造成严重后果，况且在发生严重交通事故的情况下，行车记录仪内部保存的现场数据很可能也会受损伤甚至完全被破坏。市场上亦有相关报道表明一些厂商已经或正在开发车辆内置的行车记录仪产品，此类产品集成了移动通信模块，并且和汽车内部电子控制总线相连，可直接获取汽车行驶相关数据，可以说采集数据来源更可靠。但由于成本原因，目前只在一些高端配置的轿车上得到应用。

考虑到目前智能手机的普及率正日益提高，而且相当多的智能手机中已经内置了加速度感应和GPS定位功能等功能，并且提供了二次开发的应用程序接口(API)，因此完全可以基于智能手机完成行车记录仪的基本功能和遇险自动报警、数据自动远程备份等扩展功能。

本发明即针对这一市场需求，提出一种基于智能手机的行车安全保障装置。采用该装置普通消费者使用自己的智能手机不仅可以实现一般行车记录仪的基本功能，而且还可以实现遇险自动报警、数据远程备份等功能。实施该发明可以在基本不增加成本的情况下提高行车安全性，具有推广价值。

发明内容

本发明提出一种保障行车安全的装置，所述装置包括一个智能手机和利用卡槽固定该手机的支架，该支架固定在汽车驾驶舱仪表台上，且可调节手机前倾角度θ并通过支架底座上的刻度读出此角度值；该手机持续记录行车前方影像信息、周围声音信息、车辆位置坐标、车速，同时监测行车方向以及与此垂直的水平侧向和纵向瞬时加速度a_Z′/a_Y′/a_X′，并通过碰撞检测算法判定此时是否发生严重碰撞事故，如是则自动通过无线通信网络开始报警自救。

所述行车方向以及与此垂直的水平侧向和纵向瞬时加速度a_Z′/a_Y′/a_X′是由一部智能手机通过如下运算得到：

a_Z′＝a_Zcosθ+a_Xsinθ；

a_Y′＝a_Y；

a_X′＝a_Xcosθ-a_Zsinθ；

其中，a_X/a_Y/a_Z通过智能手机内嵌的三轴加速度传感器获得，该智能手机通过一个带手机卡槽的支架固定在车内前挡风玻璃下方的仪表台上，支架采用底部吸盘固定，且可调节手机前倾角度，具体角度θ可由支架底座上的刻度值读出。

所述碰撞检测算法包括如下步骤：

a)分别检测a_Z′/a_Y′/a_X′的绝对值是否超过报警阈值Az/Ay/Ax，若三项均未超过阈值，则判定此时没有碰撞发生，否则认为发生碰撞事故，转下一步进一步判定事故性质；

b)根据a_Z′/a_Y′/a_X′是否大于0，即各加速度的方向来判定碰撞方向；

c)参考最近时段车速变化情况最后判定事故性质。

所述报警自救行为包括：

A)建立与报警中心之间的通信连接，立即发送报警信息，内容包括事故类型、发生时间、位置坐标和事故前车速；

B)建立至报警中心的语音呼叫并将智能手机输出音量调至最大；

C)向报警中心上传事故发生时刻及其前后的行车前方影像和周围声音记录信息。

所述行车前方影像和周围声音由智能手机摄像头和MIC采集，经过数字压缩处理并加上时间标签，然后在手机存储器一个固定长度的存储空间里循环保存，即当存储的信息到达该空间尾部时，后续的信息将重新从该空间的头部开始写入，覆盖原先较早时间的数据。

所述车辆位置坐标和车速信息通过智能手机内置GPS周期性获取，加上时间标签后保存在智能手机存储空间中，所述获取周期预先设定。

所述报警阈值Az/Ay/Ax根据路况、天气情况和车辆状况预先设定。

所述无线通信网络是指任何一种提供广域覆盖的无线通信网络，包括CDMA网络、GSM网络、CDMA2000/EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络、WiMAX网络、LTE网络或者它们在今后的演进网络。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明装置一个应用场景示意图；

