商用車駕駛員視野盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及基于信息安全和低成本考慮的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

鄭子健，鄭繼翔，劉 蒙

（中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津300300）

近年來，商用車保有量持續(xù)上升，而商用車引發(fā)的交通事故比例也在不斷增加，尤其是商用車轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生的傷亡事故明顯增加。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，大約有30%的交通事故是由駕駛員進(jìn)入視野盲區(qū)導(dǎo)致的[1]。在商用車低速轉(zhuǎn)彎時(shí)，車身兩側(cè)存在內(nèi)輪差盲區(qū)，同時(shí)A 柱與后視鏡視野也存在盲區(qū)，尤其在右轉(zhuǎn)彎時(shí)盲區(qū)的范圍較大，極易導(dǎo)致商用車與盲區(qū)中的其他交通參與者發(fā)生碰撞[2]。行人與非機(jī)動(dòng)車輛作為弱勢(shì)交通參與者，若處于商用車駕駛員視野盲區(qū)內(nèi)，極易與商用車發(fā)生碰撞，傷亡率很高。研究表明，若駕駛員能夠提前1~2 秒察覺到潛在危險(xiǎn)，作出正確的判斷并及時(shí)采取相應(yīng)的措施，交通事故發(fā)生率將大幅減小[3]。

隨著車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外商用車市場(chǎng)均對(duì)車輛的安全性與舒適性提出更高的要求。因此，開展商用車駕駛員視野盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的研究至關(guān)重要。

1 盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在20 世紀(jì)初，很多主機(jī)廠和供應(yīng)商推出了各種盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)車輛正后方以及側(cè)后方盲區(qū)范圍內(nèi)的車況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到有車輛接近本車時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提醒駕駛員。在各主機(jī)廠和供應(yīng)商研發(fā)的盲區(qū)預(yù)警系統(tǒng)中，具有較高研究?jī)r(jià)值的有CamCar 系統(tǒng)、BLIS 系統(tǒng)、LCA/BSD 系統(tǒng)和盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。CamCar 系統(tǒng)為福特汽車公司研發(fā)的視覺觀察輔助系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)將攝像頭安裝在車尾和車輛外后視鏡上，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)攝像頭角度以適應(yīng)當(dāng)前的交通場(chǎng)景，為駕駛員獲取最佳觀察視角，拓展視野范圍。BLIS 系統(tǒng)也是福特汽車公司推出的系統(tǒng)，采用兩個(gè)多線束雷達(dá)監(jiān)測(cè)車輛兩邊的盲點(diǎn)區(qū)域，當(dāng)探測(cè)到移動(dòng)物體時(shí)，通過后視鏡上的LED 燈閃爍報(bào)警提示駕駛員。LCA/BSD 系統(tǒng)由Mobileye 公司研發(fā)[5]，該系統(tǒng)通過安裝在側(cè)邊后視鏡上的攝像頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并判斷當(dāng)前場(chǎng)景下的換道操作是否安全。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)于商用車駕駛員視野盲區(qū)的研究起步較晚。張正軒[6]等基于全景影像和超聲波雷達(dá)研究了駕駛員視野盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用全景影像使駕駛員知悉車輛的周邊環(huán)境，同時(shí)使用超聲波雷達(dá)探測(cè)車輛兩側(cè)與后方盲區(qū)內(nèi)的障礙物。李磊磊等[7]利用廣角攝像頭和毫米波雷達(dá)，研究了大型貨車視野盲區(qū)的層疊式預(yù)警系統(tǒng)，可有效解決內(nèi)輪差盲區(qū)導(dǎo)致的商用車安全問題。在近幾年國內(nèi)主機(jī)廠新推出的一些高端車型上，已經(jīng)搭載了環(huán)視移動(dòng)物體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)方法分析

目前應(yīng)用到商用車與乘用車盲區(qū)的障礙物檢測(cè)方法，大多使用攝像頭、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光傳感器或紅外裝置。

