CN103871243A - 基于主动安全平台的无线车辆管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于主动安全平台的无线车辆管理系统及方法,融合汽车主动安全技术和无线通信技术，能够给驾驶员提供安全告警，同时采集记录并分析车辆主动安全数据，对驾驶员驾驶习惯进行有效反馈。该系统由嵌入式处理器、传感模块、数据存储模块和电源模块、车辆信息采集模块、报警器、无线通信模块、服务器等构成。通过安装在车辆挡风玻璃后的摄像头采集道路图像信息，嵌入式处理器对图像数据进行处理，提取车道线偏离信息和前方车距信息，当车道偏离、前方车距过近或者减速度过大时，对驾驶员进行报警提示，同时触发告警记录功能，将告警信息通过无线网络发送到后台服务器进行记录并分析。该发明具有集成度高、可扩展性强、视觉自学习等特点，能够提高汽车智能化水平，有效降低事故率。

Description

基于主动安全平台的无线车辆管理系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车主动安全及车联网领域，是一种给驾驶员提供安全告警并通过无线网络给后台进行驾驶分析决策的系统及方法，涉及图像处理、嵌入式处理、无线通信、卫星定位等技术。

背景技术

公路交通事故已经是全球普遍性安全问题，以2005年数据为例，当年美国有43443人死于公路碰撞事故，欧洲为44295，中国为97864人，超过了美国、欧洲、日本和韩国的总和，交通事故是4-34岁群体最大的死亡原因，被动安全系统在过去的10年中得到长足发展和广泛应用，后视镜、安全带、安全气囊等手段成为很多车辆标配，但是被动安全系统着眼于事故后对车内人员的保护，其并不能减少事故的发生。Daimler Benz的研究显示，在公路交通事故前0.5s告警可以避免60%的追尾事故，提前1.5s告警可以减少90%的交通事故，因此用于减少车辆碰撞的主动安全系统得到越来越高的重视。

申请号为200810235776.6，名称为“基于道路和车辆自身信息的单目视觉车距测量方法”的专利申请提出了一种前方车辆识别和测距方案，通过车牌尺寸和字符尺寸来换算车距，具有精确度高等特性，但是该方案没有涉及车道偏离预警，也没有通过无线方案积累车辆安全数据。

申请号为201110153954.2，名称为“一种基于FPGA的车道线检测方法”的专利提出了使用嵌入式FPGA芯片进行车道线检测的方法，该方面没有对前方碰撞预警进行研究，并且没有告警数据存储方案。

以上两类方案具有共同的特点是车辆独立的主动安全功能，只提供告警无记录，安全事件无法回溯，也不易于提高前端安全单元的准确率，然而随着2G网络的高度覆盖，3G、4G数据流量成本降低，事件记录有明显需求，无线网络与车辆的结合越来越迫切。

申请号为201310297499.2，名称为“一种基于车联网技术的车辆前向防撞报警方法”，通过采集卫星定位模块的经纬度信息来检测两车距离，然后进行安全预警和后台记录，此方法需要满足两个前提：一，前方车辆的位置信息也在同一个网络的后台监控中；二，无线网络覆盖稳定。而实际应用中前方车辆很有可能是没有安装同样的基于车联网技术的车辆前向防撞报警系统，同时前向碰撞后果最严重的高速公路大部分在非城区，无线网络覆盖存在盲区。并且卫星定位模块确定经纬度信息，上传到后台数据中心，后台数据中心安全信息提取计算后下发报警信息到车辆，整个回路延迟时间会影响报警实时性。

申请号为201320165704.5，名称为“基于视觉感知和车联网的客车安全预警系统”，通过视觉感知提取车内驾驶员疲劳状态和乘客异常状态，并将数据通过RFID发送到检查站，此方法不具备车道线偏离预警和前方碰撞预警等主动安全功能，车辆安全驾驶数据无法得到记录。

