基于嵌入式系统的汽车安全系统分析

Analysis of Automotive Safety Systems Based on

Embedded Systems

Guo-f eng LI

Langfang Teachers College Institute of Physics and Electronic Information, Hebei Langfang, China

Email: mcuteacher@

Abstract: For the safety car, according to actual needs, research can guarantee a car in any case, the freedom of driving safely, so as to reduce traffic accidents. Analysis of safety systems for cars, mainly from the fatigue of driving module, security module of obstacle avoidance, vehicle location tracking module and auto black box module of study, comprehensive analysis of many aspects of the protection of vehicle safety solutions, and research to achieve vehicle intelligent, network-based simple and practical method.

Keywords: Embedded; Actuators; Fatigue driving; Black box

基于嵌入式系统的汽车安全系统分析

李国峰

廊坊师范学院物理与电子信息学院，河北廊坊，中国，065000

Email: mcuteacher@

摘 要：针对汽车的安全问题，根据实际需要，研究一个能保证汽车在任意情况下，都可以安全自由的行驶，从而尽可能的减少交通事故。对汽车的安全系统分析主要从疲劳驾驶模块的研究、安全避障模块的研究、汽车位置跟踪模块研究和汽车黑匣子模块研究，等多个方面综合分析了保障汽车安全的解决方法，以及研究实现汽车的智能化、网络化的简单实用方法。

关键词：嵌入式；执行器；疲劳驾驶；黑匣子

1 引言

随着人们生活水平的提高，生活方式较从前有了翻天覆地的转变，汽车已不再是一个新名词，而是人们使用最多、最方便的交通工具，伴随着人们对生活质量要求的提高，对汽车的要求也越来越趋向于自动化和智能化。而汽车发展的首要关键，就是汽车的安全性。汽车的安全行驶关系到每个家庭的幸福和国家的安定。而汽车相关的电子应用技术的发展，使得汽车的安全性得到了很大的提高。这也是人们一直追求的一个目标。

因此对汽车的安全系统分析，已经迫在眉睫，使汽车既能像蝙蝠一样自由避开障碍物，又能在司机疲劳的时候避免出现交通事故。利用嵌入式系统的ARM 芯片做系统的核心控制硬件，然后利用Linux裁剪的内核作为系统的软件平台，上面根据系统的需要，分析疲劳驾驶检测及处理模块、超声波测距模块、速度检测模块、位移检测模块等诸多模块的应用界面。最终为用户提供一个安全有效、舒适可靠、简单实用的汽车安全系统，从而多方位的保障汽车的安全行驶。

2 国外研究疲劳驾驶的现状

许多国家都比较重视疲劳驾驶预警系统的研究工作，早期的疲劳驾驶测评主要是从医学角度出发，借助医疗器件进行的。从20 世纪80 年代由美国国会批准交通部开始研究疲劳瞌睡产生的机理和其他各种诱发因素，寻找能够降低这种危险的方法和研制车辆智能报警系统，防止驾驶员瞌睡状态下驾驶。20 世纪90 年代，疲劳程度测量方法的研究有了很大的进展，许多国家已开始了疲劳驾驶车载电子测量装置的开发研究工作，尤以美国的研究发展较快。(1)美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS( The Drowsy Driver Detection System) 。(2)方向盘监视装置S.A.M.( steering at tention monitor) 。(3) 日本研制的DAS2000 型路面警告系统( The DAS2000 Road Alert System) 。(4)反应时测试仪PVT( The p sy-chomotor vigilance test) 。(5)日本研制的电子“清醒带”。自2000 年以来，随着计算机和集成电路制

International Conference of China Communication and Technology (ICCCT2010) 978-1-935068-52-5 © 2010 SciRes.118

造技术的提高，机动车驾驶员疲劳驾驶的研究有了进一步的发展。美国华盛顿大学的John Stern 博士是世界上研究眼部动态和疲劳驾驶的权威人士之一，他领导的由美国联邦公路管理局和汽车联合会资助的研究所，通过自行开发的专用照相机、脑电图仪和其他仪器来精确测量头部运动、瞳孔直径变化和眨眼频率，用以研究驾驶行为等问题。①用快速简单的算法确定驾驶员眼睛在脸部图像中的确切位置和其他脸部特征；②通过追踪多幅正面脸部特征图像来监控驾驶员是否疲劳。

