基于三次樣條插值的智能汽車酒駕測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅春林 崔浩 舒朝君 王亞

摘 ?要： 針對(duì)采用半導(dǎo)體式酒精傳感器MQ?3的智能汽車酒駕測控系統(tǒng)中傳感器測量誤差不容忽視的問題，提出一種使用三次樣條插值進(jìn)行酒精傳感器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?。?duì)酒精氣體濃度范圍為0.09～0.36 mg/L，溫度范圍為0～50 ℃的常見環(huán)境條件進(jìn)行基于ARM9的智能汽車酒駕測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件選型。該系統(tǒng)集成酒精檢測、狀態(tài)顯示、語音報(bào)警和驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作以禁止汽車啟動(dòng)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)從源頭抑制酒駕;還考慮避免隨行人員飲酒所造成的干擾問題，重點(diǎn)研究三次樣條插值算法在酒精濃度測量結(jié)果溫度補(bǔ)償方面的應(yīng)用。通過與酒駕測量儀KY?8200的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了該方案的有效性。

關(guān)鍵詞： MQ?3; 酒駕抑制; 三次樣條插值; 酒精檢測; 測量誤差; 溫度補(bǔ)償

中圖分類號(hào)： TN915?34; TP212.1 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）10?0161?05

Design of intelligent car drunk driving measurement and control system

based on cubic spline interpolation

LUO Chunlin1， CUI Hao2， SHU Chaojun1， WANG Ya1

（1. School of Electrical Engineering and Information， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

2. Xiangyang Power Supply Company of State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd.， Xiangyang 441000， China）

Abstract： In allusion to the problem that the sensor′s measurement error cannot be ignored in the intelligent car drunk driving measurement and control system equipped with the semiconductor?type ethanol sensor MQ?3， an alcohol sensor temperature compensation method based on cubic spline interpolation is proposed. An intelligent car drunk driving measurement and control system based on the ARM9 is designed， and hardware model selection is conducted for the alcohol gas environment condition with its concentration range of 0.09～0.36 mg/L and temperature range of 0～50 oC. In the system， the functions of alcohol detection， status display， voice alarm， and inhibiting car start by driving relay movements are integrated to realize drunk driving suppression from the source. The application of the cubic spline interpolation algorithm in the temperature compensation aspect of alcohol concentration measurement results is emphatically researched. The effectiveness of the scheme was verified by the comparison experiment with the drunk driving gauge KY?8200.

Keywords： MQ?3; drunk driving inhibition; cubic spline interpolation; alcohol detection; measurement error; temperature compensation

0 ?引 ?言

在智能汽車的設(shè)計(jì)研發(fā)中，引入酒駕測控功能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑制頻頻出現(xiàn)的酒駕這種惡意駕駛行為，從而減少生命財(cái)產(chǎn)損失和提高交通效率具有十分重要的作用。常規(guī)的酒駕測控系統(tǒng)更多地關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)駕駛員呼出氣體酒精含量的測定，常用模式識(shí)別、模糊聚類分析和支持向量機(jī)等方法避免隨行人員飲酒所造成的干擾作用[1]，而往往忽略了傳感器本身測量誤差所帶來的系統(tǒng)誤報(bào)警。尤其是基于電導(dǎo)率法的半導(dǎo)體傳感器，因其響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)簡單和成本低且適用于單警設(shè)備而得到大量應(yīng)用，但其通常存在受環(huán)境溫度影響較大的不足。因此，在實(shí)際應(yīng)用中通過算法進(jìn)行軟件補(bǔ)償，對(duì)于在保持硬件電路不變的前提下提升系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性和可靠性，從而提高系統(tǒng)性價(jià)比存在十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，使用較多的軟件補(bǔ)償方法有最小二乘法[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3]、遺傳算法[4]和回歸算法[5]等一系列算法及其融合[6]，但這些算法或是存在精度不高的問題，或是具有訓(xùn)練樣本大，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定且訓(xùn)練時(shí)間長等弊端。數(shù)值分析中的三次樣條插值算法是一種易于編程實(shí)現(xiàn)且精度高的算法，常被用于傳感器的誤差補(bǔ)償中。