图2是本发明装置一个实施例的系统软件架构图；

图3是本发明装置一个实施例的应用软件架构框图；

图4是本发明装置一个实施例的硬件示意图；

图5是本发明装置中使用的坐标系示意图；

图6是本发明装置中车辆碰撞判定算法流程框图；

图7是本发明装置一个实施例的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明一个实施例的应用场景示意图，运行着行车安全保障应用软件的智能手机位于行驶的汽车内，通过无线链路接入移动通信网络，在发生严重碰撞事故时通过移动通信网络自动与报警中心建立通信连接进行报警自救处理。该智能手机定时采集GPS位置信息、车辆行驶速度、车辆行驶前方的影像信息以及周围的声音信息等，这些信息在车辆正常行驶时可存储在智能手机内置存储器中；同时通过内置的加速度传感器监测车辆的瞬时加速度，并经过一个碰撞检测算法判定此时是否发生碰撞事故，一旦判定车辆发生严重碰撞事故，该智能手机将自动建立至报警中心的通信连接，自动发出报警信息并且将事故发生之前一段时间的检测数据上传到报警中心备份。

下面以Android智能手机系统为例，进一步说明本发明的思路。如图2所示的一个Android智能手机系统软件架构中：

●硬件平台多以多媒体处理器SOC为核心提供基础运算能力和外部接口，外围辅以通信、GPS、传感器、摄像头、MIC、显示屏以及触摸屏等单元；

●Linux 2.6是硬件抽象层，并负责设备的管理；

●系统服务层提供各种系统库，所有系统服务，如显示、网页浏览和存储等均由系统库管理；

●应用程序开发框架提供应用程序编程接口(API)，供上层应用程序调用硬件平台的各项能力；

●智能手机对于用户的所有功能都被视为应用，如电话应用、娱乐应用和信息处理应用等。

由此可见，对于一个智能手机，可以通过如图3所示的一个行车安全应用APP来实现普通行车记录仪的功能，并且由于智能手机本身具备的移动通信功能，该APP还具有紧急情况自动报警、数据远程备份的功能。该APP包括行车安全UI、应用逻辑、底层接口API和硬件能力层：

●行车安全UI通过软件界面呈现各项用户功能，包括基础参数设置、各项功能启动、停止等；通过触摸屏接收用户的操作指令，执行应用逻辑运算，然后通过底层接口API调用接口能力实现各项业务功能。

●应用逻辑层是该APP的核心部分，它从UI层接收用户的配置参数和操作指令，按照预先设计的应用逻辑通过底层接口API调用物理层能力实现行车安全监测和数据存储，在发生严重事故时自动完成报警和关键数据远程备份动作；

●底层接口API为UI层和应用逻辑层提供调用物理层各项能力的接口；

●硬件能力层

■调用触摸屏能力接收用户操作指令；

■调用LCD能力用于呈现各项功能和操作结果；

■调用音频接口能力实现音频信号输入输出；

■调用摄像头接口实现现场摄像功能；

■调用存储能力实现相关信息的存储和查询；

■调用通信模块实现移动网络接入以及与报警中心之间的连接管理；

■调用GPS模块实现定位和车速监测；

■调用传感单元实现加速度监测。

为了方便影像监测以及GPS信号接收，智能手机可采用如图4所示的支架固定在车内前挡风玻璃下方的仪表台上。支架采用底部吸盘A1或其它夹具等方式固定，而手机则通过卡槽A2固定在支架上。为便于手机监测车辆行驶前方影像，手机摄像头朝着车辆行驶正前方，且可通过支架调节手机前倾角度，具体角度可由支架底座A3上的刻度值A4确定。当手机前倾角度调整合适后，可通过锁紧装置固定此角度，使得手机牢固地固定在支架上不至随车辆加速、减速而晃动。假设手机前倾角度为θ，定义手机屏幕长度方向为X轴、宽度方向为Y轴、摄像头拍摄方向为Z轴，车辆行驶方向为Z’轴、而X’轴和Y’轴构成与行驶方向垂直的平面，如图5所示。智能手机内嵌的加速度传感器通常为三轴传感器，根据其输出可得到X、Y、Z三个方向的加速度数值a_X/a_Y/a_Z，由图5可知此时在车辆行驶方向Z’以及与之垂直的方向X’、Y’上的加速度分别为：

a_X′＝a_Xcosθ-a_Zsinθ                                (1)

a_Y′＝a_Y                                             (2)

a_Z′＝a_Zcosθ+a_Xsinθ                                (3)