结合以上方案的优缺点，综合提出基于主动安全平台的无线车辆管理系统及方法，通过单目视觉的主动安全单元实现实时安全信息采集报警，提高远端驾驶员驾驶安全性。无线单元实时回传小数据量安全信息进行后服务器台记录分析，无线网络允许并且必要情况下非实时回传报警时段图像数据来提供给服务器后台进行记录分析，记录分析结果可用作驾驶员安全驾驶报告，同时改善前端主动安全单元的道路适应性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于主动安全平台的无线车辆管理系统及方法,该发明融合汽车主动安全技术和无线通信技术，能够给驾驶员提供安全告警，同时采集记录并分析车辆主动安全数据，对驾驶员驾驶习惯进行有效反馈。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：基于主动安全平台的无线车辆管理系统，包括嵌入式处理器、传感模块、无线通信模块、数据存储模块和电源模块、车辆信息采集模块、报警器，嵌入式处理器与传感模块、无线通信模块、数据存储模块均相连，传感模块包括卫星定位模块、摄像头和加速度计与嵌入式处理器相连，数据存储模块包括双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）和闪存芯片（Flash）与嵌入式处理器相连；

嵌入式处理器、摄像头、车辆采集模块、双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）、闪存芯片（Flash）、报警器构成主动安全单元；

嵌入式处理器、卫星定位模块、加速度计构成位置信息和车速单元；

嵌入式处理器、无线通信模块、闪存芯片（Flash）构成无线数据传输单元。

进一步地，嵌入式处理器和 无线通信模块连接，无线网络数据通过公共网络连接至服务器。

进一步地，无线通信模块包括2G/3G/4G等模块。

进一步地，嵌入式处理器包括数字信号处理芯片（DSP）、ARM芯片和现场可编程门阵列（FPGA）+ ARM异构芯片，卫星定位模块采用全球定位系统（GPS）芯片或者北斗定位芯片，摄像头采用金属氧化物半导体元件（CMOS）或者电荷耦合元件（CCD）图像传感器。

进一步地，电源模块的供电来自汽车电源接口，车辆信息采集模块连接汽车的控制器局域网（CAN）总线，报警器与嵌入式处理器通过通用异步收发传输器（UART）连接。

基于主动安全平台的无线车辆管理方法，其特征在于： 

主动安全单元兼具车道线偏离预警和前方碰撞预警功能，通过安装在车辆挡风玻璃后的摄像头采集道路图像信息，嵌入式处理器对图像数据进行处理，提取车道线偏离信息和前方车距信息；

当车辆中轴线与车道线中心线夹角                                                时，报警器进行车道偏离预警，同时内部触发位置信息单元记录报警地理位置至闪存芯片（Flash），以时间

为周期采集报警前后时间段

内的N帧图像存储到闪存芯片（Flash）；

当车辆碰撞时间

时，报警器进行前方碰撞预警，同时内部触发位置信息单元记录报警地理位置至闪存芯片（Flash），以时间为周期采集报警前后时间段

内的M帧图像存储到闪存芯片（Flash）；

当车辆制动时减速度

时，触发位置信息单元记录急刹车地理位置至闪存芯片（Flash），以时间

为周期采集减速前后时间段

内的K帧图像存储到闪存芯片（Flash）；

报警信息、位置信息、车速信息、图片信息存储在闪存芯片（Flash）中,闪存芯片（Flash）容量可以支持R小时的数据，报警信息、位置信息、车速信息实时通过无线网络（11）回传到服务器，当

或者

或者

，根据网络状态确定N、M、K的值来回传图片信息到服务器，其中N、M、K、R、

、、的的值在嵌入式处理器初始化时配置。

进一步地，远程服务器可以根据车道线偏离预警和前方碰撞预警时采集的图像数据，进行后台处理并统计车道线偏离预警和前方碰撞预警的准确率，然后通过无线网络远程修正车辆主动安全装置的参数。

