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1、(10)申请公布号 CN 103076187 A (43)申请公布日 2013.05.01 CN 103076187 A *CN103076187A* (21)申请号 201210591557.8 (22)申请日 2013.02.06 G01M 17/007(2006.01) B62D 6/00(2006.01) B62D 101/00(2006.01) B62D 137/00(2006.01) (71)申请人 西安费斯达自动化工程有限公司 地址 710075 陕西省西安市高新区科技路金 桥国际广场 12101 号 (72)发明人 史忠科 王萌 舒甜李龙 (54) 发明名称 一种小型车载车辆安。
2、全综合检测系统 (57) 摘要 为了克服现有车载检测系统检测数据量有 限， 检测信号同步性差， 无法实现车辆系统整体 状态检测和车辆系统整体性能评估的技术缺陷， 本发明提出了一种小型车载车辆安全综合检测系 统， 该系统以 FPGA 为核心处理器， 结合外部车载 传感器和 A/D 转换芯片， 对车辆行驶状态以及行 驶环境进行综合检测， 利用采集的 GPS 时间数据 发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的采样， 保证各车载传感器检测信号的时间同步， 该系统 不需要计算机或 DSP、 ARM 等核心处理单元， 解决 了现有车载检测系统检测数据量有限， 检测信号 同步性差， 无法实现车辆系统整体状态检测。
3、和车 辆系统整体性能评估的技术问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103076187 A CN 103076187 A *CN103076187A* 1/1 页 2 1. 一种小型车载车辆安全综合检测系统， 具有以下特点 ： (1) 车载车辆综合检测系统以 FPGA 为核心， 传感器系统可以实现车辆方向盘转角、 前 轮转角、 道路边界位置、 后方车距、 车轮侧滑位移、 行车路径、 车速、 航向角、 车辆行驶姿态、 行车高度以及。
4、车厢内部噪声、 座椅振动情况的综合检测， 并能根据车厢内部噪声、 振动环境 的检测情况进行车厢舒适度评价， 还可以结合方向盘、 车轮转角、 车身姿态以及道路的边界 位置利用与车辆转向系相固定的力矩电机进行车辆的转向控制， 避免由于驾驶员操作失误 引起的车辆不安全状况， 通过利用采集的 GPS 时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行 数据的采样， 保证了各车载传感器检测信号的时间同步， 实现车辆系统整体状态和车辆行 驶的整体性能的综合评估 ； (2) 方向盘转角检测单元使用机械轴套连接旋转变压器与方向盘， 机械轴套与转向柱 之间机械连接， 保证旋转变压器转子与方向盘同轴转动， 通过轴角转换芯片将。
5、旋转变压器 采集的模拟量数字化， FPGA 通过对该数字量进行采集和解算得到车辆行驶过程中的方向盘 转角 ； (3) 多路图像检测单元采用在车辆上添加多路 CCD 图像传感器， FPGA 配置视频解码 芯片， 采集多路车载数字图像， 采用图像检测的处理方法对采集的数字图像进行处理， 检测 车辆行驶过程中的左、 右前轮转角、 车轮侧滑位移， 前方车道标线参数， 以及后方车距等信 息 ； (4) 车厢内部环境检测及评估单元采用在车厢内部固定传声器， 主驾座椅上固定三轴 加速度传感器， 结合 A/D 转换芯片将传感器的模拟量转换为数字量， FPGA 通过采集获得车 厢内部噪声和座椅振动的数字量， 根。
6、据该数字量可以分析和估计乘客在车厢噪声环境下的 烦躁程度， 以及驾驶员座椅的舒适程度， 实现车厢内部环境的整体评估 ； (5) 车轮侧滑位移检测单元使用多路图像检测联合车轮侧滑位移检测轮套进行车轮侧 滑位移的综合检测， 车轮侧滑位移的检测结果 ： l=limage+(1-)lsensor 其中 l 为最终检测的车轮侧滑位移， limage为视频图像检测的车轮侧滑位移， lsensor为 车轮侧滑位移检测轮套检测的轮侧滑位移， nin =f(x) 1 为图像检测加权因子， nin 0.01 为 的最小取值， x 为图像检测清晰度参数， f(x) 为根据实际车辆反复实验 确定以图像清晰度为自变量的。
