基于RFID車車通信的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧昊倫，王軍年，邱鵬鋮，魏夢巖，嚴(yán) 云

(吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長春 130025)

近年來，交通事故頻發(fā)，汽車碰撞成為最主要的交通事故形式，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)等主動(dòng)安全技術(shù)具有重要的研究意義。美國加州大學(xué)伯克利分校研究了防撞控制；通用汽車公司研發(fā)了“視覺控制雷達(dá)”防碰撞系統(tǒng)[2-3]；日本Eaton VORAD公司研制了汽車防撞雷達(dá)；豐田汽車公司將視覺系統(tǒng)和毫米波雷達(dá)結(jié)合，通過視覺圖像處理對(duì)車距進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測[4]；韓國Moon等[5]研究了走-停系統(tǒng)，并將主動(dòng)防撞功能整合到自適應(yīng)巡航系統(tǒng)；北京泰遠(yuǎn)科技有限公司研制的“泰遠(yuǎn)”牌汽車防撞器針對(duì)障礙物運(yùn)動(dòng)和靜止有兩種工作模式；河南超越汽車有限公司的防撞產(chǎn)品將紅外探頭安裝在汽車前端，以檢測前方車輛[6-7]；吉林大學(xué)王軍年等[8]利用超聲波雷達(dá)檢測車體后方物體運(yùn)動(dòng)并對(duì)車門進(jìn)行鎖死控制，采用激光三角測距原理檢測車身兩側(cè)障礙物,限制車門開啟角度；南京工程學(xué)院滕飛等[9]設(shè)計(jì)的汽車側(cè)門開啟防碰撞預(yù)警系統(tǒng)通過超聲波檢測模塊檢測周圍環(huán)境，所得環(huán)境信號(hào)經(jīng)處理后判斷是否預(yù)警；德賽西威公司[10]發(fā)明的預(yù)警系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)身份識(shí)別號(hào)(ID)庫，使標(biāo)簽ID與車輛周邊的事物信息一一對(duì)應(yīng)。停車后，系統(tǒng)采集識(shí)別到的信息與ID庫中的標(biāo)簽ID匹配，并根據(jù)標(biāo)簽的種類發(fā)出相應(yīng)預(yù)警。

綜上所述，現(xiàn)有智能駕駛輔助系統(tǒng)的防碰撞預(yù)警大多是基于車載視覺和雷達(dá)感知技術(shù)的單車智能防碰撞預(yù)警，市面上的汽車防碰撞系統(tǒng)多采用紅外線、超聲波、雷達(dá)等技術(shù)手段等進(jìn)行檢測和預(yù)警[11]。車載視覺測距實(shí)時(shí)性較低且測量精度受限于攝像頭分辨率和視覺信號(hào)處理方法；紅外線、超聲波在惡劣天氣時(shí)穿透能力較低且灰塵、煙霧籠罩時(shí)傳感器性能較差；雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別能力較差且成本較高。

目前無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)已基本成熟，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[12]。隨著高速公路過橋費(fèi)電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)的普及，車輛普遍裝有RFID模塊。該無線通信技術(shù)具有成本低、普及量大、準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)。為此，本文提出基于RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)車-車通信，且專門針對(duì)停車路段容易發(fā)生的碰撞事故提供一套可行的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為簡化說明，道路行駛車輛用A車表示，停車路段停放車輛用B車表示。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。本系統(tǒng)提出的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)分別布置于行駛車輛A車和停放車輛B車。安裝在A車的裝置由電源、信息采集模塊(包括前置攝像頭、毫米波雷達(dá)、車速傳感器)、預(yù)警模塊、RFID模塊、控制器、汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)(包括主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(AFS)和自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(AEB))組成；安裝在B車的裝置由電源、信息采集模塊(包括方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車速傳感器、車門開啟角度傳感器)、控制器和RFID模塊組成。