以上三个参数将做为行驶中的车辆是否发生碰撞事故的主要依据。本领域的技术人员很容易理解，正常情况下一辆高速行驶的汽车在X’轴(垂直于汽车底盘)方向上的加速度绝对值|a_X′|应接近于0，在Y’轴方向上的加速度绝对值|a_Y′|应远小于重力加速度g，在Z’轴方向上的加速度绝对值|a_Z′|不应显著大于重力加速度g，而发生行驶中的碰撞事故时，在碰撞方向的瞬时加速度往往高达十几g以上。由此设计碰撞判定算法如图6所示：

a)实时采集手机加速度传感器输出数值a_X/a_Y/a_Z；

b)由上述公式(1)、(2)、(3)计算a_X′/a_Y′/a_Z′；

c)若|a_X′|＞Ax或|a_Y′|＞Ay或|a_Z′|＞Az则判定发生碰撞事故；

d)进一步判断：

1)|a_X′|＞Ax表明可能发生翻滚或坠落事故；

2)若a_Y′＞0，则判定发生左侧碰撞；否则若a_Y′＜0，则判定发生右侧碰撞；

3)若a_Z′＞0，则判定发生后车追尾；否则若a_Z′＜0，则判定发生前方碰撞；

e)综合上述结果，并参考最近一段时间的车速变化信息，最后判断事故性质。

上述加速度安全阈值参数Ax、Ay、Az可根据试验数据、理论计算获得推荐初始值，并可由用户在行车安全APP软件的配置界面根据将要行驶的路况进行调整。比如在高等级公路上，Ax应接近0，如设置为0.1g-0.3g，而在比较颠簸的路上则可相应调高此阈值或者取消此阈值判断。正常行驶时a_Y′主要由弯道行驶时的向心加速度造成，可根据车辆正常行驶时的弯道向心加速度和车辆性能参数中的横向G值来设定Ay。根据我国公路设计标准，高速公路在平原和丘陵地带的最小弯道半径为650米，在山区为250米。假设一辆汽车以120公里/小时的速度通过半径为650米的高速公路弯道，则利用物理学基本原理经过计算可知此时汽车的向心加速度为1.7m/s²，即大约0.17g，如果该汽车以80公里/小时的速度通过半径为250米的山区公路弯道，则其向心加速度为1.97m/s²，即0.2g。而一辆普通小汽车在拐弯时能够承受的离心力极限一般为0.7g-1.2g。因此Ay可据此设置为0.5g左右，并可根据天气情况、车况进行调整，如遇到雨雪天气应降低此告警阈值。经验和大量实测数据表明，一般小轿车的正向加速度在启动时最大，大约为0.5g-0.7g左右，紧急刹车时的最大反向加速度通常为1g左右，而发生撞车事故时车辆的加速度往往达到10g以上。因此Az可据此设定为8g左右。

智能手机中的行车安全APP在用户设置了手机前倾角θ并考虑车况、路况、天气等因素调整了Ax/Ay/Az阈值设置后，由用户通过UI界面的启动按钮启动运行。之后APP将如图7所示，同时启动三个进程：

a)周期采集GPS位置信息和车速信息，并保存最近的若干次数据，采集周期和数据保存长度可通过初始参数配置设定，保存的数据均加上时间标签。

b)打开智能手机摄像头，开始拍摄并记录车辆前进方向的影像信息；同时打开手机MIC功能，开始录制声音信号；为了节省存储空间，以上声音和图像信息经过数字压缩处理并加上时间标签，在一个固定长度的存储空间里循环保存，即当存储的信息到达该空间尾部时，后续的信息将重新从该空间的头部开始写入，覆盖原先较早时间的数据。这样就可保证存储空间中一直保存有最近一段时间的信息。

c)实时监测加速度传感器输出数据，并根据如上所述的算法判定车辆是否发生严重碰撞；如果发生严重碰撞，则从a)、b)进程获取此时的位置信息、车速变化信息、最近一段时间的影像和声音信息，然后开始报警：

1)首先建立与报警中心之间的通信连接，立即发送优先级最高的报警信息，包括事故类型、发生时间、位置坐标和事前车速等；

2)然后建立到报警中心的语音呼叫，同时将手机音频输出调至最大，便于报警中心工作人员与车上人员直接对话，进一步了解、判断事故现场情况；

3)建立语言呼叫的同时，开始上传事故发生前后的影像和声音信息，为节省上传时间，以事故发生时刻为中心零点，依次提取记录影像和声音的存储空间中零点、-t时刻、t时刻、-2t时刻、2t时刻……的数据进行上传，即首先上传；零时刻的数据，然后上传-t时刻的数据，接着上传t时刻数据，如此重复直到手机电源耗尽或APP被强制终止运行。这样处理的好处是在事故发生的同时，马上远程备份事故发生前后的重要数据，有利于事后的事故原因分析和责任认定。