国内研究汽车安全方面的现状。我国的疲劳驾驶预警系统的研究起步较晚，目前比较成型的疲劳驾驶预警系统是2000 年石坚、马勇等人研制的。该系统通过传感器测量驾驶员驾驶时方向盘、踏板等的运动参数来判别驾驶员的安全因素，发现方向盘的操纵情况与驾驶员的疲劳程度有一定的联系，方向盘较长时间不动，说明驾驶员在打瞌睡。

目前，因为众多交通事故造成的伤亡触目惊心，因此研制一个安全稳定的汽车安全系统已经迫在眉睫，让减小成本增加功能，使系统更加人性化、智能化、网络化，是未来汽车安全研究的一个新的着重点。

3 系统设计的总体思路

系统主要是具体通过对疲劳驾驶模块的研究，可以预警疲劳驾驶、瞌睡驾驶，主要是基于MEMS 加速度传感器，配合微型摄像头，通过采集驾驶员头部数据，把得到的数据送到嵌入式处理器进行实时处理，从而进行疲劳检测。若判定为疲劳驾驶，则通过嵌入式中心电控单元ECU，驱动语音系统发出报警信号，提示驾驶员保持清醒或休息，同时向汽车的执行器发出刹车信号，以使汽车能停止下来，等待司机清醒之后再继续上路行驶。从而降低因疲劳驾驶造成的交通事故的发生机率。通过对安全避障模块的分析研究可以使汽车如同蝙蝠一样自由避障任意安全行驶。利用汽车位置跟踪模块可以将汽车的位置信息通过短信发送车主及车管人员。最后可以利用汽车黑匣子模块，记录汽车多方面实时的数据信息，对汽车的行驶及安全性能分析提供了真实有效的数据支持。

系统主要包括疲劳驾驶模块、安全避障模块、汽车位置跟踪和汽车黑匣子模块，具体组成见系统方框图，如图1所示。

3.1 疲劳驾驶模块

本模块可以预警疲劳驾驶、瞌睡驾驶，主要是基

Figure 1 System block diagram

图1 系统方框图

于MEMS 加速度传感器，配合微型摄像头，通过采集驾驶员头部数据，把得到的数据送到嵌入式处理器进行实时处理，从而进行疲劳检测。若判定为疲劳驾驶，则通过嵌入式中心电控单元ECU，驱动语音系统发出报警信号，提示驾驶员保持清醒或休息，同时向汽车的执行器发出刹车信号，以使汽车能停止下来，等待司机清醒之后再继续上路行驶。从而降低因疲劳驾驶造成的交通事故的发生机率。

这部分主要包括利用精简的嵌入式操作系统作为任务切换和调度，同时在系统平台上对系统的核心嵌入式微处理器、摄像头、传感器、报警器、执行器，等进行综合管理。

这部分的主要研究流程：

第一步，计算机按帧读取摄像头的视频图像数据并存入存储器，同时复制一份，其中一份送至显示器用于图像显示，另一份作为软件平台的待处理24位真彩色图像；

第二步，对待处理图像进行灰度直方图均衡，即将出现频率较低的灰度级并入邻近的灰度级中，使待处理24位真彩色图像转换为256色的灰度图；

第三步，利用阈值处理灰度图；首先利用可调窗口阈值将大 部分背景及噪声点去掉并将图像二值化，使灰度图像上只剩下类似眼睛象素块大小的黑色区域以及头发、衣服形成的大块黑色区域；再利用象素面积阈值去掉眼睛象素范围外的黑色区域，即循环扫描图像每一个象素点的形式，计算每个黑色区域象素块的象素大小，眼睛黑色区域所包含的象素数应在一定的范围内，根据初步估计设置的可调眼睛象素数，去掉比设定值大的黑色区域，使图像上只剩下类似眼睛象素数大小的黑色区域；

第四步，定位双眼；人眼在二值位图上的形状类似于椭圆，其外接矩形应为长方形；判断原则是：与

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