可以根據(jù)路況調(diào)整的車速限制系統(tǒng)研制

周定華，李 源，朱向冰

（1.奇瑞商用車 （安徽）有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002）

超速行駛是造成大多數(shù)道路交通事故的重要原因，因此各個國家對車速限制方面尤其重視，如在中國對高速公路、橋梁和隧道、人口密集的市區(qū)都有嚴格的車速限制［1］。車速限制的目的是為了減少車禍，提供更加安全的駕駛技術，有效地減少車禍發(fā)生的幾率和造成的損失?，F(xiàn)有汽車中已經(jīng)實現(xiàn)限速及報警方案［2-4］，但主要通過自動識別限速標牌來警告和提示用戶的超速情況，這種方案限速值是固定的，難以根據(jù)路況復雜程度做出更改，當路況較復雜時，實際行駛的車速往往應遠小于該數(shù)值，因而有必要在汽車上增加一種可調(diào)節(jié)式限速系統(tǒng)，實現(xiàn)主動式的限速功能。

1 工作原理

首先由用戶決定限速功能是否開啟。當需要關閉限速功能時，用戶按下屏蔽開關，不執(zhí)行限速功能，組合儀表接收到開關信號，相應的LED指示燈閃爍表明用戶不需要限速功能；當需要開啟限速功能時，用戶再一次按下屏蔽開關，執(zhí)行限速功能，組合儀表中相應的LED指示燈常亮，表示用戶需要限速功能，通過攝像頭及圖像識別單元、導航儀、語音識別模塊獲取最大允許速度，組合儀表通過CAN總線獲取整車的實際速度并計算平均值，將速度的平均值與限制速度相比較，判斷是否開啟報警，如果超速，組合儀表通過CAN總線給發(fā)動機控制單元發(fā)送信號，降低車速。在系統(tǒng)中還設置了一個低速報警，當在高速公路上速度過低時，系統(tǒng)只報警并不增加速度。

汽車通過攝像頭識別道路上的限速標志，獲取基本的限速值，汽車也可以通過導航地圖信號獲取限速值，如果兩個值不一致時，一般選取較低的值，也可以由用戶判斷該用哪一個值。

為了方便用戶使用，本系統(tǒng)使用組合儀表中的車載語音模塊，不僅向用戶播報各種信息，還接收用戶的語音命令，用戶通過語音可以進一步降低限速值，實現(xiàn)根據(jù)周圍路況而調(diào)整限速值的功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

車速限制系統(tǒng)由屏蔽開關、攝像頭及圖像識別單元、組合儀表、CAN總線和發(fā)動機控制單元組成。汽車限速系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 汽車限速系統(tǒng)

現(xiàn)有技術通常采用單片機作為限速器的處理控制單元［5-6］，本文的組合儀表中也使用單片機。圖1中組合儀表集成了限速設置和報警功能，通過組合儀表可以調(diào)節(jié)速度的限值，在偏離速度限值以后發(fā)出聲光報警。組合儀表中的液晶屏也用來顯示當前車速和限速值。組合儀表中的語音模塊具有語音識別功能，捕捉用戶語言中的車速信息，當需要改變限速值時，通過語音反饋給用戶。

語音識別系統(tǒng)采用的是LD3320芯片，該芯片基于非特定人語音識別技術，芯片上內(nèi)置單聲道m(xù)ono 16-bit A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、雙聲道stereo 16-bit D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換通道、550 mW的內(nèi)置放大器、20 mW的雙聲道耳機放大器接口，不需要外接AD芯片，只需要把麥克風接在芯片的AD引腳上；同時不需要外接輔助的Flash和RAM，降低了系統(tǒng)成本。LD3320支持并行接口或者SPI協(xié)議，并內(nèi)置鎖相電路PLL，輸入主控時鐘頻率為2~34 MHz，在待機狀態(tài)下電流為1 μA，工作電壓為3.3 V，可以與多種單片機連接來實現(xiàn)語音識別/聲控系統(tǒng)。