7、图像检测加权因子函数， 当图像检测清晰可辨时 f(x)=1， 当 图像检测不可辨时 f(x)=0.01， f(x) 确定过程为通过不同图像检测清晰度实验获取参数 x 下的图像位移量及车辆实际位移量， 再通过曲线拟合和辨识方法确定 f(x) ； (6)车辆行驶姿态综合检测和转向控制单元采用GPS、 IMU和高度仪， 结合多路A/D转换 芯片对车辆行驶路径、 车速、 航向角、 轴向角速率以及行车高度进行综合检测， 联合多路图 像检测单元的数据综合控制与车辆转向系相固定的力矩电机， 实现车辆转向的自动控制， 车辆的转向控制设计了控制模式切换按键， 驾驶员可以通过按键切换人工 / 自主车辆转向 控制的。
8、方式。 权 利 要 求 书 CN 103076187 A 2 1/5 页 3 一种小型车载车辆安全综合检测系统 技术领域 0001 本发明涉及一种小型车载车辆安全综合检测系统， 属于工业测控技术， 交通车辆 行驶安全技术领域。 背景技术 0002 行驶车辆系统性能的综合检测是判断车辆运行状态， 进行车辆行驶安全评价的基 本要求 ； 车辆系统的转向性能， 行驶速度， 车身姿态， 车厢内部环境以及行驶的道路状况是 导致车辆整体性能下降， 诱发交通事故最直接的因素 ； 特别的， 对于复杂环境山区道路， 坡 度大， 弯道多， 路面平整度差， 车辆行驶时， 会产生大幅度振动， 转向性能也会随之变差， 直。
9、 接会导致车辆侧滑或发生翻车事故， 对人类的生命财产安全造成巨大威胁 ； 综合检测车辆 行驶的转向参数、 侧滑位移、 行驶速度、 车身姿态、 道路状况、 车厢内部环境是实现车辆系统 整体性能检测， 进行车辆系统整体安全评估的基本条件。 0003 现有的车辆行驶状态检测通常采用车载总线或结合外部车载传感器进行检测， 也 有采用车载图像传感器对车辆的行驶路况进行检测的方式 ； 基于车载总线的车辆行驶检测 方式利用与车载总线相连的车载计算机或外部处理器读取与车载总线相连的车辆内部传 感器数据， 需要对总线的信息进行解码和筛选， 才能获取感兴趣的车辆内部传感器数据 ； 采 用车载传感器的车辆行驶状态检。
10、测通常使用 GPS 检测车辆的行驶速度和行驶路径， 也有结 合速度传感器测速， 三轴陀螺仪测轨迹方向等对车辆行驶状态进行更全面的检测 ； 车载图 像传感器检测方式， 使用与车体固定的摄像机获取车辆前方或后方的道路以及障碍物图像 信息， 结合车载计算机或其他硬件处理器平台对车辆行驶路况图像进行处理， 以检测道路 边界和障碍物等信息。 0004 专利 “倪明选.智能交通系统信息采集器P.中国 ： CN201927175U” 公开了一种智 能交通系统信息采集器， 其车载传感系统包括三维加速度传感器模块、 距离传感模块及 GPS 模块， 三轴加速度传感模块， 实时采集三轴方向的加速度值， 检测紧急刹车。
11、以及车辆振动情 况， 距离传感模块， 实时采集该智能交通系统信息采集器与前方的物体距离， GPS 模块， 实时 显示该智能交通信息采集器所处位置经纬度信息， 采用 STM32F103 型号的 ARM 处理器作为 控制模块 ； 专利 “王飞跃， 王知学， 艾云峰 . 一种车载嵌入式系统 P. 中国 ： 200510116714. X” 公开了一种车载嵌入式系统， 包括通过车载总线连接的车载嵌入式平台、 车载显示器、 车 载无线通信单元、 GPS 接收仪、 车载式数字图像信息获取单元以及电子地图数据库， 可以将 车辆的行驶环境状况、 自身故障等信息告知给驾驶员， 并可实现车辆和家庭内家电控制系 统。
