基于ARM嵌入式微控制器的超视距弯道会车辅助系统的制作方法

本实用新型涉及一种弯道会车辅助系统，具体来讲是一种基于ARM嵌入式微控制器的超视距弯道会车辅助系统。
背景技术：
：随着交通事业的迅速发展与机动车数量的不断增长，道路安全的重要性日益提高。在事故高发的急弯处司机视觉范围受限制，无法提前发现对向车辆而易造成事故。现道路安装的传统设备可视距不足且存在因气候因素影响而不能全天候使用的缺陷。目前，随着汽车工业的飞速发展，路交通基础设施的不断完善，居民出行的便捷程度有了大幅度的提高。人们在充分享受现代交通便利和舒适的同时，也受到各种交通问题的困扰，其中尤为突出的就是弯道安全问题。弯道会车是指在行车视距较短的弯道区域进行与对向来车的交汇。2012年我国道路交通事故统计数据显示，弯道事故数量占据我国道路交通事故总量的10.5%，且事故的严重程度远大于平直路段。其中，半径过小的急弯使驾驶员的视线盲区增大，给安全行车带来不良的影响，易发生两车相撞的事故，造成严重的交通事故。由于弯道事故所导致的损失情况如下表1所示：表1急弯事故经济损失其中，弯道半径过小的急弯的事故率远超于其他类型弯道，对于这种弯道通常设置凸面镜辅助会车。然而，设置凸面镜的弯道仍存在以下问题：（1）驾驶员只有在离凸面镜较近时才能看见对侧道路情况，且不能预知对向车辆位置和会车时间。若有对向来车，驾驶员的反应时间不足，难以做出正确的应对措施。（2）在夜晚和雨雾天气中，凸面镜受自然条件的影响可见度降低，使驾驶员难以确认对向情况。（3）凸面镜表面易损坏，造成镜象模糊，导致驾驶员误判。国内外研究现状：部分国内研究机构针对弯道交通安全问题，学习智能化交通系统的理念与现代信息技术，对急弯的线形与交通特性进行分析，对道路限速和交通安全设施改善进行研究，并已经研究出相关仿真系统。目前，国内已研发出一种山区弯道会车的智能提示预警仿真系统，拟解决山路盲区弯道会车的问题，使弯道会车更安全。但先尚未有相关实物模型。仿真系统目前仅能就单行状况下的弯道状况进行提醒且只提醒对向有无来车，功能太过单一，且使用的处理器和其他设备相比较落后。国外的主要研究方向为利用电子、信息技术使各大城市的各大路口以及高速公路入口的会车、跟车辅助信息化、智能化。而在中小城市的乡镇、山区急弯及旅游公路几乎没有应用，目前这种弯道只能放置凸面镜来解决弯道的会车问题，仍存在一定安全问题。基于上述存在的交通安全隐患，设计和开发弯道会车辅助系统，实现车与车实时超视距信息交互，可以更好地保证车辆弯道会车的安全性，满足公路交通趋于智能化与信息化的发展需求。技术实现要素：因此，为了解决上述不足，本实用新型在此提供一种基于ARM嵌入式微控制器的超视距弯道会车辅助系统，实现对向来车、会车及超速提醒的功能，使驾驶员及时预知到弯道对侧道路情况，降低弯道会车事故发生率。本实用新型是这样实现的，构造一种基于ARM嵌入式微控制器的超视距弯道会车辅助系统，其特征在于：包括红外检测单元、主机通信装置、从机车载通信设备；红外检测单元与主机通信装置实现数据通信，主机通信装置与从机车载通信设备之间实现数据通信；所述红外检测单元包括红外发射端和红外接收端；所述主机通信装置包括主机单片机模块和主机NRF无线模块；单片机模块与主机NRF无线模块连接；所述从机车载通信设备包括车载NRF模块、从机单片机模块、车载显示模块和车载语音模块；从机单片机模块分别与车载NRF模块、车载显示模块和车载语音模块连接；其中，主机通信装置和从机车载通信设备之间通过主机NRF无线模块和车载NRF模块实现无线通信。根据本实用新型所述基于ARM嵌入式微控制器的超视距弯道会车辅助系统，其特征在于：该系统还包括路旁显示屏，路旁显示屏与主机通信装置实现数据通信。本实用新型所设计的基于ARM嵌入式微控制器的弯道会车辅助系统，旨在实现车与车实时超视距信息交互，可以更好地保证车辆弯道会车的安全性，满足公路交通趋于智能化与信息化的发展需求。从技术的角度提高道路交通安全设施的性能，改善我国弯道交通的不安全现状，是目前应重点考虑的问题。设计一种车路协同环境下的弯道会车辅助系统，辅助司机在过弯道时做出下一步的决策，实现车与车、车与人之间信息的实时交互。