在一些特殊場合下，為方便用戶使用，必須關閉限速功能，其中增加了一個快捷鍵——屏蔽開關，方便用戶使用。

攝像頭及圖像識別單元采用其他公司生產(chǎn)的成熟的產(chǎn)品，其具有MicroPython板載解析器，可以運行基于機器視覺算法的程序，與單片機之間通過串口通信，可以快速方便地識別限速標識牌中的信息，并與組合儀表交換數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品采用OpenMV技術，使用OpenMV IDE開發(fā)平臺，現(xiàn)階段本文只用它檢測道路標識牌，在后續(xù)的工作中還將用它檢測道路信號，如交通標線、交通護欄等，還可以用來檢測道路中的其它車輛和行人，根據(jù)安全車距計算出能夠行駛的最高速度，產(chǎn)生新的限速信號。

組合儀表上還預留一個車載導航儀的接口，導航儀可以將道路的限速值傳遞給組合儀表，在組合儀表中與圖像識別單元發(fā)出的限速信號進行比較。本文設計了一個簡單的組合儀表與導航儀之間的通信協(xié)議，由于目前沒有合適的車載導航儀，所以該功能暫時沒有對用戶開放，在圖1中也沒有標出上述接口。

在發(fā)動機控制單元中CPU是核心部分，它具有運算與控制功能，在本系統(tǒng)中，發(fā)動機在運行時，采集各傳感器的信號進行運算，并將運算結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動機控制信號。發(fā)動機控制單元接收到組合儀表通過CAN總線傳來的減速信號后，自動降低發(fā)動機的速度，即使用戶仍然加大油門，車速也不會增加，維持在限速范圍內(nèi)，實現(xiàn)限速功能。

除了圖1中提到的硬件以外，系統(tǒng)硬件電路中還有CAN總線元件。本文采用CAN總線技術連接各個設備，使整車所有電子控制系統(tǒng)做到資源共享，互相協(xié)調(diào)。本文中的組合儀表和發(fā)動機控制單元之間采用CAN總線連接，糾錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作，保證了系統(tǒng)的性能。

3 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)本系統(tǒng)的硬件結(jié)構和控制思想，本文編寫了相應的軟件程序，圖2是主程序流程圖，在限速功能啟動后，刪除之前存儲的限速信息，初始化語音識別系統(tǒng)，攝像頭及圖像識別單元也分別初始化，獲取車載導航系統(tǒng)的限速數(shù)據(jù)，修改內(nèi)部存儲的限速數(shù)據(jù)，通過CAN總線獲取車輛的實際速度，將實際速度與存儲的限速數(shù)據(jù)進行比較，如果實際速度過高，通過CAN總線向發(fā)動機控制單元發(fā)送減速信號，組合儀表顯示文字提示并發(fā)出報警聲音。

圖2 主程序流程圖

語音識別系統(tǒng)接收到減速命令后，向組合儀表發(fā)送信號，組合儀表在中斷程序中響應語音識別系統(tǒng)，修改限速數(shù)據(jù)。

在組合儀表的中斷程序內(nèi)還響應攝像頭及圖像識別單元、導航儀發(fā)來的限速信號，為了安全起見，本文的系統(tǒng)可以自動取其中最低的限速信號，但是考慮到攝像頭及圖像識別單元、導航儀、語音識別系統(tǒng)都可能出現(xiàn)故障，此時用戶可以直接關閉限速功能。本文不再贅述中斷服務程序的流程圖。

4 總結(jié)

限制車速能避免因超速行駛造成的交通事故，特別是對運輸危險品的車輛、專用校車、公路客車及旅游客車來說尤其重要。為了克服現(xiàn)有系統(tǒng)不能根據(jù)路況修改限速的缺點，本系統(tǒng)中的攝像頭及圖像識別單元不僅識別道路標識，還根據(jù)實際路況修改最大允許速度，從而提高系統(tǒng)的安全性。

本系統(tǒng)中集成了語音識別功能，可直接輸入語音命令，取締了用戶只能在中控面板中手動設定限速值的方法，提高了駕駛安全性；當實際車速超過限制車速時，不僅向用戶提供報警提示，同時系統(tǒng)會根據(jù)設置的限速值自動降低車速，方便用戶使用。

由于本系統(tǒng)還處于研發(fā)階段，語音識別功能還存在著一些缺陷。和其他讀取限速標志的方案類似［7-8］，在霧天狀況下，本文的攝像頭及圖像識別單元還不能準確判斷路況，在這種情況下駕駛員一般都會主動降低速度?，F(xiàn)階段還需要進一步完善語音識別功能，在不久的將來，等到語音識別功能完善以后，本系統(tǒng)將逐步推廣。