CN103076187B - 一种小型车载车辆安全综合检测系统 - Google Patents
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Abstract
为了克服现有车载检测系统检测数据量有限，检测信号同步性差，无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术缺陷，本发明提出了一种小型车载车辆安全综合检测系统，该系统以FPGA为核心处理器，结合外部车载传感器和A/D转换芯片，对车辆行驶状态以及行驶环境进行综合检测，利用采集的GPS时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的采样，保证各车载传感器检测信号的时间同步，该系统不需要计算机或DSP、ARM等核心处理单元，解决了现有车载检测系统检测数据量有限，检测信号同步性差，无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型车载车辆安全综合检测系统，属于工业测控技术，交通车辆行驶安全技术领域。
背景技术
行驶车辆系统性能的综合检测是判断车辆运行状态，进行车辆行驶安全评价的基本要求；车辆系统的转向性能，行驶速度，车身姿态，车厢内部环境以及行驶的道路状况是导致车辆整体性能下降，诱发交通事故最直接的因素；特别的，对于复杂环境山区道路，坡度大，弯道多，路面平整度差，车辆行驶时，会产生大幅度振动，转向性能也会随之变差，直接会导致车辆侧滑或发生翻车事故，对人类的生命财产安全造成巨大威胁；综合检测车辆行驶的转向参数、侧滑位移、行驶速度、车身姿态、道路状况、车厢内部环境是实现车辆系统整体性能检测，进行车辆系统整体安全评估的基本条件。
现有的车辆行驶状态检测通常采用车载总线或结合外部车载传感器进行检测，也有采用车载图像传感器对车辆的行驶路况进行检测的方式；基于车载总线的车辆行驶检测方式利用与车载总线相连的车载计算机或外部处理器读取与车载总线相连的车辆内部传感器数据，需要对总线的信息进行解码和筛选，才能获取感兴趣的车辆内部传感器数据；采用车载传感器的车辆行驶状态检测通常使用GPS检测车辆的行驶速度和行驶路径，也有结合速度传感器测速，三轴陀螺仪测轨迹方向等对车辆行驶状态进行更全面的检测；车载图像传感器检测方式，使用与车体固定的摄像机获取车辆前方或后方的道路以及障碍物图像信息，结合车载计算机或其他硬件处理器平台对车辆行驶路况图像进行处理，以检测道路边界和障碍物等信息。
专利“倪明选.智能交通系统信息采集器[P].中国：CN 201927175 U”公开了一种智能交通系统信息采集器，其车载传感系统包括三维加速度传感器模块、距离传感模块及GPS模块，三轴加速度传感模块，实时采集三轴方向的加速度值，检测紧急刹车以及车辆振动情况，距离传感模块，实时采集该智能交通系统信息采集器与前方的物体距离，GPS模块，实时显示该智能交通信息采集器所处位置经纬度信息，采用STM32F103型号的ARM处理器作为控制模块；专利“王飞跃，王知学，艾云峰.一种车载嵌入式系统[P].中国：200510116714.X”公开了一种车载嵌入式系统，包括通过车载总线连接的车载嵌入式平台、车载显示器、车载无线通信单元、GPS接收仪、车载式数字图像信息获取单元以及电子地图数据库，可以将车辆的行驶环境状况、自身故障等信息告知给驾驶员，并可实现车辆和家庭内家电控制系统的远程数据交互和控制互动功能。
现有的车载检测系统通过结合外部车载传感器，扩展了检测系统的功能，添加了部分检测信息，但是要实现车辆安全的综合检测，现有车载检测系统存在检测数据量有限，检测信号同步性差，无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术问题。
发明内容
为了克服现有车载检测系统检测数据量有限，检测信号同步性差，无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术缺陷，本发明提出了一种小型车载车辆安全综合检测系统，该系统以FPGA为核心处理器，结合外部车载传感器和A/D转换芯片，对车辆行驶状态以及行驶环境进行综合检测，利用采集的GPS时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的采样，保证各车载传感器检测信号的时间同步，该系统不需要计算机或DSP、ARM等核心处理单元，解决了现有车载检测系统检测数据量有限，检测信号同步性差，无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种小型车载车辆安全综合检测系统，具有以下特点：