圖1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)A車行駛于停車路段的慢速車道上時(shí)，會(huì)發(fā)出帶有地址的RFID觸發(fā)信號(hào)，此信號(hào)發(fā)出后以局域網(wǎng)的形式傳播，即只要處在一定范圍內(nèi)的停放車輛皆可受到觸發(fā)。此時(shí)如果停車路段上有停放車輛B車即將起步或存在車門開啟這一動(dòng)作時(shí)，則B車信息采集模塊中的各類傳感器會(huì)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)信息傳至控制器，到達(dá)電子標(biāo)簽中，再經(jīng)A車的無線射頻信號(hào)激發(fā)使B車向A車發(fā)出帶有地址且攜帶本車狀態(tài)信息的無線射頻信號(hào)，A車RFID模塊接收并將其傳至控制器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和安全判定，根據(jù)不同的判定結(jié)果完成后續(xù)的預(yù)警和駕駛輔助操作。

2 各硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制器中采用16位Freescale9S12型單片機(jī)，具有速度快、功耗低、性能高的特點(diǎn)，并具有較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力，可滿足系統(tǒng)所需處理功能。A車子系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2 所示。A車控制器與A車的車速傳感器、前置攝像頭、毫米波雷達(dá)、語音預(yù)警模塊、RFID模塊、AEB、AFS相連，通過處理自身傳感器檢測到的本車車速、距離和視覺信號(hào)等狀態(tài)信息以及接收到的包含B車狀態(tài)信息的RFID信號(hào)，進(jìn)行判定處理，根據(jù)判定結(jié)果傳遞相應(yīng)數(shù)字信號(hào)控制對(duì)應(yīng)模塊或系統(tǒng)完成后續(xù)預(yù)警或駕駛輔助等操作。B車子系統(tǒng)硬件組成框圖如圖3所示。B車控制器與B車的車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車門開啟角度傳感器、RFID模塊相連。在RFID模塊接收A車帶有地址的RFID觸發(fā)信號(hào)后，B車信息采集模塊中的各類傳感器會(huì)監(jiān)測車速、轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)信息和車門開啟狀況，將數(shù)據(jù)信息傳至控制器，并存入電子標(biāo)簽中，經(jīng)RFID模塊發(fā)射攜帶本車狀態(tài)信息的RFID信號(hào)。

圖2 A車子系統(tǒng)硬件組成框圖

圖3 B車子系統(tǒng)硬件組成框圖

2.2 RFID模塊設(shè)計(jì)

RFID模塊電氣組成框圖如圖4所示，RFID模塊主要由電子標(biāo)簽、讀寫器和天線組成。由于該系統(tǒng)的工作環(huán)境為停車路段和慢速車道，信息的傳遞量較大(包含車身部分設(shè)計(jì)參數(shù)、車速和車輪轉(zhuǎn)角等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息)，依據(jù)《機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)讀寫設(shè)備通用規(guī)范》(GB/T 35786—2017)[13]，擬采用BRT-02型電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽優(yōu)點(diǎn)為通信距離遠(yuǎn)、讀寫靈敏度高、物理特性良好，芯片內(nèi)存和讀寫靈敏度符合國家標(biāo)準(zhǔn)，能夠存儲(chǔ)較大數(shù)量的數(shù)據(jù)信息，適用于此工作環(huán)境；讀寫器則采用CNIST CN-9800超高頻(UHF)遠(yuǎn)距離讀寫器，其讀寫頻率、讀寫靈敏度、存儲(chǔ)容量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，其靜態(tài)識(shí)讀距離可達(dá)20 m，明顯優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最低靜態(tài)識(shí)讀距離12 m。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的信號(hào)范圍并接收無線射頻信號(hào)后，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，讀寫器讀取信息解碼后，送至中央處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 RFID模塊電氣組成框圖