进一步地，闪存芯片（Flash）存储嵌入式处理器的初始启动程序，嵌入式处理器的初始启动程序数据与车辆信息采集数据通过地址来进行区分。

进一步地，嵌入式处理器通过总线接口在上电初始化时配置摄像头参数、卫星定位模块参数、加速度计参数、无线通信模块参数等。

进一步地，总线接口包括I2C总线接口、SPI总线接口、UART总线接口等。

进一步地，嵌入式处理器和报警器构成报警单元，车道线偏离或者前方车距过近时通过语音报警、抬头显示器闪动或者振动器对驾驶员进行预警。

   进一步地，无线通信模块采用2G模块时，只传输基本安全报警、报警状态、报警位置和时间等小数据容量字节信息，无线通信模块采用3G或者4G模块时,除传输基本安全报警、报警状态、报警位置和时间等小字节信息外，根据设置指令可以传输报警时段路况图像信息，图像信息可以作为交通事故定责。

进一步地，后台服务器对报警记录设置阈值，当报警密集或者严重等级比较高时，启动驾驶员干预以防止疲劳驾驶或者无意识驾驶。

本发明与现有技术相比主要有以下优势：

1.主动安全单元采用嵌入式芯片，单一平台集成前碰撞预警和车道线偏离预警功能，高集成度、低功耗。

2.系统具有全天候、实时性，而采用车联网定位的前碰撞预警受网络环境影响。

3. 车辆行驶安全数据可存储记录，可以统计驾驶员驾驶习惯和安全性，紧急情况可以对驾驶状况进行远程干预。 

4. 后台安全信息和图像数据可以进行大数据模型分析，形成主动安全单元的危险车况采集、分析、校正闭环，通过视觉自学习提高前端告警单元的有效率。

5. 基于图像处理的主动安全平台可扩展性强，可扩容行人检车、交通标牌识别等功能。

附图说明

图1是基于主动安全平台的无线车辆管理系统框图。

图2是嵌入式处理器内部功能框图。

图3是车道线偏离示意图。

图4是车道线偏离报警时序图。

图5是后台服务器车道线偏离报警记录图。

图6是前方碰撞示意图。

图7是后台服务器前方碰撞报警记录图。

具体实施方式

本发明针对现有的主动安全平台只有预警功能、缺少监测特性，提出基于主动安全平台的无线车辆管理系统，通过主动安全前端采集相关安全信息和位置信息，无线网络传输给后台服务器提供监控，必要情况下根据监控状况对驾驶员采取干预措施，同时采集的数据有助于驾驶状况记录和分析，并对前端主动安全平台进行参数修正。

基于主动安全平台的无线车辆管理系统，如图1所示由嵌入式处理器、传感模块、数据存储模块和电源模块、车辆信息采集模块、报警器、无线通信模块、服务器构成，嵌入式处理器、传感模块、数据存储模块和电源模块、车辆信息采集模块、报警器、无线通信模块构成系统的前端平台，服务器为后端平台。

嵌入式处理器是整个前端平台的控制核心，外围模块进行参数配置、数据读取、数据处理，并最终将告警信息输出对驾驶员提示，同时将告警信息进行存储、转发到远程服务器端。

嵌入式处理器与传感模块、无线通信模块、数据存储模块均相连，传感模块包括卫星定位模块、摄像头和加速度计，嵌入式处理器通过I2C或者SPI总线对卫星定位模块、摄像头和加速度计进行参数配置，数据为从传感器单向传输到嵌入式处理器，摄像头实时按照一定帧率Fs采集道路图像进嵌入式处理器进行处理，卫星定位模块按照一定的刷新速率传输位置信息至嵌入式处理器，加速度计实时输出加速度信息至嵌入式处理器。