(1)车载车辆综合检测系统以FPGA为核心，传感器系统可以实现车辆方向盘转角、前轮转角、道路边界位置、后方车距、车轮侧滑位移、行车路径、车速、航向角、车辆行驶姿态、行车高度以及车厢内部噪声、座椅振动情况的综合检测，并能根据车厢内部噪声、振动环境的检测情况进行车厢舒适度评价，还可以结合方向盘、车轮转角、车身姿态以及道路的边界位置利用与车辆转向系相固定的力矩电机进行车辆的转向控制，避免由于驾驶员操作失误引起的车辆不安全状况，通过利用采集的GPS时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的采样，保证了各车载传感器检测信号的时间同步，实现车辆系统整体状态和车辆行驶的整体性能的综合评估；
(2)方向盘转角检测单元使用机械轴套连接旋转变压器与方向盘，机械轴套与转向柱之间机械连接，保证旋转变压器转子与方向盘同轴转动，通过轴角转换芯片将旋转变压器采集的模拟量数字化，FPGA通过对该数字量进行采集和解算得到车辆行驶过程中的方向盘转角；
(3)多路图像检测单元采用在车辆上添加多路CCD图像传感器， FPGA配置视频解码芯片，采集多路车载数字图像，采用图像检测的处理方法对采集的数字图像进行处理，检测车辆行驶过程中的左、右前轮转角、车轮侧滑位移，前方车道标线参数，以及后方车距等信息；
(4)车厢内部环境检测及评估单元采用在车厢内部固定传声器，主驾座椅上固定三轴加速度传感器，结合A/D转换芯片将传感器的模拟量转换为数字量，FPGA通过采集获得车厢内部噪声和座椅振动的数字量，根据该数字量可以分析和估计乘客在车厢噪声环境下的烦躁程度，以及驾驶员座椅的舒适程度，实现车厢内部环境的整体评估；
(5)车轮侧滑位移检测单元使用多路图像检测联合车轮侧滑位移检测轮套进行车轮侧滑位移的综合检测，车轮侧滑位移的检测结果：
其中为最终检测的车轮侧滑位移，为视频图像检测的车轮侧滑位移，为车轮侧滑位移检测轮套检测的轮侧滑位移，为图像检测加权因子，为图像检测清晰度参数，为根据实际车辆反复实验确定以图像清晰度为自变量的图像检测加权因子函数，当图像检测清晰可辨时，当图像检测不可辨时，确定过程为通过不同图像检测清晰度实验获取参数下的图像位移量及车辆实际位移量，再通过曲线拟合和辨识方法确定；
(6)车辆行驶姿态综合检测和转向控制单元采用GPS、IMU和高度仪，结合多路A/D转换芯片对车辆行驶路径、车速、航向角、轴向角速率以及行车高度进行综合检测，联合多路图像检测单元的数据综合控制与车辆转向系相固定的力矩电机，实现车辆转向的自动控制，车辆的转向控制设计了控制模式切换按键，驾驶员可以通过按键切换人工/自主车辆转向控制的方式。
本发明的有益效果是：采用图像和传感器相联合的车轮侧滑位移检测方法可以避免单一检测方法的检测误差，保证车轮侧滑位移检测结果的可靠性，为车辆侧滑、侧翻等不安全现象的综合评估提供依据；以FPGA为核心处理器，结合外部车载传感器和A/D转换芯片，对车辆行驶状态以及行驶环境进行综合检测，利用采集的GPS时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的采样，保证各车载传感器检测信号的时间同步，该车载车辆安全综合检测系统不需要计算机或DSP、ARM等核心处理单元，解决了现有车载车辆检测系统检测数据量有限，检测信号同步性差，无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术问题。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1为本发明车载车辆安全综合检测系统的总体结构图；
图2为本发明具体实施例中旋转变压器转子-转向柱安装轴套机械图；
图3为本发明具体实施例中四路图像检测模块CCD图像传感器安装示意图；
图4为本发明具体实施例中车轮侧滑位移检测轮套与原车轮的配合示意图。
具体实施方式
参照附图1-附图4.
