摘 要： 在日益擁堵的道路交通環(huán)境下，為了解決汽車駕駛員在陌生路線難于尋找最近加油站、難于選擇最佳行駛路線的問(wèn)題，選用三星公司的8位單片機(jī)S3C9444為主控制器，以Altera公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA芯片EP2C5Q208C8N作為兼容主要移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)器，借用本地交通網(wǎng)絡(luò)提供的路線交通指數(shù)信息和附近加油站信息，實(shí)時(shí)為駕駛員提供最近的加油站位置和行駛更暢通的替換路線，提高了汽車輔助駕駛系統(tǒng)的智能化程度。
關(guān)鍵詞： 本地交通網(wǎng)絡(luò)；電子輔助駕駛系統(tǒng)；單片機(jī)；無(wú)線收發(fā)器
0 引言
汽車是人類出行的最主要的交通工具。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，私人汽車的擁有量越來(lái)越多，然而城市道路交通的發(fā)展往往跟不上汽車的增長(zhǎng)速度，這就造成城市內(nèi)車輛擁堵的現(xiàn)象發(fā)生，尤其在大城市的早晚上下班高峰時(shí)段最為突出。
道路的擁堵給汽車駕駛員帶來(lái)了不少難題，例如如何選擇更為暢通的行駛路線，以及需要實(shí)時(shí)了解汽車當(dāng)前油量能夠支撐的行駛區(qū)域內(nèi)的加油站位置。如果第一個(gè)難題無(wú)法解決，則會(huì)導(dǎo)致行駛時(shí)間的大量不必要增長(zhǎng)，而如果第二個(gè)難題無(wú)法解決，甚至?xí)霈F(xiàn)汽車缺油而不得不停車等待救援的尷尬局面。
當(dāng)前汽車的輔助駕駛系統(tǒng)只能用于在擁堵情況下避免前后車碰撞的發(fā)生，例如使用雷達(dá)或倒車影像幫助駕駛員了解前后車距，而并沒(méi)有能夠提供汽車當(dāng)前路線的替換路線信息和附近加油站信息。為了解決上述兩個(gè)難題，本文對(duì)汽車的電子輔助駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過(guò)引入能夠與本地交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互的無(wú)線收發(fā)器，同時(shí)引入相應(yīng)的電子輔助設(shè)備，并合理利用汽車現(xiàn)有資源，從而幫助駕駛員實(shí)時(shí)了解當(dāng)前路線的替換路線和當(dāng)前位置附近的加油站，為他們的快捷駕駛提供重要參考數(shù)據(jù)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為了能夠?qū)氡镜亟煌ňW(wǎng)絡(luò)提供的路線數(shù)據(jù)和加油站數(shù)據(jù)，在各種臨界情況下給予駕駛員合理的語(yǔ)音、文字方面的提示，本文基于本地交通網(wǎng)絡(luò)，搭建了一個(gè)集成網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算機(jī)處理的控制平臺(tái)，該控制平臺(tái)設(shè)置在汽車上，其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中，平均油耗計(jì)算設(shè)備根據(jù)汽車的歷史油耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出汽車的平均油耗。剩余油量檢測(cè)設(shè)備通過(guò)安裝在油箱中的油量傳感器檢測(cè)油箱內(nèi)的剩余油量。導(dǎo)航設(shè)備根據(jù)內(nèi)部的電子地圖確定以下信息：（1）汽車所在位置及汽車所在位置附近的各個(gè)加油站；（2）從汽車所在位置到附近各個(gè)加油站的加油行駛路線；（3）與各個(gè)加油行駛路線對(duì)應(yīng)的里程；（4）當(dāng)前行駛路線和多個(gè)替換路線。
圖1中的無(wú)線收發(fā)器通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接本地交通網(wǎng)絡(luò)，從本地交通網(wǎng)絡(luò)中接收以下信息：（1）汽車所在位置附近的各個(gè)加油站；（2）當(dāng)前行駛路線的交通指數(shù)和多個(gè)替換路線的交通指數(shù)。無(wú)線收發(fā)器連接導(dǎo)航設(shè)備以從導(dǎo)航設(shè)備處接收汽車所在位置、當(dāng)前行駛路線和多個(gè)替換路線，并將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給本地交通網(wǎng)絡(luò)。本地交通網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)本地交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，以實(shí)時(shí)提供交通服務(wù)。