上述智能手机建立至报警中心的通信连接以及语音呼叫是指智能手机通过接入任何一种提供广域覆盖的无线通信网络，并使用其提供的数据以及语音通信业务建立至报警中心的TCP/IP连接或者语音通话。所述无线通信网络包括CDMA网络、GSM网络、CDMA2000/EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络、WiMAX网络、LTE网络或者它们在今后的演进网络。

上述碰撞事故判定算法还可做进一步优化，比如将Ax、Ay、Az进一步细分为预警和报警阈值，当监测的加速度数值超过预警阈值时，先在本地给出警示信号，包括通过手机显示屏给出警示信息、发出警示语音等等；而当加速度数值超过报警阈值时，则按照上述流程进行报警和远程数据备份。再如，Az还可分为Az+和Az-，即前进(正)方向和反方向的加速度报警阈值，根据上述分析，前进方向的安全阈值Az+应小于反方向安全阈值Az-。

报警中心包括自动接警服务器和人工座席，自动接警服务器接收注册手机发送的报警信息，并通过人机界面突出显示这些信息，以提醒人工座席采取干预措施；自动接警服务器还负责保存报警手机上传的事故发生前后的影像和声音信息，供事后检索查阅。人工座席负责处理接警服务器出现的报警信息，并通过语音通道直接和事故车内人员对话，进一步判断事故现场状况。

本发明实施成本低廉，充分利用智能手机的运算能力和通信能力，在不增加用户成本的情况下通过下载智能手机应用软件即可实现普通行车记录仪的基本功能，并且具有遇险自动报警并远程备份关键影像和声音数据的功能，具有很好的推广价值。

不脱离本发明的范围和构思，上述发明装置可以做出多种改变和变形，很多变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。本发明的描述是为了示例而给出的，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。本发明的范围由所附权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种保障行车安全的装置，其特征在于，所述装置包括一个智能手机和利用卡槽固定该手机的支架，该支架固定在汽车驾驶舱仪表台上，且可调节手机前倾角度θ并通过支架底座上的刻度确定此角度值；该手机持续记录行车前方影像信息、周围声音信息、车辆位置坐标、车速，同时监测行车方向以及与此垂直的水平侧向和纵向瞬时加速度a_Z′/a_Y′/a_X′，并通过碰撞检测算法判定此时是否发生严重碰撞事故，如是则自动通过无线通信网络开始报警自救。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述行车方向以及与此垂直的水平侧向和纵向瞬时加速度a_Z′/a_Y′/a_X′是由所述智能手机通过如下运算得到：

a_Z′＝a_Zcosθ+a_Xsinθ；

a_Y′＝a_Y；

a_X′＝a_Xcosθ-a_Zsinθ；

其中，a_X/a_Y/a_Z通过智能手机内嵌的三轴加速度传感器获得。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述碰撞检测算法包括如下步骤：

A)分别检测a_Z′/a_Y′/a_X′的绝对值是否超过报警阈值Az/Ay/Ax，若三项均未超过阈值，则判定此时没有碰撞发生，否则认为发生碰撞事故，转下一步进一步判定事故性质；

B)根据a_Z′/a_Y′/a_X′是否大于0，即各加速度的方向来判定碰撞方向；

C)参考最近时段车速变化情况最后判定事故性质。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述报警自救行为包括：

A)建立与报警中心之间的通信连接，立即发送报警信息，内容包括事故类型、发生时间、位置坐标和事故前车速；

B)建立至报警中心的语音呼叫并将智能手机输出音量调至最大；

C)向报警中心上传事故发生时刻及其前后的行车前方影像和周围声音记录信息。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述行车前方影像和周围声音由智能手机摄像头和MIC采集，经过数字压缩处理并加上时间标签，然后在手机存储器一个固定长度的存储空间里循环保存，即当存储的信息到达该空间尾部时，后续的信息将重新从该空间的头部开始写入，覆盖原先较早时间的数据。

6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述车辆位置坐标和车速信息通过智能手机内置GPS周期性获取，加上时间标签后保存在智能手机存储空间中，所述获取周期预先设定。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述报警阈值Az/Ay/Ax根据路况、天气情况和车辆状况预先设定。

8.根据权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述无线通信网络是指任何一种提供广域覆盖的无线通信网络，包括CDMA网络、GSM网络、CDMA2000/EVDO网络、WCDMA网络、TD-SCDMA网络、WiMAX网络、LTE网络或者它们在今后的演进网络。

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