附图1为本发明提供的车载车辆安全综合检测系统的一个具体实施例，系统采用两个FPGA完成车载车辆系统的整体检测、评估以及控制，一片FPGA用于进行车辆系统传感器的数据检测以及车辆方向盘控制，另一片FPGA用于进行多路图像的采集和处理，获得车辆行驶道路环境的数据信息，车轮转角数据以及车轮侧滑位移数据，FPGA选用Altera公司Cyclone系列FPGA中的EP1C12芯片；方向盘转角检测单元中旋转变压器使用型号为BR6820E11的单级对旋转变压器，结合轴角转换芯片AD2S1210检测方向盘转角数据；视频采集单元采用多路CCD图像传感器，采集多路模拟图像并传送给视频解码芯片将模拟视频信号转换为数字信号，视频解码芯片采用PHILIPS公司的SAA7113H芯片；车厢内部环境噪声和座椅的振动情况分别采用传声器和加速度计ADXL345进行检测；车辆行驶姿态综合检测单元采用型号为G591的GPS、型号为ADRXS150的IMU、型号为Mpx4115的高度仪检测车辆行驶过程中的车辆行驶路径、轴向角角速率、行车高度；车轮侧向力、侧滑位移检测通过在原车轮上固定车轮侧滑位移检测轮套，利用检测轮套中的压力应变片组和侧滑力检测弹簧组的形变结合A/D转换芯片AD7874检测车辆行驶中车轮的侧向力以及侧滑位移；车辆转向控制单元采用与车辆转向系相固定的力矩电机J130LY×02L，进行车辆转向的自动控制；通过利用采集的GPS时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的同步采样，保证各车载传感器检测信号的时间同步，实现车辆行驶的系统整体状态和整体性能综合评估；
参考附图2，本发明具体实施例中用于实现桑塔纳2000方向盘转角检测的转向轴套机械图，转向轴套与转向柱通过40齿，模数为0.425的三角花键进行连接，旋转变压器BR6820E11的转子与轴套紧密配合，机械固定旋转变压器的定子与车辆的组合开关，并机械固定方向盘与转向轴套，保证旋转变压器转子，方向盘与车辆转向系转向柱的同轴转动，通过轴角转换芯片AD2S1210将方向盘转角模拟量转换为数字量传送给FPGA处理单元；
参考附图3，本发明具体实施例中的四路CCD图像传感器的安装示意图，其中两路CCD图像传感器300分别通过与车辆底盘机械连接的两个摄像头支架301固定于左，右前轮的正前方，实现CCD图像传感器与车体的固定，采集车辆行驶中前轮的转角图像，另外两路CCD图像传感器302和303分别通过两个吸盘支架吸于前、后挡风玻璃上，采集车辆行驶过程中前、后方的道路图像，检测时，利用FPGA模拟I2C总线实现视频解码芯片SAA7113H的配置，将CCD图像传感器采集的模拟视频信号解码成标准的VPO数字信号，并传送给FPGA图像处理核心单元完成对数字图像的处理包括图像滤波去噪、阈值分割、边缘检测、特征提取、Hough变换等操作，得到左、右前轮的转角和道路边界的位置以及后方车距数据；
本发明具体实施例中的车厢内部环境检测及评估单元通过安装在车厢内部的传声器和主驾座椅上的三轴加速度传感器ADXL345，采集车厢内部声音信号，利用A/D转换芯片AD7874对采集的声音模拟信号进行模数转换，采用倍频程分析方法估计乘客在车厢噪声环境下的烦躁程度，同时FPGA模拟I2C总线读取固定于座椅上的加速度传感器ADXL345的加速度值，获取车辆行驶过程以及紧急制动情况下座椅的振动幅频值，参照ISO2631标准分析驾驶员座椅的舒适程度，进行车辆内部环境的整体性能评估；
参考附图4，本发明具体实施例中车轮侧滑位移检测轮套与原车轮的配合示意图，检测轮套401与桑塔纳2000车轮轮毂402进行机械固定，压力应变片组与侧滑力检测弹簧组403连接检测轮套和原车轮，车轮发生侧滑时，车胎变形挤压检测轮套，压力应变片组与弹簧分别检测车轮的侧向力和侧滑位移，并利用A/D转换芯片AD7874将压力应变片采集的侧向力和弹簧检测的侧滑位移数字量传递给FPGA核心检测单元，得到车辆侧滑时车轮的侧向力和侧滑位移；在本实施例中，用于车轮侧滑位移检测的两路CCD图像传感器分别安装于桑塔纳2000后轮的正上方，与车身固定，CCD图像传感器的光轴垂直于地面，拍摄后轮侧滑的路面划痕图像，FPGA通过视频解码芯片SAA7113H采集车轮侧滑的路面划痕图像，并依次采用图像滤波去噪、阈值分割、边缘提取等操作，对车轮侧滑产生的路面划痕图像进行处理，得到车轮侧滑位移的图像检测结果；在发明具体实施例中，FPGA通过视频解码芯片SAA7113H采集CCD图像传感器所拍摄图像的清晰度较高，在具体的车轮侧滑位移计算：，其中为最终检测获得的车轮侧滑位移，为视频图像检测的车轮侧滑位移，为车轮侧滑位移检测轮套检测得到的轮侧滑位移，，时；