2.3 預(yù)警模塊設(shè)計(jì)及預(yù)警時(shí)序確定

預(yù)警模塊主要包括警示燈和揚(yáng)聲器。在控制器處理好數(shù)據(jù)后，與已知的安全范圍進(jìn)行比較，若超出安全范圍則觸發(fā)揚(yáng)聲器，發(fā)出語音預(yù)警或閃爍警示燈。語音模塊可采用N588D作為語音芯片，N588D系列語音單片機(jī)具有功能多、音質(zhì)好、應(yīng)用范圍廣、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷。預(yù)警時(shí)序包括預(yù)警信號(hào)收發(fā)、觸發(fā)預(yù)警和預(yù)警響應(yīng)3個(gè)過程。在預(yù)警信號(hào)收發(fā)過程中，A車首先借助自身配備的前置攝像頭捕捉路況畫面，然后將畫面信息傳送至自身控制器進(jìn)行處理，若處理結(jié)果顯示檢測到前方停車路段存在停放車輛B車，且此時(shí)A車正行駛于慢速車道，則觸發(fā)自身的RFID模塊，發(fā)出帶有地址的RFID觸發(fā)信號(hào)，B車電子標(biāo)簽經(jīng)此信號(hào)激發(fā)后隨即發(fā)出攜帶自身數(shù)據(jù)信息且同樣帶有地址的RFID反饋信號(hào)，即預(yù)警信號(hào)，而后被A車接收。接下來為觸發(fā)預(yù)警過程，A車控制器將所獲B車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息和自身狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，若數(shù)據(jù)處理結(jié)果符合判據(jù)，則會(huì)觸發(fā)預(yù)警。預(yù)警響應(yīng)為儀表盤中碰撞預(yù)警燈閃爍提醒駕駛員已行至路邊有停車路段，并且控制語音揚(yáng)聲器播放語音，提示駕駛員留意路邊停放車輛，小心駕駛。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)軟件的功能需求按工作場景分為停車路段停放車輛起步和車門開啟兩種情況。

停車路段停放車輛起步防碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作場景如圖5所示。該工作場景為停放車輛突然起步并線入道的突發(fā)場景情況，A車行駛于慢車道，B車停在停車路段。A車的毫米波雷達(dá)測得其前保險(xiǎn)杠距離B車后保險(xiǎn)杠的縱向距離為SL，橫向距離為SS；A車的車速VA由A車的車速傳感器測得；B車的瞬時(shí)速度VB由B車的車速傳感器測得；B車車輪的轉(zhuǎn)角δB經(jīng)方向盤轉(zhuǎn)角傳感器獲得后再通過式(1)計(jì)算可得；A車的車寬為WA，B車的車寬為WB，軸距為LB。

圖5 停車路段停放車輛起步防碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作場景

(1)

式中，θB為B車的方向盤轉(zhuǎn)角，°；iS是方向盤轉(zhuǎn)角與車輪轉(zhuǎn)角的傳動(dòng)比。

運(yùn)用上述已知數(shù)據(jù)建立預(yù)警機(jī)制模型。在安全情況下，應(yīng)滿足在兩車運(yùn)動(dòng)到軌跡相互重合的臨界位置時(shí)，B車橫向位移SmoveB小于兩車的橫向距離SS，即SmoveB

(2)

在本場景中，判據(jù)應(yīng)為:SmoveB

停車路段停放車輛車門開啟防碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作場景如圖6所示。該工作場景為停放車輛突然有車門開啟動(dòng)作，此時(shí)，A車行駛于慢車道，停車路段B車正在開啟車門。

圖6 停車路段停放車輛車門開啟防碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作場景

A車的毫米波雷達(dá)測得其與B車的橫向距離SS；B車的前、后門開啟角度傳感器測得前門開啟角度為θdf，后門開啟角度為θdr。

運(yùn)用上述已知數(shù)據(jù)建立預(yù)警機(jī)制模型。在安全情況下，應(yīng)滿足兩車的橫向距離大于B車車門開啟后占據(jù)橫向的最大長度Sopen，其中Sopen可通過將WA、WB、LB、θdf、θdr和SL0代入式(3)得出前門和后門的Sopenf和Sopenr，此時(shí)判據(jù)應(yīng)為：SS>max{Sopenf,Sopenr}。

(3)

