摘要：針對目前市面上的人-車碰撞預警系統大多采取單向預警措施，即行人端不能提前接收到預警信息進而容易引起交通事故的問題，本文設計了一種基于車聯網的人-車碰撞雙向預警系統.該系統由車載客戶端、行人客戶端、云服務器、控制管理界面四部分組成.車載客戶端與行人客戶端主要負責將GPS坐標以及車輛的行駛信息通過無線網絡傳輸到云服務器，接受云服務器轉發的相關信息，并根據所設計碰撞預警算法計算預警信息.同時，為了便于整個系統的后臺管理，還設計了包括更新數據、記錄數據、繪制軌跡等功能的控制管理界面.最后對所設計的系統進行了調試及測試，驗證了該人-車碰撞預警系統具有車輛、行人雙向預警功能，可以讓行人提前獲知可能存在的危險并實施預防措施，大大降低人-車碰撞交通事故的發生率.

　　關鍵詞：車聯網;人-車碰撞預警系統;汽車主動安全;碰撞預警

　　由于汽車碰撞預警系統對提高汽車安全性有著重大意義，因此對該系統的研究一直是國內外研究的熱點之一.世界各大汽車生產相關企業都針對碰撞預警系統做了大量的研究.如奔馳的PRE-SAFEBrake系統使用毫米波雷達對碰撞進行檢測，利用毫米波雷達檢測車輛前方障礙物的位置[1].

　　當檢測到可能有碰撞事故發生時，系統觸發相關功能避免碰撞事故發生.菲亞特的CBC系統使用激光雷達對碰撞進行檢測.系統正常工作設定的車速范圍為5～30km/h，當檢測出有碰撞發生的可能性時，系統控制預警及制動系統啟動以實現防碰撞功能.綜合分析現有人-車碰撞預警系統可知，其大多采用車輛單向的預警方式，且預警的功能比較單一.預警系統大多基于激光雷達、毫米波雷達、超聲波、攝像頭等傳統的測距傳感器，成本較高.基于此，本文針對基于車聯網的人-車碰撞預警系統進行研究，設計了具有雙向預警功能的人-車防碰撞系統.

　　1系統總體結構

　　為了降低人車碰撞交通事故發生的概率，本文提出一種具備雙向預警功能、基于車聯網的人-車碰撞預警系統.通過對系統的雙向預警方式的分析[2]，制定出該系統的總體架構.

　　系統包括車載客戶端、行人客戶端、服務器端和控制管理界面四個部分.其中，行人終端主要由主控制器、GPS模塊、蜂鳴器組成.其主控制器通過GPS模塊采集行人的位置信息，再將該位置信息與從服務器接收到的數據進行解析處理，并根據處理結果控制蜂鳴器發出預警信號.車載終端設備主要由主控制器、GPS模塊、蜂鳴器、CAN模塊組成.

　　車輛端主控制器通過GPS模塊和CAN模塊分別采集車輛位置和實時車速等信息，然后發送到云服務器處理，并根據處理結果控制蜂鳴器發出預警信號.服務器端則主要負責數據的中轉收發.為了便于管理員監控系統的實時運作狀態，本文還設計了一個便于操控的PC端控制管理界面.該界面能夠實時監控整個系統的工作狀況，及時發現異常，并更新、記錄數據.

　　1.1車載終端設計

　　車載終端設備由樹莓派3B主控制器、GPS模塊、CAN模塊、蜂鳴器模塊組成.GPS模塊通過串行端口(GPIO15RXD)發送數據到主控制器.而CAN模塊則通過SPI引腳(MOSI和MISO)、片選引腳(CS)和中斷引腳(INT)與CAN模塊連接，實現CAN數據交互.主控制器通過通用輸入輸出引腳(GIPO23)連接蜂鳴器模塊，實現對蜂鳴器的控制.

　　1.2行人終端設計

　　行人的終端設備主要由樹莓派3B主控制器、GPS模塊、蜂鳴器模塊組成.主控制器分別為GPS模塊和蜂鳴器模塊提供5V和3.3V供電.GPS模塊通過串行端口(GPIO15RXD)發送數據到主控制器，主控制器上的通用輸入輸出引腳(GIPO23)連接到蜂鳴器模塊，實現對蜂鳴器的控制.

　　1.3通信架構設計

　　本文所提出的系統設計核心就是行人、車輛、云服務器三端的通信.選用無線網絡通信的方式來實現終端設備之間的信息交互.其中，云服務器作為服務器端，行人、車輛、控制管理界面等終端設備作為客戶端，通過編程實現客戶端向服務器端發送數據，服務器端將接收到的數據向指定客戶端廣播.網絡通信中需設定IP地址，并為其提供端口號，才能準確無誤地接收到從網絡發來的數據，同時也向目的地發送數據.完成對IP地址和端口號的設定，需將它們與傳輸協議關聯起來.本系統選用TCP作為傳輸協議，該傳輸協議具有可靠連接[3]、錯誤檢查、丟包重發等特點.

　　1.4控制管理界面程序設計

　　為了便于系統管理員能夠實時監控系統的運作狀態，我們設計了控制管理界面.該控制管理界面以圖形界面的形式為系統管理員提供相關數據，接收并實現管理員的操作指令.程序編寫使用python語言和pyqt模塊.控制平臺的程序設計包括登錄界面、主界面、數據文件和顯示界面，同時滿足客戶端數據更新、記錄、軌跡繪制等功能.系統管理員可通過控制平臺了解系統的工作狀況以及查看行人與車輛終端設備的相關數據與實時人-車軌跡等內容.