数据存储模块包括双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）和闪存芯片（Flash），DDR3芯片用来对图像进行帧缓存和操作系统数据存储访问，Flash芯片通过嵌入式处理器的存储控制器接收报警时间、报警种类、报警位置和报警时图片信息，根据嵌入式处理器下发的读取指令将数据通过TCP/IP或者UDP协议传输到无线通信模块送出到远程服务器。

电源模块供电来自车辆，通过直流开关电源（DC-DC）将电压转换到数字芯片所需的幅值，DC-DC直接给电压纹波不敏感的芯片供电，DC-DC经过低压差线性稳压器(LDO)产生低纹波的电压对双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）芯片和摄像头进行供电。

车辆信息采集模块通过总线接收器，采集来自车辆的汽车转向和车速等信息，通过发展控制器局域网（CAN）传输到嵌入式处理器进行数据读取。

报警器是基于主动安全平台的无线车辆管理系统的前端输出单元，当出现车道线偏离或者前方车距过近时，通过声音提示、抬头显示器图形显示或者振动方式对驾驶员进行提示。

无线通信模块是基于主动安全平台的无线车辆管理系统的前端与后端服务器的连接单元，嵌入式处理器将所需的车辆安全数据存储到前端平台的闪存中，并在无线网络质量良好的情况下回传告警时间、告警类型、告警状态、告警位置、告警时车速等信息到远程服务器。

远程服务器是基于主动安全平台的无线车辆管理系统的后端核心，远程服务器具有各个车辆的基本信息备份，包括车高、车宽、前端平台的摄像头位置、车辆标准刹车距离等，远程服务器可以根据车辆特征对前端平台进行参数配置，并在行车过程中存储每个前端平台的驾驶安全信息，包括告警时间、告警类型、告警状态、告警位置、告警时车速等，如果告警状态紧急并重复出现，采集道路图像信息，并启动远程干预来保证安全驾驶。

下面结合附图和具体实施进一步详述本发明。

 如图1所示是基于主动安全平台的无线车辆管理系统框图，前端平台完成车辆安全信息传感和处理，并给驾驶员提供告警信息。后端平台服务器实现大容量的安全信息存储及处理。

 摄像头安装在前方挡风玻璃后面中轴线位置，其高度和视场角参数保证采集到的前方图像能够获取车道线信息和前方车辆信息，嵌入式处理器配置摄像头参数，以Fs帧/秒读取像素为HxV的图像，H为横向像素值，V为纵向像素值，如图2所示，图像进入嵌入式处理器的硬件加速部分进行像素级的图像预处理，包括灰度化、中值滤波、边缘检测，预处理后的二值图像进入车道线判别单元和车辆识别单元，图像预处理、车道线判别单元和车辆识别单元涉及到像素级、大容量数据处理，使用硬件加速来处理，处理后的数据通过总线传送到上层软件来进行算法级实现。

车道线判别单元通过hough变换来提取图像中的直线，Hough变换是图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法之一，即它可以检测已知形状的目标，而且受噪声和曲线间断的影响小，Hough变换的基本思想是利用点-正弦曲线的对偶性，通过极坐标来映射直线上的不同点，不同的正弦曲线在极坐标中有交点，通过投票点峰值来确定交点，交点转换成图像中存在的直线，如果在一条单向1车道道路上，就会有2条车道线，hough变换对应着2个投票点峰值，将车辆中心线与车道中心的夹角α上报到软件控制部分的安全预警单元。

车辆识别单元对图像进行图像分割，然后进行车辆尾部特征提取和匹配，将识别有效目标上报到安全预警单元，安全预警单元对前方车辆进行目标跟踪，同时根据道路线、车牌的像素点来标定与前方车辆距离，并根据本车和目标车速差计算出碰撞时间TTC。

当车辆中轴线与车道线中心线夹角

时，进行车道偏离预警，当车辆中轴线与车道线中心线夹角

时（

），进行严重车道偏离预警，

、

的值可以通过安全预警单元远程配置，车道线偏离预警的同时触发车速与位置单元，记录预警类型、预警状态、预警时间、预警位置、预警时车速、N帧图像，数据存入Flash芯片。