通过提供弯道前方是否有车、实时的超速预警、会车提醒、车型信息以及路旁显示信息，达到辅助会车的目的，从而大大提高急弯会车的安全性，降低弯道交通的事故发生率。没有安装车载设备的车辆就可以通过路旁设备来得知道路信息装有车载模块的可以获得语音播报以及会车超速提醒。车载模块与路旁设备配合以实现多种功能若遇到没有车载设备的车辆就只通过路旁设备提示即系统降级运行。本实用新型具有如下优点：本系统是以ARM嵌入式微控制器为核心，结合红外传感器、NRF无线传输等技术开发出的一种智能化、信息化的超视距弯道会车辅助系统。实施时利用红外传感器采集信息，经主机通信装置单片机处理数据后，再由NRF无线通信模块传输。在驾驶员观察不到弯道对向来车的情况下，通过车载与路旁设备达到车路协同，以语音播报和屏幕显示方式提供全面的弯道会车辅助信息，实现超视距会车提醒、对向来车提醒和超速提醒功能，优化弯道交通。本系统在雨雾天气及夜晚等情况下也能运行，适应性强。系统扩展了车路协同环境下智能交通的应用范围，弥补了传统设备在道路应用上的不足，有利于降低弯道事故率，保障车辆的出行安全。附图说明图1是本实用新型系统结构示意图图2是本实用新型系统模块组成示意图图3是本实用新型对射式红外对管检测电路原理图图4是本实用新型NRF传输方式示意图图5是本实用新型OLED原理图图6是本实用新型系统核心功能示意图图7是本实用新型系统模块与功能联系图图8是本实用新型主机部分的电路原理图图9是本实用新型主机部分的电路原理图。具体实施方式下面将结合附图1-图9对本实用新型进行详细说明，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本实用新型针对弯道中车辆会车时较高的事故率及事故发生的主要原因，开发了一种新型、互联、智能的超视距弯道会车辅助系统。利用路旁红外传感器对道路车辆检测，从而采集车辆速度、车型等信。经数据处理后，通过NRF无线通信模块进行传输，实现车载显示与路旁显示两种提醒模式。在驾驶员可以在观察不到弯道对向来车情况下，为其提供全面的弯道信息，实现会车辅助功能。根据实际需求和规定对系统进行了完善，优化了现有的弯道系统。系统结构如图1所示。包括红外检测单元1、主机通信装置2、从机车载通信设备3；红外检测单元1与主机通信装置2实现数据通信，主机通信装置2与从机车载通信设备3之间实现数据通信。所述红外检测单元1包括红外发射端1a和红外接收端1b；所述主机通信装置2包括主机单片机模块和主机NRF无线模块；单片机模块与主机NRF无线模块连接；所述从机车载通信设备3包括车载NRF模块、从机单片机模块、车载显示模块和车载语音模块；从机单片机模块分别与车载NRF模块、车载显示模块和车载语音模块连接。系统组成及原理：系统以ARMCortex-M0+内核处理器为核心（本系统主要有两大模块，车载设备和路旁设备，两部分均有处理器，其中车载设备的处理器主要负责判断会车与超速，路旁设备的处理器主要负责将传感器采集的信息进行运算算出车辆速度车型等信息），路旁系统和车载设备两者之间协同合作，实现了通过检测道路占用状态、车辆位置和速度等相关信息为驾驶员提供弯道对侧的情况。系统模块主要由主板、红外传感器、主机NRF、车载NRF、扬声器、OLED子模块五个部分组成，组成如图2所示。对射式红外线传感器：即红外对管，是一种利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，由红外发射管与接收管组成。对射型红外线传感器和反射式红外线传感器是一对红外线发射与接收管经过电路变换成开关信号后的成品，其内部集成了放大电路，有PNP和NPN常开常闭输出或者电压上下拉输出。在红外线传感器测量时不与物体产生直接接触，具有灵敏度高、反应快、成本低等优点。路旁传感器在入弯前和弯道处沿道路两边安装。当车辆经过挡住红外线，芯片通过引脚下降沿检测即可判断该单元位置有车辆经过。针对车辆速度，通过检测相邻位置红外传感器触发的时间差，即可计算出经过车辆的行驶速度；针对车辆运行方向，可通过红外对管的触发位置，即可判断车辆运行方向；针对车辆类型，本小组采用三个相邻的红外对管来判断车辆类型，若车辆只能同时遮蔽两个对管，则判定为小型车辆；若车辆能同时遮蔽三个对管，则判定为大型车辆；由此可实现单个车辆运行信息的检测。