CN111216637B - 一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，包括：主板，提供串口并进行计算；投影屏，与主板连接，提供倒像；显示屏，为半透半反屏，显示安全辅助信息，所述安全辅助信息包括车道变换警告、行人碰撞警告和施工区预警等；摄像头，与主板连接，置于车内，拍摄驾驶员脸部图像并将驾驶员脸部图像传递至主板；工作时，主板接收路侧信息和摄像头传递的驾驶员脸部图像，主板根据路侧信息更新显示屏上的安全辅助信息，同时主板识别驾驶员的驾驶状态，并根据驾驶员的驾驶状态调节显示屏上的安全辅助信息，以适应驾驶员状态。与现有技术相比，可显著减少道路安全事故的发生。

Description

一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统
技术领域
本发明涉及车载抬头显示技术，尤其是涉及一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统。
背景技术
智能网联汽车融合了5G通信等现代通信技术，利用先进的车载传感器、控制器等装置，实现车车、车路、车人、车云之间的智能信息交互，保证安全、高效、舒适、节能。其中车载抬头显(HUD)作为车载驾驶辅助系统，通过将驾驶辅助信息投影到显示屏上，驾驶员可以平视获取相关的驾驶辅助信息，降低驾驶员反应时间，减少驾驶分心，提高驾驶绩效等，已成为未来车载显示的发展方向。
麦肯锡等国际市场研究机构将HUD作为未来车载系统的重要组成，预计HUD年增长率最高达29.91％，增长主要来自于车联网行业；到2024年，大概三分之一的车辆会配备HUD。美国制造业跨国公司3M汽车电气化研发副总裁Jim Sax直言，HUD将为车联网技术的发展铺路。
在工业界，最初车载HUD只是出现在宝马、奔驰这样的高端车型中。近年来，它逐渐由高端车型普及到低端车型，并得到了除汽车制造商外，零部件公司和车载设备公司的认可。而且在学术界，关于HUD的研究也在就近年来再次兴起。
安全辅助功能是行车中很重要的一部分，因此，需要一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，包括：
主板，提供串口并进行计算；
投影屏，与主板连接，提供倒像；
显示屏，为半透半反屏，显示安全辅助信息，所述安全辅助信息包括车道变换警告、行人碰撞警告和施工区预警；
摄像头，与主板连接，置于车内，拍摄驾驶员脸部图像并将驾驶员脸部图像传递至主板；
工作时，主板接收路侧信息和摄像头传递的驾驶员脸部图像，主板根据路侧信息更新显示屏上的安全辅助信息，同时主板识别驾驶员的驾驶状态，并根据驾驶员的驾驶状态调节显示屏上的安全辅助信息，以适应驾驶员状态。
所述的主板为3B+树莓派。
所述的显示屏附有反射膜。
根据安全效益元分析得到所述安全辅助信息包括车道变换警告和行人碰撞警告，所述安全效益元分析包括以下步骤：
步骤S1：筛选得到样本文献；
步骤S2：提取样本文献的有效信息，得到每篇样本文献中每种技术的安全效益；
步骤S3：对每篇样本文献中每种技术的安全效益进行异质性检查，排除不合适的样本文献；
步骤S3：利用随机效应模型合并每篇样本文献中每种技术的安全效益，得到样本文献中每种技术的合并安全效益；
步骤S4：基于合并安全效益，使用漏斗图对每篇样本文献中每种技术的安全效益进行偏倚检验，得到样本文献中每种技术的最终合并安全效益；
步骤S5：根据最终合并安全效益，得到安全辅助信息包含的内容。
所述每篇样本文献中每种技术的安全效益Y为：
Figure GDA0002460252530000021
其中，PWith为配备该技术时的事故发生概率，PWithout为未配备该技术时的事故发生概率，所述事故发生概率P为：
Figure GDA0002460252530000022
或
Figure GDA0002460252530000031
或
Figure GDA0002460252530000032
或
Figure GDA0002460252530000033
其中，TTC为碰撞时间，TTCth为碰撞时间阈值，TTCall为所有碰撞的碰撞时间，TET为碰撞时间小于碰撞时间阈值的时间和，MLD为车道偏离米数，DM为行驶里程，WLD为车道偏离警告，TT为总时间。
异质性检验的Q统计量为：
Figure GDA0002460252530000034
其中，i为第i篇文献，g为每种技术所涉及的文献数量，Wi为每篇文献的权重，Yi为每篇文献中每种技术的安全效益。