式中，kd為車門寬度計(jì)算系數(shù)，由于汽車的車門一般與汽車軸距存在線性關(guān)系，且前后車門存在差異，kd取2.5～3.0，本場景取2.5；θd為車門開啟角度，°，分為前門開啟角度θdf和后門開啟角度θdr，車門開啟角度一般為45°～90°，代入式(3)可分別得到Sopenf和Sopenr。

若處理結(jié)果符合判據(jù)，則觸發(fā)后續(xù)語音預(yù)警過程；反之，A車底盤域控制器控制AEB和AFS，根據(jù)感知的環(huán)境狀況，協(xié)調(diào)決策完成自動(dòng)緊急剎車或自動(dòng)緊急避障變線的車輛運(yùn)動(dòng)，以避讓B車起步上道或車門開啟導(dǎo)致的碰撞危險(xiǎn)。

3.2 控制軟件流程

防碰撞控制軟件流程如圖7所示。防碰撞控制軟件操作步驟：

圖7 防碰撞控制軟件流程

(1) A車通過自身配備的硬件設(shè)施讀取得到B車發(fā)送的狀態(tài)信息。

(2) A車獲得自身的相關(guān)狀態(tài)信息以及與B車的實(shí)時(shí)距離信息。

(3) A車通過確定獲得的信息里有無B車前輪轉(zhuǎn)角信息從而判斷屬于哪種工作情況，若檢測到有前輪轉(zhuǎn)角信息則說明是停放車輛起步預(yù)警工況，若無，則說明是停放車輛車門開啟預(yù)警工況。

(4) 根據(jù)不同的工況運(yùn)用不同的安全判據(jù)。

(5) 根據(jù)安全判定結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的語音預(yù)警或駕駛輔助操作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用模型車，搭建相關(guān)試驗(yàn)場景完成驗(yàn)證。由于本實(shí)驗(yàn)未采用實(shí)車，模型車包括車速傳感器、毫米波雷達(dá)、前置攝像頭、預(yù)警模塊、RFID模塊、車輪轉(zhuǎn)角傳感器和控制器，未包括AEB、AFS和車門開啟角度傳感器以外的其他硬件設(shè)備。其中，預(yù)警模塊包括警示燈和蜂鳴器。車速傳感器用于采集兩車的車速信息；毫米波雷達(dá)用于采集模型車A與模型車B的距離信息；前置攝像頭用于捕捉路面信息；預(yù)警模塊中的警示燈和揚(yáng)聲器用于顯示預(yù)警效果；RFID模塊用于兩輛車之間的通信；車輪轉(zhuǎn)角傳感器用于獲得車輪轉(zhuǎn)角信息；控制器用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過上述硬件設(shè)備能夠滿足本實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證要求。

試驗(yàn)場景如圖8所示。初始狀態(tài)下，模型車A和模型車B分別靜止在慢車道和停車路段上。預(yù)警場景如圖9所示。試驗(yàn)開始后，模擬停放車輛起步上道，兩車在運(yùn)動(dòng)過程中通過自身的硬件設(shè)備獲得實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，并通過RFID模塊完成信息傳遞，其中模型車A的車速快于模型車B。經(jīng)控制器處理數(shù)據(jù)顯示本次實(shí)驗(yàn)場景下并不滿足安全判據(jù)：SmoveB

圖8 試驗(yàn)場景

圖9 預(yù)警場景

5 結(jié)論

為解決路邊側(cè)方位停放車輛起步或車門開啟與道路行駛車輛發(fā)生碰撞的問題，采用較為成熟且成本合理的RFID技術(shù)進(jìn)行車間信息傳遞，設(shè)計(jì)了基于RFID車-車通信的防碰撞預(yù)警系統(tǒng)軟硬件方案。通過搭建模型及其場景，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠有效避免狹窄城市道路路邊停放車輛突然駛?cè)胲嚨阑蜷_啟車門造成的事故，相比現(xiàn)有技術(shù)，在一定程度上解決了城市道路停放車輛的通行效率和安全問題，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有實(shí)用價(jià)值。后續(xù)將進(jìn)行更深入的實(shí)車試驗(yàn)，更加全面系統(tǒng)地驗(yàn)證該系統(tǒng)的預(yù)警效果。