红外对管的检测原理电路如图3所示。主板：系统以ARMCortex-M0+内核处理器为核心，主机部分的主板为单片机最小系统板，它是一种用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，一般包括晶振、复位电路和电源三个部分。单片机是实现各种机械电子设备控制的重要手段之一，单片机由于具备体积小、成本低、高性能等特点被广泛应用。主板处理来自传感器的数据，推算车辆的运行信息。主机NRF模块：NRF无线通信模块又称NRF2401，是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申请（ISM）频率。芯片包括一个完全集成的频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器。NRF无线通信模块适用于无线数据传输系统等多种无线通信的场合。红外传感器模块将采集的信息发送给主机KL26芯片，芯片进行计算与处理，得到具体的信息，通过主机NRF模块进行无线通信将信息发送给经过弯道车辆上的车载NRF子模块，再由NRF子模块将信息发送给从机。传输方式如图4所示。车载NRF模块：车载NRF模块主要接收路旁NRF主模块传来的信息，并将该信息发送给车载KL26接收芯片，由芯片再将信息传输给扬声器模块，以语音和显示屏显示的方式提醒驾驶员。扬声器模块：扬声器模块是安装在车辆上的一种语音设备，直接支持MP3、WMA、WAV文件。系统在扬声器模块中提前录入语音提示信息，当接收到KL26芯片传来的信息时，将其与提前录入的语音信息匹配，并将语音信息进行播放，以更加直接、全面的方式提醒驾驶员弯道对面情况。OLED模块：OLED，即有机发光二极管，又称为有机电激光显示。因为具备轻薄、省电等特性，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用。系统OLED模块将红外传感器模块采集的弯道对向车辆信息显示在车载设备与路旁显示设备内的OLED显示屏上，提示驾驶员对向车道的占用情况、对向车辆的速度及车型。其原理如图5所示。系统功能实现：系统核心功能：系统由路旁和车载设备组成，采用NRF无线通信技术传递信息，通过自动化路旁与车载设备来弥补驾驶员由于视野范围的限制而对道路情况判断的局限性。此外，系统以车载设备显示和路旁显示两种方式为驾驶员提供信息，实现一系列会车辅助功能。本系统的核心功能如图6所示。系统采用“超速提醒”、“对向来车提醒”、“会车提醒”三种方法向驾驶员提供会车辅助的信息，结合系统组成模块，功能如下：（1）超速提醒：根据《道路技术规范》相关标准，车辆在不同路段行驶会有不同的安全限速。系统根据标准设置速度上限，车辆经过弯道时触发安装的各组红外传感器，通过红外对管采集的数据计算出车辆的行驶速度。若车速超过速度上限，车载语音设备将提醒车辆超速。（2）对向来车提醒：当路旁红外传感器检测到对向有车辆进入弯道时，利用NRF无线通信技术将对向有来车、对向车辆车型及车辆速度等信息传输至本向车辆，通过车载语音及显示设备进行提醒，同时路旁显示设备也显示对向车道的占用情况、对向车辆的速度和车型。（3）会车提醒：通过路旁红外传感器模块确定对向车辆及本向车辆位置，当车辆相对距离接近安全距离时，车载语音设备提醒驾驶员即将会车。以上五个模块协作配合，实现系统三个部分的核心功能。系统运用KL26单片机、红外传感器、扬声器、NRF通信等技术，组建路旁系统与车载系统，实现超速、对向来车和会车提醒功能，系统模块与功能联系如图7所示。为了展示系统的各个功能，先制作了一个弯道模型，分别对“超速提醒”、“对向来车提醒”、“会车提醒”三个情景进行实物模拟。弯道采用标准的U型弯道，并加上了5个系统子模块，其中为减少红外对管安装引起的误差，避免信号覆盖范围与检测要求安装距离应尽可能近产生的矛盾，通过本小组将发射管和接收管交错安装，解决了此矛盾，使误差降到最低。当道路模型成型后，分别测试无线通信NRF模块、OLED模块、扬声器模块。