根據(jù)攝像頭的圖像采集范圍分類，一般分為平角攝像頭和廣角攝像頭。平角攝像頭的圖像采集范圍較小，若布置到商用車上，需要的攝像頭數(shù)量較多，不利于實(shí)車布置和圖像拼接處理。故在商用車全景監(jiān)控系統(tǒng)中一般采用廣角攝像頭，6 顆攝像頭即可滿足商用車360°范圍的檢測(cè)。但商用車倒車影像及全景影像技術(shù)發(fā)展較晚，由于輪胎高度、空載/重載等情況造成商用車攝像頭輸出的倒車軌跡線準(zhǔn)確性較差，對(duì)駕駛員指導(dǎo)意義較小。

超聲波雷達(dá)廣泛應(yīng)用于乘用車的泊車系統(tǒng)，具備穿透性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單與成本低的特點(diǎn)。但是超聲波也具有監(jiān)測(cè)范圍小、方向性差、散射角大和受天氣變化影響大的缺點(diǎn)。對(duì)于遠(yuǎn)距離的物體，超聲波測(cè)距的回波信號(hào)較為微弱，由此造成測(cè)量精度較低。且在車輛高速行駛時(shí)，超聲波測(cè)距不能實(shí)時(shí)跟進(jìn)車距的變化，測(cè)量誤差較大。因此，超聲波雷達(dá)適用于車輛起步或低速泊車時(shí)監(jiān)控車輛周圍近距離（5m 內(nèi)）的障礙物。

近幾年，毫米波雷達(dá)大規(guī)模應(yīng)用于乘用車與商用車的碰撞避免系統(tǒng)與盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)為精度高、穿透性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、分辨率高及受天氣影響小，可滿足全天候工作。市面上常見的毫米波雷達(dá)頻率為24GHz 和77GHz，毫米波雷達(dá)的頻率越高，則距離分辨率越高，目標(biāo)探測(cè)能力越強(qiáng)。目前已量產(chǎn)車型搭載較多的為24GHz 毫米波雷達(dá)，用以實(shí)現(xiàn)車輛左右側(cè)盲區(qū)的監(jiān)控。77GHz 雷達(dá)對(duì)加工工藝要求更高，成本較高，但隨著技術(shù)的發(fā)展和雷達(dá)的大規(guī)模量產(chǎn)，成本將逐步降低，未來將有更多的車型采用77GHz 雷達(dá)實(shí)現(xiàn)更高精度的探測(cè)。

激光傳感器測(cè)距具備速度快、精度高、量程范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是激光測(cè)距受惡劣天氣影響較大，因此限制了激光傳感器的使用。自動(dòng)駕駛車輛多采用激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境重建與目標(biāo)定位，然而激光雷達(dá)成本極高，目前無法用于大規(guī)模量產(chǎn)。

3 基于信息安全和低成本考慮的商用車全盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上章節(jié)的分析，本文提出一種基于全景攝像頭、前向與側(cè)向超聲波雷達(dá)以及后向毫米波雷達(dá)的商用車全盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)電氣原理圖與所用傳感器監(jiān)測(cè)范圍分別如圖1、圖2 所示，其中全景攝像頭（6 顆）用于識(shí)別車輛周圍的交通參與者，并判斷其運(yùn)動(dòng)軌跡。前向與側(cè)向超聲波雷達(dá)（8 顆）用以監(jiān)測(cè)近距離的障礙物，主要用于起步及低速右轉(zhuǎn)彎時(shí)彌補(bǔ)全景攝像頭的盲區(qū)。后向毫米波雷達(dá)用于監(jiān)測(cè)車輛側(cè)后方70m 范圍內(nèi)的車輛，輔以左后方與右后方的攝像頭可實(shí)現(xiàn)20m 范圍內(nèi)行人與非機(jī)動(dòng)車輛的精確識(shí)別。