所述的样本文献中每种技术的合并安全效益为：
Figure GDA0002460252530000035
其中，k为异质性检验后每种技术所涉及的文献数量，Wre为通过随机效应模型得到的每篇文献的修正权重，Wre表示为：
Figure GDA0002460252530000036
Figure GDA0002460252530000037
其中，se为标准误差，se表示为：
Figure GDA0002460252530000038
所述主板识别驾驶员的面部表情，根据面部表情得到疲惫情况，并根据驾驶员的疲惫情况更新安全辅助信息。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)安全辅助信息包括车道变换警告和行人碰撞警告，车道变换警告和行人碰撞警告根据元分析得到，综合了中国道路安全数据，可显著减少道路安全事故的发生；主板识别驾驶员的驾驶状态，并根据驾驶员的驾驶状态更新显示屏上的安全辅助信息，进一步减少道路安全事故的发生。
(2)3B+树莓派可提供丰富的串口及运算支持，有利于整个系统的运行。
附图说明
图1为本发明的HUD原型机结构示意图；
图2为本发明的界面成像原理图；
图3为本发明的施工区预警示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特点主要包括：
(1)硬件方面，依照当前对HUD研究总结，采用后装组合的形式，方便车内安装，视图仅显示在前挡风玻璃的部分区域，并采用平板单面投影的方式。HUD原型机主要由三部分组成，显示屏采用半透半反屏，并附有HUD专用反射膜，投影屏部分采用超高亮度的屏幕，提供高亮度高对比度倒像，主板部分使用了3B+树莓派，提供了丰富的串口及运算支持，可进行界面设计与通讯连接。
(2)安全辅助信息内容梳理与筛选方面，主要目的是减少交通事故数量，利用元分析进行。
使用元分析评估了8种最重要的智能网联汽车技术，包括自适应巡航控制、自动刹车辅助系统、变道盲区预警、电子稳定控制系统、前向碰撞预警、车道偏离预警、变更车道预警和行人碰撞预警。
元分析的过程为：
步骤S1：筛选得到样本文献；
步骤S2：提取样本文献的有效信息，得到每篇样本文献中每种技术的安全效益；
步骤S3：对每篇样本文献中每种技术的安全效益进行异质性检查，排除不合适的样本文献；
步骤S3：利用随机效应模型合并每篇样本文献中每种技术的安全效益，得到样本文献中每种技术的合并安全效益；
步骤S4：基于合并安全效益，使用漏斗图对每篇样本文献中每种技术的安全效益进行偏倚检验，得到样本文献中每种技术的最终合并安全效益；
步骤S5：基于最终合并安全效益与中国道路安全数据，得到安全辅助信息包含的内容。
具体而言：
利用“Google Scholar”、“ScienceDirect”和“Scopus”进行文献检索，检索关键词采用如下形式“‘技术名称缩写’OR‘技术名称全称’AND‘Safe’”和“‘技术名称缩写’OR‘技术名称全称’AND‘Crash’OR‘Accident’”。
利用5条筛选条件对相关文献进行筛选：有无安全效益的相关指标；是否包含多种技术；安全效益是否为碰撞严重程度；数据量大小是否明确；是否基于已有研究的二次利用。
对于纳入文献，提取有效信息，建立数据库，有效信息包括：作者；年份；实验实施所在国家；安全效益；数据量大小；标准误差；技术类别。并非所有文献都可直接得到安全效益和标准误差，如果某文献包含有上述两项内容，那么就直接利用，但是对于没有包含上述内容的研究，则利用效益计算公式进行转换，每篇样本文献中每种技术的安全效益Y见公式(1)。
Figure GDA0002460252530000051
其中，PWith为配备该技术时的事故发生概率，PWithout为未配备该技术时的事故发生概率，由于纳入研究评估方式较多，事故发生概率在公式(2)、(3)、(4)、(5)中进行选择。另外，如果某篇文献中某种技术的安全效益在一定范围内变化，则取平均值作为安全效益。对于不存在标准误差的文献，利用无对照二分类模型计算标准误差的方法进行计算，见公式(6)。
Figure GDA0002460252530000052
Figure GDA0002460252530000053
Figure GDA0002460252530000061
Figure GDA0002460252530000062
Figure GDA0002460252530000063