12、的远程数据交互和控制互动功能。 0005 现有的车载检测系统通过结合外部车载传感器， 扩展了检测系统的功能， 添加了 部分检测信息， 但是要实现车辆安全的综合检测， 现有车载检测系统存在检测数据量有限， 检测信号同步性差， 无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术问 题。 说 明 书 CN 103076187 A 3 2/5 页 4 发明内容 0006 为了克服现有车载检测系统检测数据量有限， 检测信号同步性差， 无法实现车辆 系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术缺陷， 本发明提供了一种小型车载车辆 安全综合检测系统， 该系统以FPGA为核心处理器， 结合外部车载传感器。
13、和A/D转换芯片， 对 车辆行驶状态以及行驶环境进行综合检测， 利用采集的 GPS 时间数据发出同步脉冲控制车 载传感器进行数据的采样， 保证各车载传感器检测信号的时间同步， 该系统不需要计算机 或 DSP、 ARM 等核心处理单元， 解决了现有车载检测系统检测数据量有限， 检测信号同步性 差， 无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性能评估的技术问题。 0007 本发明解决其技术问题所采用的技术方案 ： 一种小型车载车辆安全综合检测系 统， 具有以下特点 ： 0008 (1) 车载车辆综合检测系统以 FPGA 为核心， 传感器系统可以实现车辆方向盘转 角、 前轮转角、 道路边界位置、 后。
14、方车距、 车轮侧滑位移、 行车路径、 车速、 航向角、 车辆行驶 姿态、 行车高度以及车厢内部噪声、 座椅振动情况的综合检测， 并能根据车厢内部噪声、 振 动环境的检测情况进行车厢舒适度评价， 还可以结合方向盘、 车轮转角、 车身姿态以及道路 的边界位置利用与车辆转向系相固定的力矩电机进行车辆的转向控制， 避免由于驾驶员操 作失误引起的车辆不安全状况， 通过利用采集的 GPS 时间数据发出同步脉冲控制车载传感 器进行数据的采样， 保证了各车载传感器检测信号的时间同步， 实现车辆系统整体状态和 车辆行驶的整体性能的综合评估 ； 0009 (2) 方向盘转角检测单元使用机械轴套连接旋转变压器与方向。
15、盘， 机械轴套与转 向柱之间机械连接， 保证旋转变压器转子与方向盘同轴转动， 通过轴角转换芯片将旋转变 压器采集的模拟量数字化， FPGA 通过对该数字量进行采集和解算得到车辆行驶过程中的方 向盘转角 ； 0010 (3) 多路图像检测单元采用在车辆上添加多路 CCD 图像传感器， FPGA 配置视频解 码芯片， 采集多路车载数字图像， 采用图像检测的处理方法对采集的数字图像进行处理， 检 测车辆行驶过程中的左、 右前轮转角、 车轮侧滑位移， 前方车道标线参数， 以及后方车距等 信息 ； 0011 (4) 车厢内部环境检测及评估单元采用在车厢内部固定传声器， 主驾座椅上固定 三轴加速度传感器，。
16、 结合 A/D 转换芯片将传感器的模拟量转换为数字量， FPGA 通过采集获 得车厢内部噪声和座椅振动的数字量， 根据该数字量可以分析和估计乘客在车厢噪声环境 下的烦躁程度， 以及驾驶员座椅的舒适程度， 实现车厢内部环境的整体评估 ； 0012 (5) 车轮侧滑位移检测单元使用多路图像检测联合车轮侧滑位移检测轮套进行车 轮侧滑位移的综合检测， 车轮侧滑位移的检测结果 ： 0013 l=limage+(1-)lsensor 0014 其中 l 为最终检测的车轮侧滑位移， limage为视频图像检测的车轮侧滑位移， lsensor 为车轮侧滑位移检测轮套检测的轮侧滑位移， nin =f(x) 1 。
17、为图像检测加权因子， nin 0.01 为 的最小取值， x 为图像检测清晰度参数， f(x) 为根据实际车辆反复实验 确定以图像清晰度为自变量的图像检测加权因子函数， 当图像检测清晰可辨时 f(x)=1， 当 图像检测不可辨时 f(x)=0.01， f(x) 确定过程为通过不同图像检测清晰度实验获取参数 x 下的图像位移量及车辆实际位移量， 再通过曲线拟合和辨识方法确定 f(x) ； 说 明 书 CN 103076187 A 4 3/5 页 5 0015 (6) 车辆行驶姿态综合检测和转向控制单元采用 GPS、 IMU 和高度仪， 结合多路 A/ D 转换芯片对车辆行驶路径、 车速、 航向角。