電子輔助駕駛系統(tǒng)還包括顯示屏，在單片機(jī)根據(jù)已有信息判斷當(dāng)前為臨界情況時(shí)，顯示相應(yīng)警示或提示文字信息；語(yǔ)音播放設(shè)備用于在單片機(jī)根據(jù)已有信息判斷當(dāng)前為臨界情況時(shí)，播放相應(yīng)警示或提示語(yǔ)音文件；存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)各類信息或文件；供電設(shè)備用于為電子輔助駕駛系統(tǒng)內(nèi)除了供電設(shè)備以外的各個(gè)電子設(shè)備提供必要的工作用電。
1.1 單片機(jī)
考慮到在運(yùn)算速度、功耗和價(jià)格之間的平衡，本文的電子輔助駕駛系統(tǒng)選擇三星公司的8位單片機(jī)S3C9444為主控制器[1]。
S3C9444芯片是一款8位的多功能通用型微控制器，能夠提供高效快速的CPU處理功能、豐富的外圍接口以及各種類型的可編程ROM，其數(shù)據(jù)/地址總線結(jié)構(gòu)和位編程I/O口為用戶提供了靈活的編程環(huán)境[2]。S3C9444芯片具有4 KB的片內(nèi)ROM和208 B的RAM，具有定時(shí)、計(jì)數(shù)、PWM、多路A/D轉(zhuǎn)換等功能，其內(nèi)部特有的CMOS技術(shù)使得芯片呈現(xiàn)出低功耗和寬電壓工作范圍的特性。S3C9444芯片集成了多個(gè)外圍接口：3個(gè)可編程I/O口、4個(gè)中斷源、1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、9路模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)8位PWM輸出接口[3]。
1.2 無(wú)線收發(fā)器
為了提高本文的電子輔助駕駛系統(tǒng)的通信兼容性，兼顧不同城市使用的不同移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)中的無(wú)線收發(fā)器采用了ALTERA公司的EP2C5Q208C8N，通過(guò)編程該款FPGA芯片以兼容現(xiàn)行主流移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括GPRS、3G、4G等[4]。
EP2C5Q208C8N擁有4 608個(gè)LEs，片上RAM共計(jì)119 808 bit，還具有13個(gè)18×18硬件乘法器、2個(gè)高性能PLL以及多達(dá)142個(gè)用戶自定義I/O，該芯片可外接大容量的SDRAM和Flash ROM等存儲(chǔ)單元，具有DC 5 V的電源管理模塊，易于擴(kuò)展，性價(jià)比高。
1.3 導(dǎo)航設(shè)備
當(dāng)前主流的四個(gè)導(dǎo)航設(shè)備為GPS導(dǎo)航設(shè)備、格洛納斯導(dǎo)航設(shè)備、伽利略導(dǎo)航設(shè)備和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，本文選擇了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成?？臻g段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星；地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站；用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端[5]。
本系統(tǒng)中，導(dǎo)航設(shè)備為單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)器提供包括汽車當(dāng)前位置、行駛路線、加油站位置等多種導(dǎo)航信息，其顯示器可與本系統(tǒng)的顯示屏集成為一塊綜合顯示屏，以進(jìn)行文字、圖形等信息的顯示，為駕駛員提供重要的駕駛參考數(shù)據(jù)。導(dǎo)航設(shè)備的顯示器與本系統(tǒng)的顯示屏也可分離放置。