因此，本文為了更精確地檢測駕駛員呼出氣體中的酒精含量，實(shí)現(xiàn)汽車智能識(shí)別酒駕的功能，提出一種以ARM9為核心，系統(tǒng)集成車內(nèi)酒精氣體濃度檢測、溫度檢測、LCD顯示、語音報(bào)警和禁止汽車啟動(dòng)等功能于一體的酒駕測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過干擾識(shí)別程序排除隨行人員飲酒所造成的影響，三次樣條插值算法程序?qū)Q?3檢測結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)修正，以確保系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性，從而增強(qiáng)汽車的智能識(shí)別能力。

1 ?酒駕測控系統(tǒng)

圖1是酒駕測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)以基于ARM9為內(nèi)核的S3C2440作為控制核心，分別在方向盤前、副駕座位車頂靠右、后排座椅中部等合適位置安裝MQ?3以形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過將傳感器檢測到的信號(hào)分別送入ARM9進(jìn)行軟件補(bǔ)償，經(jīng)干擾識(shí)別后使其與預(yù)設(shè)酒精濃度值相比較，判斷是否禁止汽車啟動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行語音提示和液晶顯示檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)從源頭杜絕酒駕。

圖1 ?測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 ?硬件模塊

1.1.1 ?酒精傳感器

MQ?3電路圖如圖2所示。MQ?3采用電導(dǎo)率法檢測環(huán)境中的酒精氣體濃度，測量范圍0.04～4 mg/L，適用于國家規(guī)定的酒駕判定基準(zhǔn)。傳感器具備模擬和數(shù)字兩種輸出形式，模擬輸出方式下輸出端連接ARM9的GPIO口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到A/D轉(zhuǎn)換的電壓值;數(shù)字方式下，通過設(shè)置LM393的電壓比較值的大小，當(dāng)傳感器輸出電壓大于該值時(shí)，ARM9將接收到酒精濃度超標(biāo)的數(shù)字信號(hào)0，并直接對(duì)其進(jìn)行處理。

圖2 ?MQ?3電路圖

1.1.2 ?溫濕度傳感器

SHT21屬于集成數(shù)字輸出式溫濕度傳感器，具有標(biāo)準(zhǔn)I2C格式輸出，能夠自動(dòng)對(duì)檢測信號(hào)進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，測量范圍可達(dá)-40～125 ℃，測量精度為±0.3 ℃，平均響應(yīng)時(shí)間為5 s，滿足系統(tǒng)對(duì)測量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求。其電路如圖3所示。

圖3 ?SHT21電路

1.1.3 ?語音報(bào)警模塊

采用美國ISD公司生產(chǎn)的ISD4004?08實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警，芯片工作電壓3.3 V， SPI通信方式，其外圍電路如圖4所示。

圖4 ?語音報(bào)警電路

1.1.4 ?其他電路模塊

點(diǎn)火控制電路[7]由繼電器的通斷決定能否正常啟動(dòng)汽車，采用常閉式開關(guān)，當(dāng)控制信號(hào)有效時(shí)，點(diǎn)火電路被切斷，汽車無法正常啟動(dòng)。電源電路采用集成式開關(guān)電源和分離降壓模塊LM1117產(chǎn)生5 V和3.3 V電壓以供各模塊用電。具體電路如圖5所示。

1.2 ?軟件流程

上電后系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化設(shè)置，以確保各功能模塊正常工作。初始化完成后，系統(tǒng)依次執(zhí)行切斷點(diǎn)火電路、LCD顯示系統(tǒng)正常的指令，并開始采集傳感器的測量數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到方向盤處的MQ?3輸出數(shù)字信號(hào)0時(shí)，系統(tǒng)直接進(jìn)行報(bào)警，說明駕駛員已經(jīng)達(dá)到嚴(yán)重醉酒駕駛的程度;而當(dāng)其輸出數(shù)字信號(hào)1時(shí)，則對(duì)各酒精傳感器輸出用三次樣條插值算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，實(shí)時(shí)計(jì)算各測量結(jié)果，經(jīng)干擾識(shí)別后與預(yù)設(shè)值相比較，當(dāng)結(jié)果小于預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)接通點(diǎn)火電路，否則便進(jìn)行語音報(bào)警和LCD提示。軟件流程見圖6。

圖5 ?其他模塊電路圖

圖6 ?軟件流程圖

圖6中的干擾識(shí)別是將汽車?yán)锩姘卜诺母鱾€(gè)傳感器的酒精濃度相對(duì)比，用多種算法實(shí)現(xiàn)，比如支持向量機(jī)算法。以Ca，Cb，Cc分別表示駕駛員、副駕和后排乘客的酒精測量濃度，M表示預(yù)設(shè)下限值，當(dāng)Ca>Cb&&Ca>Cc，且Ca>M時(shí)判定為酒駕;當(dāng)CaM時(shí)則采用支持向量機(jī)法準(zhǔn)確計(jì)算Ca的實(shí)際值。