其中，TTC为碰撞时间，TTC越小，碰撞风险越大，TTCth为碰撞时间阈值，取1.5s，TTCall为所有碰撞的碰撞时间，TET为碰撞时间小于碰撞时间阈值的时间和，MLD为车道偏离米数，DM为行驶里程，WLD为车道偏离警告，TT为总时间，g为每种技术所涉及的文献数量。
关于元分析，常用两种模型，一种是固定效应模型，另一种是随机效应模型。固定效应模型的统计方法假设各个个体研究的方差齐性，这样其效应大小综合估计的方差只包括各个个体研究内的方差。随机效应模型不假设各个个体研究方差齐性，其效应大小综合估计的方差既包括了各个个体研究内的方差，也包括各个体研究间方差。所以随机效应模型结果更加具有一般性。随机效应模型除考虑组内方差，还考虑一个组间附加估计值。随机效应模型计算如公式(7)、(8)所示。其中，k是异质性检验后每种技术所涉及的文献数量。
Figure GDA0002460252530000064
Figure GDA0002460252530000065
其中，Wre为通过随机效应模型得到的每篇文献的修正权重，Wi为进行随机效应模型之前每篇文献的权重，Wi为Y的方差分之一，Q为异质性检验的Q统计量，这里的se基于k得到，异质性检验如公式(9)所示。
Figure GDA0002460252530000066
其中，i为第i篇文献，Yi为每篇文献中每种技术的安全效益。
样本文献中每种技术的合并安全效益为公式(10)所示。
Figure GDA0002460252530000071
加权估计安全效益的95％置信区间CI可由公式(11)计算得到。
Figure GDA0002460252530000072
使用漏斗图来检验发表偏倚的存在和程度。发表偏倚指的是研究报告不被发表的倾向，例如，研究结果在统计上不显著，或者被认为是反常的难以解释的，甚至是不受欢迎的。但这也造成了评估结果不客观，只有消除该偏倚，评估结果才能最接近真实效益。每种技术的合并安全效益漏斗图如图2所示，图2纵坐标为合并安全效益，纵坐标为标准误差。使用剪补法来调整偏倚，通过补齐漏斗图中缺失的部分，改k为s，得到样本文献中每种技术的最终合并安全效益
Figure GDA0002460252530000073
根据最终合并安全效益与中国道路安全数据，利用公式(12)来计算利用各个技术的事故减少率。
Figure GDA0002460252530000074
式中：PA——单独利用每种技术的事故减少比例；
PC——一种预碰撞场景下每年所发生的事故比例。
经过计算，最终得到安全辅助信息需包括车道变换警告和行人碰撞警告，这样可以在中国现有的道路数据情况下最大程度减少事故发生数量，当然，除此之外还包括施工区预警等其它安全辅助信息。
(3)摄像头记录视频为720p高清视频，数据速率为9100kbps，帧速率为25帧每秒，焦距为1.85mm。它与HUD主板，即3B+树莓派相连，由树莓派处理数据和供电，可采集驾驶员的驾驶状态，并分析其疲劳程度，然后根据不同的疲劳程度，制订自适应界面。以界面元素为单位，改变颜色、提示频率、亮度、闪烁等形式，以适应驾驶员的反应速度。
与现有HUD技术相比，本发明具有以下优点：
(1)硬件功能强大，开发可持续：显示屏采用半透半反屏，可以提供高清晰度虚拟影像，主板提供了八种类型的串口，支持无线通信，可与路侧实现信息交互，其中摄像头接口和音频接口可支持多通道交互，另外4个USB端口可支持多摄像头设备的连接，方便处理道路状况及驾驶员状况。
(2)安全辅助信息内容梳理合理，筛选科学：通过对当前以及未来一段时间所需界面梳理，基于元分析，解决了当前HUD功能效益未知、界面单一，不系统等问题。以系统、客观、定量的综合分析，归纳分析重要的安全辅助功能。
(3)车载人机交互，界面可调节：从人机工程学考虑，实用性强。可采集驾驶员驾驶状态，并分析其疲劳程度，然后根据不同的疲劳程度，制订自适应界面。以界面元素为单位，改变颜色、提示频率、亮度、闪烁等形式，以适应驾驶员的反应速度。
以施工区预警为例，对上述技术方案进行说明。为保证施工区及其上游的安全，采用推荐变道区域和限制车速措施，对车辆进行车道调节及限速控制，实时向驾驶员发布管控信息。
图3为施工区预警时系统运行流程图。该系统的主体包括前端程序界面和后端程序的交互、运算，后端根据外界环境、车辆传入等路侧信息，进行快速的计算，前端界面根据后端计算后传输的数据，显示相应的HUD界面。