18、、 轴向角速率以及行车高度进行综合检测， 联合多 路图像检测单元的数据综合控制与车辆转向系相固定的力矩电机， 实现车辆转向的自动控 制， 车辆的转向控制设计了控制模式切换按键， 驾驶员可以通过按键切换人工 / 自主车辆 转向控制的方式。 0016 本发明的有益效果是 ： 采用图像和传感器相联合的车轮侧滑位移检测方法可以避 免单一检测方法的检测误差， 保证车轮侧滑位移检测结果的可靠性， 为车辆侧滑、 侧翻等不 安全现象的综合评估提供依据 ； 以 FPGA 为核心处理器， 结合外部车载传感器和 A/D 转换芯 片， 对车辆行驶状态以及行驶环境进行综合检测， 利用采集的 GPS 时间数据发出同步脉冲。
19、 控制车载传感器进行数据的采样， 保证各车载传感器检测信号的时间同步， 该车载车辆安 全综合检测系统不需要计算机或 DSP、 ARM 等核心处理单元， 解决了现有车载车辆检测系统 检测数据量有限， 检测信号同步性差， 无法实现车辆系统整体状态检测和车辆系统整体性 能评估的技术问题。 0017 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。 附图说明 0018 图 1 为本发明车载车辆安全综合检测系统的总体结构图 ； 0019 图 2 为本发明具体实施例中旋转变压器转子 - 转向柱安装轴套机械图 ； 0020 图 3 为本发明具体实施例中四路图像检测模块 CCD 图像传感器安装示意图 ； 0021 图。
20、 4 为本发明具体实施例中车轮侧滑位移检测轮套与原车轮的配合示意图。 具体实施方式 0022 参照附图 1- 附图 4. 0023 附图 1 为本发明提供的车载车辆安全综合检测系统的一个具体实施例， 系统采用 两个 FPGA 完成车载车辆系统的整体检测、 评估以及控制， 一片 FPGA 用于进行车辆系统传 感器的数据检测以及车辆方向盘控制， 另一片 FPGA 用于进行多路图像的采集和处理， 获得 车辆行驶道路环境的数据信息， 车轮转角数据以及车轮侧滑位移数据， FPGA 选用 Altera 公 司 Cyclone 系列 FPGA 中的 EP1C12 芯片 ； 方向盘转角检测单元中旋转变压器使用。
21、型号为 BR6820E11 的单级对旋转变压器， 结合轴角转换芯片 AD2S1210 检测方向盘转角数据 ； 视频 采集单元采用多路 CCD 图像传感器， 采集多路模拟图像并传送给视频解码芯片将模拟视频 信号转换为数字信号， 视频解码芯片采用 PHILIPS 公司的 SAA7113H 芯片 ； 车厢内部环境噪 声和座椅的振动情况分别采用传声器和加速度计 ADXL345 进行检测 ； 车辆行驶姿态综合检 测单元采用型号为 G591 的 GPS、 型号为 ADRXS150 的 IMU、 型号为 Mpx4115 的高度仪检测车 辆行驶过程中的车辆行驶路径、 轴向角角速率、 行车高度 ； 车轮侧向力、。
22、 侧滑位移检测通过 在原车轮上固定车轮侧滑位移检测轮套， 利用检测轮套中的压力应变片组和侧滑力检测弹 簧组的形变结合A/D转换芯片AD7874检测车辆行驶中车轮的侧向力以及侧滑位移 ； 车辆转 向控制单元采用与车辆转向系相固定的力矩电机 J130LY02L， 进行车辆转向的自动控制 ； 通过利用采集的 GPS 时间数据发出同步脉冲控制车载传感器进行数据的同步采样， 保证各 车载传感器检测信号的时间同步， 实现车辆行驶的系统整体状态和整体性能综合评估 ； 说 明 书 CN 103076187 A 5 4/5 页 6 0024 参考附图 2， 本发明具体实施例中用于实现桑塔纳 2000 方向盘转角。
23、检测的转向轴 套机械图， 转向轴套与转向柱通过 40 齿， 模数为 0.425 的三角花键进行连接， 旋转变压器 BR6820E11 的转子与轴套紧密配合， 机械固定旋转变压器的定子与车辆的组合开关， 并机械 固定方向盘与转向轴套， 保证旋转变压器转子， 方向盘与车辆转向系转向柱的同轴转动， 通 过轴角转换芯片 AD2S1210 将方向盘转角模拟量转换为数字量传送给 FPGA 处理单元 ； 0025 参考附图 3， 本发明具体实施例中的四路 CCD 图像传感器的安装示意图， 其中两路 CCD图像传感器300分别通过与车辆底盘机械连接的两个摄像头支架301固定于左， 右前轮 的正前方， 实现 C。