当车辆碰撞时间

时，进行前方碰撞预警，当车辆碰撞时间

时(

),进行严重前方碰撞预警，、的值可以通过安全预警单元远程配置，前方碰撞预警的同时触发车速与位置单元，记录预警类型、预警状态、预警时间、预警位置、预警时车速、M帧图像，数据存入Flash芯片。

当车辆制动时减速度

时，进行紧急刹车记录，紧急刹车时间、紧急刹车位置、紧急刹车时车速、K帧图像，数据存入Flash芯片，

的值可以通过安全预警单元远程配置。

以上记录数据通过存储控制器缓存在Flash芯片中，嵌 入式处理器内部控制模块读取Flash芯片中数据，根据无线协议格式将数据送入2G/3G/4G无线通信模块，通过无线网络传输到后台服务器进行存储和处理。

实例1，车道线偏离预警

如图3所示，车辆a、车辆b、车辆c分别表示车道线正常范围、车道线左偏离和车道线右偏离三种情况，车辆a的左、中、右虚线分别表示左车道线、车道中心线、右车道线，中间实线表示车辆行驶中轴线，车道中心线与车辆行驶中轴线的夹角为α，车辆a中

，车辆正常行驶，车辆b和车辆c中的

，分别表示左偏（α<0）和右偏（α>0）。如图4所示，当车辆信息采集模块没有从车身提取到左转向灯指示或者右转向灯指示，

时进行车道偏离告警，

且持续时间大于τ时进行车道偏离告警，当

或者τ值过大时进行红色告警，记录车道线告警时间、位置和告警状态，相关信息发送到后台服务器后，可以通过地图形式展示，如图5所示，A0301为车辆编号，时，进行车道偏离预警，黑色三角符号标识，当车辆中轴线与车道线中心线夹角

时（

），进行严重车道偏离预警，黑色五角符号标识。

实例2，前方碰撞预警

如图6所示，F2为装有主动安全平台的车辆，F1为前方同车道线内有效区域内车辆，初始两车距离为S，F2车速为

，F1车速为

，F1以加速度减速，碰撞时F1车速为，则有碰撞时间公式如下：

                      (1)

      (2)

当两车初始车距为30m，F2和F1车速都为30m/s，即108km/h时，F1刹车减速度为0.5g（g取10m/s²），则碰撞时间为3.46s。

当两车初始车距为30m，F1为静止状态，F2车速为30m/s，则碰撞时间为1s。

记录前方碰撞告警时间、位置和告警状态，相关信息发送到后台服务器后，可以通过地图形式展示，如图7所示，A0301为车辆编号，当碰撞时间小于

时启动前方碰撞预警，黑色圆形符号标识，当碰撞时间小于

时进行严重告警，黑色方形符号标识。

Claims (11)

1.基于主动安全平台的无线车辆管理系统，其特征在于：包括嵌入式处理器（1）、传感模块(15)、无线通信模块(13)、数据存储模块(14)和电源模块（5）、车辆信息采集模块（6）、报警器（7），嵌入式处理器（1）与传感模块（15）、无线通信模块(10)、数据存储模块(14)均相连，传感模块（15）包括卫星定位模块（4）、摄像头（3）和加速度计（2）与嵌入式处理器（1）相连，数据存储模块(14)包括双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）（8）和闪存芯片（Flash）（9）与嵌入式处理器（1）相连；