　　2人-車碰撞預警算法設計

　　2.1安全距離的確定

　　安全距離是預警系統預警條件的依據，因此確定合適的安全距離至關重要.行人客戶端的步行速度遠小于車速，因此可設定安全距離為某一定值.

　　2.2行人相對車輛方位的確定

　　行人相對于車輛方位主要是通過Python中的Geodesic模塊和經緯度信息等求解出行人相對于車輛的方位角α和它們之間的距離d而確定的.方位確定的程序開始運行后，先導入Python相關庫Geodesic用于解決GPS數據和地理坐標的處理與轉換問題.

　　由于Geodesic.WGS84.Inverse傳入的兩組經緯度參數需要以度分秒的形式，而從GPRMC讀取的經緯度形式不符合要求，因此需要對經緯度數據進行轉換[4]，即進行進制變換和小數點移動.轉換完成后即可將其傳入Geodesic.WGS84.Inverse，讀取函數返回值(包含行人和車輛的直線距離以及它們之間的相對方位角等數據).最后根據客戶端類型記錄返回值.如果客戶端是車輛，則記錄行人相對于車輛的方位角α和它們之間的距離d.否則，只記錄它們之間的距離d.

　　2.3預警條件

　　預警條件是本預警系統實現對行人-車輛可能發生的碰撞做出可靠且準確預警的關鍵.文中設計的預警條件判斷流程.其中，根據行人與車輛的位置信息可計算得到行人相對于車輛的方位角α和它們之間的距離d，以及車輛的運動方向θ.通過這些數據分別確定行人和車輛的預警區域.根據不同終端設備確定不同預警條件，即當客戶端為行人且車輛位于行人的預警區域內時，預警條件成立，反之不成立.當客戶端為車輛且行人位于車輛的預警區域內時，預警條件成立，反之不成立.由于行人和車輛的終端設備所采集的數據和處理程序有所差異。

　　因此行人和車輛的終端設備預警區域也有所不同，需要分別設計出兩種預警區域.對于行人而言，預警區域是以行人為圓心，半徑為d1的圓周區域.如果行人-車輛間的距離d

　　3系統調試

　　完成對本系統的初步搭建后，為保證系統能夠正常工作，同時提高系統的穩定性和準確性，我們對GPS數據、CAN數據、服務器和客戶端程序、控制平臺等進行了調試.

　　3.1GPS數據調試

　　采集GPS數據程序運行后，程序采集數據并將數據打印到界面上.GPS模塊包含許多NMEA協議的字段數據.對采集完成的GPS模塊數據進行“GPRMC”字段的提取，GPS模塊數據和“GPRMC”字段數據.

　　3.2服務器端程序調試

　　服務器端程序調試即測試程序能否與客戶端建立通信.運行服務器程序后，開始監聽客戶端連接請求，使用兩個客戶端接入服務器，完成接入后即可建立通信.調試成功即使兩個客戶端建立通信并區分出行人端及車輛端.

　　3.3客戶端程序調試

　　客戶端程序調試即測試程序是否能夠對可能發生的碰撞進行預警.對行人客戶端而言，就是當車輛位于行人的預警區域內時，行人客戶端能發出預警.同樣對車輛客戶端而言，當行人位于車輛的預警區域內時，車輛客戶端能發出預警.

　　3.4控制平臺調試

　　控制平臺的調試主要是測試控制平臺各功能能否正常工作，包括對更新數據、記錄數據、繪制軌跡、打開數據文件等的功能調試.通過對設計的預警系統各重要部分進行調試，發現服務器、客戶端、控制平臺均能正常工作，達到了預期效果.

　　4總結

　　目前市面上汽車搭載的碰撞預警系統大多為單向預警，即行人端無法接收到預警信息.本文設計了一種能夠實現雙向預警的人-車碰撞預警系統，完成了系統整體架構、硬件、軟件、控制管理界面的設計工作;解決了行人端無法獲取預警信號的問題[5]，使行人在碰撞發生前能提前收到預警信號，做出緊急避險反應，從而較大程度上降低車輛與行人發生碰撞的風險.該雙向主動預警的方式是一種避免行人-車輛碰撞事故發生的有效方式，能夠大大降低此類事故的發生率.對設計的預警系統進行的測試分析結果證明了該系統的可行性與可靠性.本設計為人-車防碰撞預警系統提供了一種新的方法和思路.

　　參考文獻：

　　[1]陳勇，黃席樾，楊尚罡.汽車防撞預警系統的研究與發展[J].計算機仿真，2006，23(12)：239-243.

　　[2]黨宏社，韓崇昭，段戰勝.汽車防碰撞報警與制動距離的確定[J].長安大學學報(自然科學版)，2002(6)：89-91.

　　[3]李冉.基于北斗車載終端的主動交通安全預警機制的研究[D].青島：中國海洋大學，2014.

　　[4]張雁雁.面向行人防碰撞預警的駕駛員駕駛意圖辨識方法研究[D].大連：大連理工大學，2015.

　　[5]龐日富.一種基于車聯網的汽車防碰撞預警系統：CN108615409A[P].2018-10-02.

　　作者：黃金銘，李飛翔，曹俞，陳永敏，高琳琳，姚建紅