24、CD 图像传感器与车体的固定， 采集车辆行驶中前轮的转角图像， 另外两路 CCD 图像传感器 302 和 303 分别通过两个吸盘支架吸于前、 后挡风玻璃上， 采集车辆行驶过 程中前、 后方的道路图像， 检测时， 利用 FPGA 模拟 I2C 总线实现视频解码芯片 SAA7113H 的 配置， 将 CCD 图像传感器采集的模拟视频信号解码成标准的 VPO 数字信号， 并传送给 FPGA 图像处理核心单元完成对数字图像的处理包括图像滤波去噪、 阈值分割、 边缘检测、 特征提 取、 Hough 变换等操作， 得到左、 右前轮的转角和道路边界的位置以及后方车距数据 ； 0026 本发明具体实施例中的。
25、车厢内部环境检测及评估单元通过安装在车厢内部的传 声器和主驾座椅上的三轴加速度传感器 ADXL345， 采集车厢内部声音信号， 利用 A/D 转换芯 片 AD7874 对采集的声音模拟信号进行模数转换， 采用倍频程分析方法估计乘客在车厢噪 声环境下的烦躁程度， 同时 FPGA 模拟 I2C 总线读取固定于座椅上的加速度传感器 ADXL345 的加速度值， 获取车辆行驶过程以及紧急制动情况下座椅的振动幅频值， 参照 ISO2631 标 准分析驾驶员座椅的舒适程度， 进行车辆内部环境的整体性能评估 ； 0027 参考附图 4， 本发明具体实施例中车轮侧滑位移检测轮套与原车轮的配合示意图， 检测轮套。
26、 401 与桑塔纳 2000 车轮轮毂 402 进行机械固定， 压力应变片组与侧滑力检测弹簧 组 403 连接检测轮套和原车轮， 车轮发生侧滑时， 车胎变形挤压检测轮套， 压力应变片组与 弹簧分别检测车轮的侧向力和侧滑位移， 并利用 A/D 转换芯片 AD7874 将压力应变片采集 的侧向力和弹簧检测的侧滑位移数字量传递给 FPGA 核心检测单元， 得到车辆侧滑时车轮 的侧向力和侧滑位移 ； 在本实施例中， 用于车轮侧滑位移检测的两路 CCD 图像传感器分别 安装于桑塔纳 2000 后轮的正上方， 与车身固定， CCD 图像传感器的光轴垂直于地面， 拍摄后 轮侧滑的路面划痕图像， FPGA 通。
27、过视频解码芯片 SAA7113H 采集车轮侧滑的路面划痕图像， 并依次采用图像滤波去噪、 阈值分割、 边缘提取等操作， 对车轮侧滑产生的路面划痕图像进 行处理， 得到车轮侧滑位移的图像检测结果 ； 在发明具体实施例中， FPGA 通过视频解码芯 片 SAA7113H 采集 CCD 图像传感器所拍摄图像的清晰度较高， 在具体的车轮侧滑位移计算 ： l=limage+(1-)lsensor， 其中 l 为最终检测获得的车轮侧滑位移， limage为视频图像检 测的车轮侧滑位移， lsensor为车轮侧滑位移检测轮套检测得到的轮侧滑位移， =0.1+0.9x， x=0.5 时 =0.55 ； 002。
28、8 本发明具体实施例中， 车辆行驶姿态综合检测和转向控制单元采用型号为 G591 的 GPS、 型号为 ADRXS150 的 IMU、 型号为 Mpx4115 的高度仪对车辆行驶路径、 车速、 航向角、 轴向角速率以及行车高度进行综合检测， 联合多路图像数据检测单元的数据， 综合控制与 车辆转向系相固定的力矩电机 J130LY02L， 实现车辆转向的自动控制， 并且可以通过按键 切换人工 / 自主车辆转向控制方式， 其中， GPS 天线紧贴于车厢外部， 采集车辆行驶过程中 的行驶路径包括经度和纬度、 车速、 航向角， IMU 采集车辆行驶过程中的轴向角速率， 高度仪 说 明 书 CN 103076187 A 6 5/5 页 7 采集车辆行驶过程中行驶高度的变化。 说 明 书 CN 103076187 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103076187 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103076187 A 9 。