（1）超速提醒：为判断车辆的入弯方向、位置和车速信息，红外接收管接收信号通过电缆连接到单片机I/O口，单片机I/O口下降沿触发来进入PORT中断。在中断内，对车辆触发的红外对管位置进行记录。同时，触发单片机开始计时，当车辆到达下一个红外对管，触发信号产生时单片机停止计时，从而判断车辆位置、车速和车型。（2）会车提醒：当单方向有来车时，系统即向路旁显示屏发送车辆占用信息，并通过无线通信模块，向对向车载设备发送占用信息，通过红外对管被触发位置可以得到弯道中两车相对位置，当距离接近时即可判断即将会车。（3）对向来车提醒：车载设备收到信息后，以语音提示和显示屏显示的方式向驾驶员提供对向有来车信息，并根据入弯前的红外检测单元采集的信息，向驾驶员提供对向来车的车型信息。系统以ARMCortex-M0+内核处理器为核心，结合红外传感器、NRF无线传输技术等技术，为一种智能化、信息化的超视距会车辅助系统。嵌入式系统开发技术：嵌入式系统以计算机技术为基础，结合软硬件，具有体积小、功耗低、处理速度快、性价比高等优点，广泛应用于车路协同环境下道路交通相关系统设计。系统控制器选用恩智浦公司的cortex-m0+内核处理器进行单片机开发设计，32位Cortex-M0+处理器采用了低成本90纳米低功耗（LP）工艺，耗电量仅9μA/MHz，约为目前主流8位或16位处理器的三分之一，却能提供更高的性能。Cortex-M0+处理器的特点促成了智能、互联、低功耗微控制器的优势。系统中单片机为核心硬件，添加外围电路并设计并制作出会车辅助系统的路旁设备主控制板和车载设备主控制板和提示设备，完成相应的接受与发送信息的功能。NRF无线通信技术：无线传输是指利用无线技术进行数据传输的一种方式，其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。无线信息传输是会车辅助系统的关键控制过程，执行效果直接影响信息准确程度，也影响着系统工作稳定性。无线数据交换功能主要运用2.4G频段无线通信设备，面向单侧车辆提供针对性的对侧道路占用信息，建立单独的通信通道，防止车辆于路旁设备之间发生通信冲突，影响正常辅助系统警示功能。采用无线数据模块可以实现信息实时传递与交互，让司机在弯道上有充足的反应时间。系统功能测试：对已制作完成的弯道模型进行超速、对向来车及会车提醒三个部分的检验，主要测试红外传感器的检测精度与单片机计算车速、判断车型的准确度。对车辆位置识别的准确性：对车辆位置识别的准确性是基于红外对管准确捕捉车辆占用信息，此项技术指标同样为我们解决的技术关键点，并已得到妥善解决。在单片机中已固化了每一个触发信号来源的红外对管对应在弯道中的具体位置，所以其识别准确性也有了根本的保障。位置测试数据如表2与表3所示：表2位置识别检测组号测试次数成功次数成功率（%）1101010021010100310101004101010051010100表3车辆会车检测组号测试次数成功次数成功率（%）1101010021010100310101004101010051010100对车辆速度检测的准确性：通过红外对管进行测速的原理是通过相邻红外对管触发检测的时间和相邻红外对管间的距离来计算平均速度。为了计算值能更贴近车辆的瞬时速度，希望相邻对管的距离越小越好，但由于我们的红外对管间距也用来判断车辆类型，间距并不能够无限缩小。然而，在车辆弯道速度达到60km/h左右时，车辆通过相邻红外对管的时间约为150-210毫秒，而3m间距下通过相邻红外对管的平均速度，完全能替代车辆瞬时速度。对系统进行车辆速度是否超速进行检测，结果如表4所示：表4车辆超速检测组号测试次数成功次数成功率（%）11099021010100310101004101010051010100平均————98对车辆类型识别的准确性：基于我们对车辆长度数据的搜集，和道路交通中对大车的通常定义，包含大型乘用车辆，中、大型小车长度（4.0m-4.5m），大车长度（>6m），我们采用三个相邻距离为3m的红外对管来判断车辆类型，若车辆只能同时遮蔽两个对管，则判定为小型车辆；若车辆能同时遮蔽三个对管，则判定为大型车辆。