2 ?三次樣條插值算法

當(dāng)插值節(jié)點(diǎn)很多時(shí)，使用高次多項(xiàng)式插值容易使數(shù)值不穩(wěn)定并增加舍入誤差，而一般的分段低次插值法又會(huì)導(dǎo)致插值函數(shù)在子區(qū)間的端點(diǎn)處不光滑。三次樣條插值[8]由分段三次曲線連接而成，在連接點(diǎn)處具有二階連續(xù)導(dǎo)數(shù)，從而可以確保在連接點(diǎn)處的光滑性，因此三次樣條插值具備分段低次插值最好的效果。

通常，對(duì)閉合區(qū)間[[A，B]]進(jìn)行某一確定劃分[A=x0

1） 在區(qū)間[[A，B]]上具有連續(xù)二階導(dǎo)數(shù);

2） 在每個(gè)子區(qū)間[[xi，xi+1]][（0≤i≤n-1）]上，[s（x）]為三次多項(xiàng)式;

3） 滿足插值條件[s（xi）=yi]，其中[i=0，1，2，…，n]。則稱[s（x）]為三次樣條插值函數(shù)。根據(jù)[s（x）]在內(nèi)節(jié)點(diǎn)[xi]（[i=1，2，…，n-1]）處連續(xù)及自然邊界條件可得：

[s（xi-0）=s（xi+0）s′（xi-0）=s′（xi+0）s″（xi-0）=s″（xi+0）s″（x0）=s″（xn）=0] ? ? ? ? ? （1）

為了求解[s（x）]，假定[s′（xi）=mi]，利用分段三次Hermite插值，可將[s（x）]表述為：

[s（x）=i=0nyiαi（x）+miβi（x）] ? ? ? ?（2）

式中，[αi（x）]和[βi（x）]是分段三次Hermite插值基函數(shù)。記[hi=xi+1-xi]，則在區(qū)間[[xi，xi+1]]上，[s（x）]為：

[s（x）=（x-xi+1）2hi+2（x-xi）h3iyi+（x-xi+1）2（x-xi）h2imi+（x-xi）2hi+2（xi+1-x）h3iyi+1+（x-xi）2（x-xi+1）h2imi+1]

連續(xù)兩次對(duì)其求導(dǎo)，可得：

[s″（x）=6x-2xi-4xi+1h2i·mi+6x-4xi-2xi+1h2i·mi+1+ ? ? ? ? ? ? ? 6（xi+xi+1-2x）h3i·（yi+1-yi）] ? ? ? （4）

代入插值節(jié)點(diǎn)xi，則有：

[s″（xi+0）=-4himi-2himi+1+6h2i（yi+1-yi）] （5）

同理，由[s（x）]在[[xi-1，xi]]上的表達(dá)式及類似上面的推導(dǎo)可得：

[s″（xi-0）=2hi-1mi-1+4hi-1mi-6h2i-1（yi-yi-1）] ?（6）

由內(nèi)節(jié)點(diǎn)[xi]處的連續(xù)性條件得：

[2hi-1mi-1+41hi-1+1himi+2himi+1= ? ? ? 6yi+1-yih2i+yi-yi-1h2i-1] ? ? ?（7）

式中，[i=1，2，…，n-1]。將自然邊界條件中的[s″（x0）]和[s″（xn）]分別代入式（5）、式（6）可以得到式（8）所示關(guān)系式：

[2m0+m1=3fx0，x1mn-1+2mn=3fxn-1，xn] ? ? ? ? （8）

由式（7）和式（8）共同組成的方程組系數(shù)矩陣為非奇異矩陣，故方程組存在惟一解，將求解得到的各未知數(shù)[mi]代入式（2）即可求得其三次樣條插值函數(shù)[s（x）]。

3 ?溫度補(bǔ)償過程

通過擬合標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)酒精氣體濃度和MQ?3輸出值之間的插值函數(shù)曲線，達(dá)到直接補(bǔ)償傳感器測量誤差的作用。在m+1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度Ti（i=0，1，2，…，m），n+1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)酒精氣體濃度Cj（k=0，1，2，…，n）下進(jìn)行傳感器的標(biāo)定，基于標(biāo)定數(shù)據(jù)得到輸入輸出關(guān)系：