圖1 全盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電氣原理圖

圖2 全盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍

3.1 系統(tǒng)工作過程

本文提出的商用車全盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能工作過程如下所示。

起步模式（車速為30km/h 以內(nèi)）：車輛起步時(shí)駕駛員需主要關(guān)注車頭盲區(qū)與垂直盲區(qū)。系統(tǒng)上電，全盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)控制器與多媒體控制器自檢完成后，首先在中控屏顯示圍繞車輛一周的視頻，以輔助駕駛員觀察車輛周圍的環(huán)境。車輛掛前進(jìn)擋后，中控屏顯示全景拼接畫面和車輛正前方視圖，前向攝像頭、左前攝像頭與右前攝像頭開始監(jiān)測(cè)前向3m 及左右6m 范圍內(nèi)的移動(dòng)物體（包括車輛與行人），同時(shí)前向與側(cè)向超聲波雷達(dá)開始監(jiān)測(cè)近距離的障礙物。若攝像頭檢測(cè)到與本車存在碰撞危險(xiǎn)的移動(dòng)物體或超聲波雷達(dá)檢測(cè)到距離車輛周圍1m 以內(nèi)的障礙物，則在拼接好的全景畫面相應(yīng)區(qū)域疊加紅色報(bào)警框，同時(shí)輔以儀表蜂鳴器報(bào)警提示駕駛員。車頭盲區(qū)與垂直盲區(qū)的報(bào)警分為三級(jí)：一級(jí)報(bào)警僅進(jìn)行視覺報(bào)警，無聲音報(bào)警，提示駕駛員注意該障礙物；二級(jí)報(bào)警包含視覺報(bào)警和低頻率的聲音報(bào)警，提示駕駛員需要通過制動(dòng)或轉(zhuǎn)向避開障礙物；三級(jí)報(bào)警包含視覺報(bào)警和高頻率的聲音報(bào)警，提示駕駛員需要全力制動(dòng)以避免與障礙物發(fā)生碰撞。

行車模式（車速為30km/h 以上）：車速達(dá)到30km/h 以上時(shí)，車頭盲區(qū)與垂直盲區(qū)危險(xiǎn)性較小，需駕駛員關(guān)注側(cè)后方盲區(qū)。此時(shí)需要后向毫米波雷達(dá)監(jiān)測(cè)車輛左/右兩側(cè)3m 及后方70m 范圍內(nèi)的車輛（含非機(jī)動(dòng)車輛）。當(dāng)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)碰撞時(shí)間小于閾值的車輛，則通過A 柱指示燈閃爍提示駕駛員。若駕駛員在此時(shí)采取換道操作（開啟轉(zhuǎn)向燈或方向盤轉(zhuǎn)角大于閾值），則A 柱指示燈常亮，且儀表蜂鳴器報(bào)警提示駕駛員換道危險(xiǎn)。駕駛員開啟轉(zhuǎn)向燈時(shí)，同時(shí)中控屏顯示全景拼接畫面和車輛側(cè)方視圖（開啟轉(zhuǎn)向燈側(cè)）。

轉(zhuǎn)彎模式：車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)輪差盲區(qū)是引發(fā)交通事故的主要原因，因此本系統(tǒng)在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)車輛兩側(cè)的交通參與者。駕駛員開啟轉(zhuǎn)向燈時(shí)，中控屏顯示全景拼接畫面和車輛側(cè)方視圖（開啟轉(zhuǎn)向燈側(cè)），側(cè)向的4 個(gè)攝像頭開始監(jiān)測(cè)車身兩側(cè)6m 范圍內(nèi)的移動(dòng)物體，同時(shí)側(cè)向超聲波雷達(dá)監(jiān)測(cè)車輛周圍1m 內(nèi)的障礙物。系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎模式下根據(jù)危險(xiǎn)程度提供三級(jí)報(bào)警，報(bào)警方式與起步模式相同。