嵌入式处理器（1）、摄像头（3）、车辆采集模块（6）、双倍速率同步动态随机存储器（DDR3）（8）、闪存芯片（Flash）（9）、报警器（7）构成主动安全单元；

嵌入式处理器（1）、卫星定位模块（4）、加速度计（2）构成位置信息和车速单元；

嵌入式处理器（1）、无线通信模块（10）、闪存芯片（Flash）（9）构成无线数据传输单元。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：嵌入式处理器（1）和 无线通信模块（10）连接，无线网络（11）数据通过公共网络连接至服务器（12），无线通信模块（10）,包括2G/3G/4G等模块。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：嵌入式处理器（1）包括数字信号处理芯片（DSP）、ARM芯片和现场可编程门阵列（FPGA）+ ARM异构芯片，卫星定位模块（4）采用全球定位系统（GPS）芯片或者北斗定位芯片，摄像头（3）采用金属氧化物半导体元件（CMOS）或者电荷耦合元件（CCD）图像传感器。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：电源模块（5）的供电来自汽车电源接口，车辆信息采集模块（6）连接汽车的控制器局域网（CAN）总线，报警器与嵌入式处理器（1）通过通用异步收发传输器（UART）连接。

5.基于主动安全平台的无线车辆管理方法，其特征在于： 

主动安全单元兼具车道线偏离预警和前方碰撞预警功能，通过安装在车辆挡风玻璃后的摄像头（3）采集道路图像信息，嵌入式处理器（1）对图像数据进行处理，提取车道线偏离信息和前方车距信息；

当车辆中轴线与车道线中心线夹角                                                时，报警器（7）进行车道偏离预警，同时内部触发位置信息单元记录报警地理位置至闪存芯片（Flash）（9），以时间

为周期采集报警前后时间段

内的N帧图像存储到闪存芯片（Flash）（9）；

当车辆碰撞时间

时，报警器（7）进行前方碰撞预警，同时内部触发位置信息单元记录报警地理位置至闪存芯片（Flash）（9），以时间

为周期采集报警前后时间段

内的M帧图像存储到闪存芯片（Flash）（9）；

当车辆制动时减速度时，触发位置信息单元记录急刹车地理位置至闪存芯片（Flash）（9），以时间

为周期采集减速前后时间段

内的K帧图像存储到闪存芯片（Flash）（9）；

报警信息、位置信息、车速信息、图片信息存储在闪存芯片（Flash）（9）中,闪存芯片（Flash）（9）容量可以支持R小时的数据，报警信息、位置信息、车速信息实时通过无线网络（11）回传到服务器，当

或者

或者，根据网络状态确定N、M、K的值来回传图片信息到服务器，其中N、M、K、R、

、

、的的值在嵌入式处理器（1）初始化时配置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：远程服务器（12）可以根据车道线偏离预警和前方碰撞预警时采集的图像数据，进行后台处理并统计车道线偏离预警和前方碰撞预警的准确率，然后通过无线网络（11）远程修正车辆主动安全装置的参数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：闪存芯片（Flash）（9）存储嵌入式处理器（1）的初始启动程序，嵌入式处理器（1）的初始启动程序数据与车辆信息采集数据通过地址来进行区分。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：嵌入式处理器（1）通过总线接口在上电初始化时配置摄像头（3）参数、卫星定位模块（4）参数、加速度计（2）参数、无线通信模块（10）参数等，总线接口包括I2C总线接口、SPI总线接口、UART总线接口等。

9.根据权利要求5所述的方法，嵌入式处理器（1）和报警器（7）构成报警单元，车道线偏离或者前方车距过近时通过语音报警、抬头显示器闪动或者振动器对驾驶员进行预警。

10.根据权利要求5所述的方法，无线通信模块（10）采用2G模块时，只传输基本安全报警、报警状态、报警位置和时间等小数据容量字节信息，无线通信模块（10）采用3G或者4G模块时,除传输基本安全报警、报警状态、报警位置和时间等小字节信息外，根据设置指令可以传输报警时段路况图像信息，图像信息可以作为交通事故定责。

11.根据权利要求5所述的方法，后台服务器对报警记录设置阈值，当报警密集或者严重等级比较高时，启动驾驶员干预以防止疲劳驾驶或者无意识驾驶。

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