本发明具体实施例中，车辆行驶姿态综合检测和转向控制单元采用型号为G591的GPS、型号为ADRXS150的IMU、型号为Mpx4115的高度仪对车辆行驶路径、车速、航向角、轴向角速率以及行车高度进行综合检测，联合多路图像数据检测单元的数据，综合控制与车辆转向系相固定的力矩电机J130LY×02L，实现车辆转向的自动控制，并且可以通过按键切换人工/自主车辆转向控制方式，其中，GPS天线紧贴于车厢外部，采集车辆行驶过程中的行驶路径包括经度和纬度、车速、航向角，IMU采集车辆行驶过程中的轴向角速率，高度仪采集车辆行驶过程中行驶高度的变化。
Claims (1)
1.一种小型车载车辆安全综合检测系统，具有以下特点：
(1) 车载车辆综合检测系统以FPGA为核心，传感器系统可以实现车辆方向盘转角、前轮转角、道路边界位置、后方车距、车轮侧滑位移、行车路径、车速、航向角、车辆行驶姿态、行车高度以及车厢内部噪声、座椅振动情况的综合检测，并能根据车厢内部噪声、振动环境的检测情况进行车厢舒适度评价，还可以结合方向盘、车轮转角、车身姿态以及道路的边界位置利用与车辆转向系相固定的力矩电机进行车辆的转向控制，避免由于驾驶员操作失误引起的车辆不安全状况，通过利用采集的GPS时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的采样，保证了各车载传感器检测信号的时间同步，实现车辆系统整体状态和车辆行驶的整体性能的综合评估；
(2) 方向盘转角检测单元使用机械轴套连接旋转变压器与方向盘，机械轴套与转向柱之间机械连接，保证旋转变压器转子与方向盘同轴转动，通过轴角转换芯片将旋转变压器采集的模拟量数字化，FPGA通过对该数字量进行采集和解算得到车辆行驶过程中的方向盘转角；
(3) 多路图像检测单元采用在车辆上添加多路CCD图像传感器， FPGA配置视频解码芯片，采集多路车载数字图像，采用图像检测的处理方法对采集的数字图像进行处理，检测车辆行驶过程中的左、右前轮转角、车轮侧滑位移，前方车道标线参数，以及后方车距等信息；
(4) 车厢内部环境检测及评估单元采用在车厢内部固定传声器，主驾座椅上固定三轴加速度传感器，结合A/D转换芯片将传感器的模拟量转换为数字量，FPGA通过采集获得车厢内部噪声和座椅振动的数字量，根据该数字量可以分析和估计乘客在车厢噪声环境下的烦躁程度，以及驾驶员座椅的舒适程度，实现车厢内部环境的整体评估；
(5) 车轮侧滑位移检测单元使用多路图像检测联合车轮侧滑位移检测轮套进行车轮侧滑位移的综合检测，车轮侧滑位移的检测结果：
其中为最终检测的车轮侧滑位移，为视频图像检测的车轮侧滑位移，为车轮侧滑位移检测轮套检测的轮侧滑位移，为图像检测加权因子，为图像检测清晰度参数，为根据实际车辆反复实验确定以图像清晰度为自变量的图像检测加权因子函数，当图像检测清晰可辨时，当图像检测不可辨时，确定过程为通过不同图像检测清晰度实验获取参数下的图像位移量及车辆实际位移量，再通过曲线拟合和辨识方法确定；
(6) 车辆行驶姿态综合检测和转向控制单元采用GPS、IMU和高度仪，结合多路A/D转换芯片对车辆行驶路径、车速、航向角、轴向角速率以及行车高度进行综合检测，联合多路图像检测单元的数据综合控制与车辆转向系相固定的力矩电机，实现车辆转向的自动控制，车辆的转向控制设计了控制模式切换按键，驾驶员可以通过按键切换人工/自主车辆转向控制的方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141210 |