测试数据如表5、表6所示：表5大车车型判断组号测试次数成功次数成功率（%）110990210101003101010041099051010100平均————96表6小车车型判断组号测试次数成功次数成功率（%）110101002101010031099041099051010100平均————96经测试得以下结论：测试时设定的红外对管安装间距为3cm，对应实际道路为3m。一般小车的车辆长度约为4.0-4.5m。在此间距下，已知KL26单片机的定时误差为1-2微秒，而在车辆速度达到60km/h左右时，车辆通过相邻红外对管的时间约为150-210毫秒。因此3m间距下通过相邻红外对管的平均速度，完全能替代车辆瞬时速度。据此判定，此检测系统的精度完全能满足实际要求。本专利的创新点及优势：创新点：系统利用嵌入式开发技术，实现基于ARM嵌入式微控制器的弯道会车辅助系统的开发，其创新特色如下：（1）以车载与路旁双模式实现系统的核心功能：驾驶员可以通过路旁显示屏、车载显示屏和语音播报获取相关信息，系统除提供基本的对向来车信息之外，还可实现本车超速和会车提醒功能。驾驶员在观察不到弯道对向来车的情况下，通过车载与路旁双模式系统获取信息，以便提前做好准备，降低弯道会车的事故发生率。（2）太阳能蓄电池供电：系统适用于一些较为偏远的路段，且运用一些控制策略降低功耗。在没有供电系统的路段，完全可由太阳能蓄电池为其供电且能够做到长时间的供电。（3）系统全天候运行：相对于传统设备，系统在雨雾及夜晚等情况下也能使用，适用范围更广，且运行时安装在弯心处的设备处于睡眠状态，车辆经过时进入工作状态，所以降低系统的功耗。作品优势：相对凸面镜，系统以电子设备为基础，相对于凸面镜具有以下优点，如表7所示：表7超视距弯道会车辅助系统与凸面镜的比较功能比较凸面镜超视距弯道会车辅助系统视距范围只有在离凸面镜较近的距离才能看见对侧道路占用情况，且不能预知对向车辆位置和会车时间。当有车辆进入弯道区域时，系统检测出车辆信息并显示在对侧道路的路旁显示屏，并通过语音提醒进入弯道的车辆会车自然条件影响在夜晚和雨雾天气，难以通过凸面镜确认对侧道路情况。采用电子设备，全天候运行，受自然条件干扰较小，且本系统不受视野角度的限制，能够适应各类复杂路况。提醒方式不能提示对侧道路占用情况。可通过路旁、车载设备提示驾驶员道路情况系统有以下几点优势：（1）功能完善，既能通过路旁显示对无车载设备的车辆进行对侧道路情况的提示，又能对有车载设备的车辆进行双显示、语音提示驾驶员会车辅助信息，在车路协同的环境下实现弯道会车的优化，从而确保安全。（2）具有较强的通用性，通过传感器位置和数量的改变可达到对道路情况的检测，适用于易发生事故的急弯道路。（3）低能耗、低成本，采用太阳能蓄电池供电，能实现设备的长时间供电，确保系统正常运行。应用前景：现阶段系统用车载与自动化路旁设备来解决驾驶员本身视距的局限性而导致不能及时预知对向道路情况的问题，在车路协同的环境下实现弯道会车的优化。同时，系统也存在多种推广方式，应用前景如下：（1）适用范围：针对驾驶员在急弯行驶时视野范围内存在盲区而易发生事故的情况，而设计了超视距弯道会车辅助系统，适用于山区、乡村、旅游路段，可推广到城市道路。驾驶员可以选择安装车载设备，若不安装，也可以通过对路旁显示屏的观察辅助会车。在旅游路段，还可以通过租赁的方式在车辆上安装车载设备。系统可在夜间、雨雾天气下运行，全天候保障过往车辆的行车安全。（2）推广范围：可将系统集成为车载装置，作为一种适用于特殊地段的驾驶安全预警仪（电子狗），或者作为安全预警仪的一种延伸功能，在电子狗本身的功能基础上，丰富在急弯路段的功能。融入驾驶安全预警仪，可以更广泛地推广本系统。（3）经济效益分析：急弯事故带来的经济损失已经是不可忽视的问题，据分析，道路在设置了凸面镜的情况下，仍在存在着较高的事故率，导致交大的经济损失。运用了本弯道会车辅助系统，可以很大程度地避免急弯出现的交通事故，从而降低经济损失。（4）社会效益分析：根据中国交通事故统计年报数据显示，每年由于弯道事故而引起不同程度交通事故导致了巨大的经济损失。超视距弯道会车辅助系统可以有效降低弯道事故发生率，确保驾驶人员安全行驶，推进了道路交通建设进程的信息化、智能化。当前第1页1 2 3