2 控制邏輯
為了提供汽車當(dāng)前路線的替換路線信息和附近加油站信息，作為電子輔助駕駛系統(tǒng)主控制的單片機(jī)，設(shè)計(jì)了兩個(gè)并行控制邏輯，以在臨界情況下為駕駛員提供各個(gè)輔助信息。
2.1 加油站控制邏輯
單片機(jī)定時(shí)觸發(fā)本控制邏輯，用于實(shí)時(shí)為駕駛員提供與汽車剩余油量匹配的附近加油站信息，定時(shí)時(shí)間可以由用戶自行設(shè)定，默認(rèn)為出廠設(shè)定值。本加油站控制邏輯首先判斷本地交通網(wǎng)絡(luò)與導(dǎo)航設(shè)備提供的附近加油站信息是否一致，在確定加油站信息可靠時(shí)，方啟動(dòng)后續(xù)的剩余油量覆蓋加油站數(shù)量的判斷操作。
加油站控制邏輯的具體流程如圖2所示。
在剩余里程范圍內(nèi)的加油站數(shù)量為3時(shí)，表示到了需要提示駕駛員關(guān)注汽車油量的時(shí)刻，通過(guò)顯示屏或語(yǔ)音播放設(shè)備進(jìn)行提示操作；在剩余里程范圍內(nèi)的加油站數(shù)量為1時(shí)，表示到了汽車油量必須加油的時(shí)刻，通過(guò)顯示屏或語(yǔ)音播放設(shè)備進(jìn)行警示操作；在剩余里程范圍內(nèi)的加油站數(shù)量為0時(shí)，表示已經(jīng)無(wú)法通過(guò)附近加油站加油的方式進(jìn)行加油，同樣通過(guò)顯示屏或語(yǔ)音播放設(shè)備告知駕駛員需要等待救援。
2.2 替換路線控制邏輯
單片機(jī)定時(shí)觸發(fā)本控制邏輯，用于在駕駛員當(dāng)前行駛路線交通指數(shù)較高時(shí)，即當(dāng)前行駛路線較為擁堵，需要選擇替換路線以盡快到達(dá)目的地時(shí)，實(shí)時(shí)幫助駕駛員決定是否需要切換到替換路線行駛，以及在需要切換時(shí)，提供要切換到的相對(duì)來(lái)說(shuō)最暢通的替換路線。定時(shí)時(shí)間可以由用戶自行設(shè)定，默認(rèn)為出廠設(shè)定值。
該替換路線控制邏輯的具體流程如圖3所示。
本地交通網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線收發(fā)器為單片機(jī)提供了當(dāng)前行駛路線和多條替換路線的交通指數(shù)，在當(dāng)前行駛路線的交通指數(shù)大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，例如該預(yù)設(shè)閾值為4，則將交通指數(shù)更小的多條替換路線發(fā)送給導(dǎo)航設(shè)備以進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)，通過(guò)顯示屏或語(yǔ)音播放設(shè)備進(jìn)行替換路線切換的提示操作[6]。
3 輔助效果
當(dāng)駕駛員駕駛安裝了本電子輔助駕駛系統(tǒng)的汽車時(shí)，即使面對(duì)擁堵的交通狀況，也不用時(shí)刻關(guān)注汽車的油量剩余情況，不會(huì)陷入路線選擇困擾。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出的輔助信息，能夠輕松找到剩余油量所支持的附近加油站，不需目測(cè)、經(jīng)驗(yàn)判斷和收聽(tīng)交通節(jié)目，就能輕松找到替換路線。如圖4所示，駕駛員以天安門為出發(fā)點(diǎn)，以西北旺鎮(zhèn)為目的地駕車出行，在當(dāng)前行駛路線擁堵的情況下，系統(tǒng)提供多條替換路線供駕駛員選擇。
從圖4可以看出，基于本地交通網(wǎng)絡(luò)的電子輔助駕駛系統(tǒng)，其導(dǎo)航設(shè)備接收單片機(jī)選擇的多條相對(duì)暢通的替換路線并實(shí)時(shí)顯示，方便駕駛員選擇其中一條以繼續(xù)行駛，提高了車輛的行駛效率。
4 結(jié)論
本文針對(duì)駕駛員在擁堵路段行駛會(huì)經(jīng)常遇到的兩個(gè)經(jīng)典問(wèn)題，即擁堵時(shí)難于找到剩余油量能支持的附近加油站和無(wú)法確定其他替換路線是否更為擁堵，基于本地交通網(wǎng)絡(luò)提供的附近加油站信息和各條行駛路線的交通指數(shù)信息，經(jīng)過(guò)合理的邏輯判斷，為用戶選擇合適的附近加油站和替換路線，減輕了駕駛員的選擇負(fù)擔(dān)，在保證車輛正常行駛的同時(shí)，節(jié)省了到達(dá)目的地的行駛時(shí)間。
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