[Oij=f（Ti，Cj）] （9）

下面介紹利用三次樣條插值算法對(duì)酒精傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)木唧w步驟[9]：

1） 固定溫度Ti，對(duì)酒精傳感器的模擬輸出值Oij和標(biāo)準(zhǔn)酒精氣體濃度Cj進(jìn)行三次樣條插值，i從0～m取值，得到m+1條輸出信號(hào)與被測濃度的插值曲線;

2） 將實(shí)際測量的傳感器輸出O分別代入這m+1條曲線，可得m+1個(gè)被測濃度Ci;

3） 對(duì)Ti和Ci進(jìn)行三次樣條插值，得T與C插值曲線;

4） 將實(shí)際測得的環(huán)境溫度代入T與C的插值曲線，便能求得與T，O所對(duì)應(yīng)的C。

4 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4.1 ?酒精傳感器標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)中，以25%的1 mL酒精從1倍稀釋到10倍，得到稀釋倍數(shù)和酒精濃度（mg/L）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中采用恒溫恒濕高低溫箱提供各種溫度測試環(huán)境，以20 ℃為基準(zhǔn)值，每5 ℃記錄一次酒精傳感器的A/D轉(zhuǎn)換值，得到70個(gè)標(biāo)定數(shù)據(jù)。以溫度為x軸、酒精濃度A/D值為y軸、酒精濃度為z軸，使用Matlab中的griddata（ ）函數(shù)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 ?酒精傳感器原始輸出數(shù)據(jù)

在環(huán)境溫度為25 ℃，空氣相對(duì)濕度為46%RH，1.01×105 kPa標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，使用Matlab中的三次樣條插值函數(shù)spline（ ）擬合傳感器A/D值和酒精濃度的函數(shù)圖形，得到圖8中實(shí)線曲線。改變測量環(huán)境溫度，得到對(duì)應(yīng)20 ℃和30 ℃的傳感器輸出曲線，分別見圖8中虛線和細(xì)線?？梢钥闯?，在常態(tài)下，標(biāo)定的酒精傳感器在不同溫度環(huán)境下工作時(shí)會(huì)帶來測量誤差，因此需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖8 ?酒精傳感器MQ?3的標(biāo)定曲線

以環(huán)境溫度為32 ℃，濕度為46%RH，MQ?3輸出值為1.20 V，求此刻的酒精濃度值為例，將1.20 V分別代入與20 ℃，25 ℃，…，50 ℃對(duì)應(yīng)的插值曲線，得到其所在插值區(qū)間的酒精濃度如表2所示。

將酒精濃度值對(duì)溫度進(jìn)行三次樣條插值，得到如圖9所示擬合曲線，求得32 ℃所對(duì)應(yīng)的濃度值為0.202 mg/L。

圖9 ?1.2 V輸出時(shí)的酒精濃度曲線

4.2 ?對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該溫度補(bǔ)償方案的有效性，將本酒駕測控系統(tǒng)與KY?8200酒駕專用檢測儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如表3所示，其中#1代表KY?8200，#2代表本文系統(tǒng)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，采用三次樣條插值方法補(bǔ)償標(biāo)定后的傳感器MQ?3能夠?qū)凭珰怏w濃度進(jìn)行較準(zhǔn)確的測量，其平均誤差為0.01 mg/L，能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

5 ?結(jié) ?論

本文選用功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的ARM處理器作為控制器，配合Linux，WinCE等操作系統(tǒng)能夠避免使用單片機(jī)所帶來的功能單一、系統(tǒng)可擴(kuò)展性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，對(duì)酒駕測控系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)，三次樣條插值算法的引入提高了系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，該算法簡單方便且易于編程實(shí)現(xiàn)，在酒駕測控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用方面具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。后續(xù)的研究工作可在已有嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入駕駛員疲勞識(shí)別、全球定位系統(tǒng)（GPS）、通用分組無線服務(wù)（GPRS）等功能。當(dāng)檢測到駕駛員屬于飲酒或疲勞駕駛時(shí)給出報(bào)警，若駕駛員采取暴力手段執(zhí)意啟動(dòng)汽車，則系統(tǒng)通過GPRS將車輛信息（車牌號(hào)、車輛位置）實(shí)時(shí)地發(fā)送到交管部門監(jiān)控中心，以便及時(shí)出警予以制止，將危險(xiǎn)駕駛扼制在第一時(shí)間。

注：本文通訊作者為舒朝君。

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