倒車模式：倒車時(shí)，中控屏顯示全景拼接畫面和車輛正后方視圖，車輛后方攝像頭監(jiān)測(cè)車身正后方6m 范圍內(nèi)的交通參與者（車輛與行人），同時(shí)后向毫米波雷達(dá)輔以監(jiān)測(cè)側(cè)向來車。當(dāng)系統(tǒng)探測(cè)到碰撞時(shí)間小于閾值的車輛或行人時(shí)，則在拼接好的全景畫面相應(yīng)區(qū)域疊加紅色報(bào)警框，同時(shí)輔以儀表蜂鳴器報(bào)警提示駕駛員。后方盲區(qū)的報(bào)警分為兩級(jí)：一級(jí)報(bào)警僅包含視覺報(bào)警，提示駕駛員注意該交通參與者；二級(jí)報(bào)警包含視覺報(bào)警和聽覺報(bào)警，提示駕駛員制動(dòng)，停止倒車。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文提出的商用車全盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件考慮了正常功能實(shí)現(xiàn)和信息安全，包括以下模塊。

視頻拼接處理，對(duì)6 顆攝像頭拍到的視頻進(jìn)行拼接處理，輸出環(huán)視視頻：

VedioStitching.Module，視頻拼接模塊，對(duì)6 個(gè)攝像頭采集到的視頻進(jìn)行變形、拼接處理，得到車輛環(huán)視視頻；

VedioOutput.Module，視頻輸出模塊，根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)輸出不同視角的視頻畫面。

感知信息處理，對(duì)各傳感器檢測(cè)的環(huán)境信息進(jìn)行處理，提取障礙物目標(biāo)：

PerceptionRadar.Module，毫米波雷達(dá)感知數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)信息，標(biāo)記障礙物分類、位置和速度；

PerceptionVedio.Module，攝像頭感知數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)攝像頭采集的視頻畫面，標(biāo)記障礙物的分類和位置；

PerceptionUltrasonic.Module，超聲波雷達(dá)感知數(shù)據(jù)處理模塊，輸出超聲波檢測(cè)的障礙物距離信息；

PerceptionFusion.Module，主要對(duì)毫米波雷達(dá)與攝像頭感知到的障礙物信息進(jìn)行融合，提高目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確度。

報(bào)警信息處理，輸出相應(yīng)報(bào)警信息：

WarningOutput.Module，根據(jù)當(dāng)前車輛運(yùn)行條件和感知結(jié)果，當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息：

信息安全管理，建立信息安全主動(dòng)防御體系與信息安全治理體系：

Identification.Module，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一身份認(rèn)證；

AccessControl.Module，對(duì)系統(tǒng)資源的訪問進(jìn)行授權(quán)；

Encryption.Module，對(duì)通信信息進(jìn)行加密；

Decryption.Module，對(duì)通信信息進(jìn)行解密；

Validation.module，對(duì)輸入信息進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

考慮到商用車盲區(qū)范圍大，事故致死率較高，本文提出一種基于全景攝像頭、前向與側(cè)向超聲波雷達(dá)以及后向毫米波雷達(dá)的商用車全盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)根據(jù)商用車在不同場(chǎng)景下的駕駛員習(xí)慣與發(fā)生事故率較高的盲區(qū)范圍，優(yōu)化傳感器監(jiān)測(cè)范圍與報(bào)警等級(jí)。當(dāng)前提出的商用車盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)均存在成本較高的缺點(diǎn)，這是影響該系統(tǒng)大規(guī)模落地的主要原因，未來各大主機(jī)廠和供應(yīng)商仍需在降低商用車盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)性能和駕駛員使用便利性上不斷努力。隨著網(wǎng)聯(lián)化的不斷發(fā)展，車輛的信息安全至關(guān)重要，未來各系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)需在信息安全管理方面做更加深入的研究。