1)系统打开后，后端程序开始通信、运算；2)正常行驶状态下将显示正常行驶界面，显示当前速度，若速度在合理范围内，为绿色，反之为红色。3)到达施工区告知范围后，HUD界面改变，显示内容为施工区位置、距离、限速及当前车速。4)在可变道区域开始前一定距离，HUD界面改变，显示内容为施工区位置、距离、限速及当前车速和变道标志提示，距可变道区域越近，距离更新频率越快，提醒驾驶员变道。5)到达可变道区域后，为了驾驶员行驶顺畅，界面显示距变道区结束的距离。6)变道区域结束后，HUD界面切换为正常行驶状态界面，后台程序继续根据路侧信息预警判断。

Claims (6)

1.一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特征在于，包括：
主板，提供串口并进行计算；
投影屏，与主板连接，提供倒像；
显示屏，为半透半反屏，显示安全辅助信息，所述安全辅助信息包括车道变换警告、行人碰撞警告和施工区预警；
摄像头，与主板连接，置于车内，拍摄驾驶员脸部图像并将驾驶员脸部图像传递至主板；
工作时，主板接收路侧信息和摄像头传递的驾驶员脸部图像，主板根据路侧信息更新显示屏上的安全辅助信息，同时主板识别驾驶员的驾驶状态，并根据驾驶员的驾驶状态调节显示屏上的安全辅助信息，以适应驾驶员状态；
根据安全效益元分析得到所述安全辅助信息包括车道变换警告和行人碰撞警告，所述安全效益元分析包括以下步骤：
步骤S1：筛选得到样本文献；
步骤S2：提取样本文献的有效信息，得到每篇样本文献中每种技术的安全效益；
步骤S3：对每篇样本文献中每种技术的安全效益进行异质性检查，排除不合适的样本文献；
步骤S3：利用随机效应模型合并每篇样本文献中每种技术的安全效益，得到样本文献中每种技术的合并安全效益；
步骤S4：基于合并安全效益，使用漏斗图对每篇样本文献中每种技术的安全效益进行偏倚检验，得到样本文献中每种技术的最终合并安全效益；
步骤S5：根据最终合并安全效益和中国道路安全数据，得到安全辅助信息包含的内容；
所述每篇样本文献中每种技术的安全效益Y为：
Figure FDA0003680360360000011
其中，PWith为配备该技术时的事故发生概率，PWithout为未配备该技术时的事故发生概率，所述事故发生概率P为：
Figure FDA0003680360360000021
或
Figure FDA0003680360360000022
或
Figure FDA0003680360360000023
或
Figure FDA0003680360360000024
其中，TTC为碰撞时间，TTCth为碰撞时间阈值，TTCall为所有碰撞的碰撞时间，TET为碰撞时间小于碰撞时间阈值的时间和，MLD为车道偏离米数，DM为行驶里程，WLD为车道偏离警告，TT为总时间。
2.根据权利要求1所述的一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特征在于，所述的主板为3B+树莓派。
3.根据权利要求1所述的一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特征在于，所述的显示屏附有反射膜。
4.根据权利要求1所述的一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特征在于，异质性检验的Q统计量为：
Figure FDA0003680360360000025
其中，i为第i篇文献，g为每种技术所涉及的文献数量，Wi为每篇文献的权重，Yi为每篇文献中每种技术的安全效益。
5.根据权利要求4所述的一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特征在于，所述的样本文献中每种技术的合并安全效益为：
Figure FDA0003680360360000026
其中，k为异质性检验后每种技术所涉及的文献数量，Wre为通过随机效应模型得到的每篇文献的修正权重，Wre表示为：
Figure FDA0003680360360000027
Figure FDA0003680360360000028
其中，se为标准误差，se表示为：
Figure FDA0003680360360000031
6.根据权利要求1所述的一种面向安全辅助功能的车载抬头显示系统，其特征在于，所述主板识别驾驶员的面部表情，根据面部表情得到疲惫情况，并根据驾驶员的疲惫情况更新安全辅助信息。
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