车辆侧翻碰撞检测.pdf

第22卷 第6期 2009年6月 传 感 技 术 学 报 CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS Vol 22 No 6 Jun 2009 Vehicle2Used Automatic Alarming System Based on MEMS Accelerometer 3 XU Yelei FA N G Yong 3 School of Communication and Inf ormation Engineering Shanghai University Shanghai200072 China Abstract The system was designed to rescue accident injured in time capable of identifying traffic acci2 dents and sending information to Web GIS Monitoring center Based on the 32axis MEMS accelerometer of high shock survivability the vehicle terminal can detect the status of the vehicle with tri2axial synthetic ac2 celeration algorithm and inclination measurement and improve locating ability in the GPS blind spot The emergency call can be triggered either automatically through judgment by ARM or manually by pushing a button The experiments with the model cars prove that the system can detect accidents accurately without misinformation both in the case of collision and rollover Key words automatic alarming MEMS accelerometer collision rollover EEACC 2575 7230 7320E 基于MEMS加速度计的车用自动呼救系统 3 徐叶雷 方 勇 3 上海大学通信与信息工程学院 上海200072 基金项目 上海市教委创新重点项目资助 09ZZ89 收稿日期 2009203213 修改日期 2009204212 摘 要 提出设计一种使车祸伤员得到及时准确救助的自动呼救系统 它能够自动识别车祸并向Web GIS监控中心发送事故 信息 该系统的车载终端利用高抗冲击性的三轴MEMS加速度计 通过三向加速度合成算法和倾角测量对车辆的行驶状态进 行监测 能在GPS盲区下进行车辆精确定位 车载终端一旦检测出车祸及类型 会由ARM自动触发求救 也可手动按钮求救 经模型车实验表明 系统能有效避免由于路面干扰引起的误报 并准确检测出碰撞和侧翻两种类型的车祸而实现自动呼救 关键词 自动呼救 MEMS加速度计 碰撞 侧翻 中图分类号 TP212 9 文献标识码 A 文章编号 100421699 2009 0620887206 随着社会的迅速发展 汽车的使用极大地方便了 人们的日常生活 然而随着保有量的不断增加 它所 带来的频发的交通事故也严重威胁着人们的生命 财 产安全 在很多重大车祸后 尤其是在比较偏僻的地 区 人们往往因伤势严重无法通报所处位置 从而耽 误救助致死 经我国卫生部统计 在1000例交通事 故中 有60 的伤者死于医院或者送往医院途中 其 中高达30 的人因抢救不及时致死 1 为了更好地 保障车内人员的安全 国外众多汽车厂商近年来投入 大量人力物力来研发应用于车辆事故的自动呼救系 统 但一般都基于安全气囊自动触发或者人工按钮来 实现触发 其中 美国通用的Onstar系统能在1分 钟内完成呼救 并使救援车在10分钟内赶到 2 而 我国目前的交通事故紧急救援水平较低 绝大多数是 通过拨打报警电话或者交警巡逻等人工方式才发现 事故 而且重伤者基本在事故后1小时左右甚至2小 时才得到救护 1 因此 如何利用现有技术来搭建一 个适合我国的车辆事故自动呼救系统 减少事故造成 的伤害 具有非常重要的现实意义 要实现车辆事故自动呼救 关键在于事故的可 靠检测识别 由于我国汽车电子行业与国外差距较 大 如果仅依靠安全气囊来触发呼救信号则会受制 于国外的汽车厂商 无法安装在不同车型上 况且 在一些特殊角度的碰撞以及翻滚情况下 安全气囊 不会启动 3 本文提出了一种基于MEMS加速度 计的车祸自动呼救的方法 并利用GPS GPRS Web GIS和嵌入式等技术搭建了相应的系统 解决 了车载终端的通用性问题并进一步提高了对车辆事 故检测的准确性 为挽救伤者提供了更好的保障 1 系统框图 本系统由车载终端 通信网络 监控中心 客户 端四大部分组成 系统框图如图1所示 车载终端 利用固定在车上的三轴加速度传感器 LIS302DL 不断监测车辆行驶状态 将采集到的数据传输到中 心控制模块 ARM9 进行分析 判断是否发生车祸 以及车祸类型 若确认车祸 中心控制模块迅速从 GPS模块 GR87 提取定位 车速 时间信息 并结 合车 牌 和 车 主 等 信 息 一 起 利 用GPRS模 块 MC39i 将呼救信号通过GPRS和Internet组成的 通信网络发送到监控中心 寻求救援 同时 终端以 声光报警方式告知该事故地点 此外 该终端还提 供了手动呼救和取消报警的功能 极大方便了驾驶 员处理突发的紧急情况 425 监控中心是基于Map2 Info MapXtreme 2005搭建的Web GIS平台 一旦 收到呼救信息 它会在网页上以电子地图和数字信 息两种形式显示事故车辆的位置和车主等信息 客 户端用户只用通过普通浏览器 即可进行所属权限 下车辆信息的查询 图1 车祸紧急自动呼救系统框图 2 车祸检测 车祸紧急呼救技术关键在于如何能够及时准确 地检测出事故的发生 有效寻求救援 车祸主要分 为碰撞事故和翻车事故两种形态 其中前者占很大 比例 又可细分为追尾碰撞 正面碰撞 侧撞等 为 了能尽量减少由于急刹车 过路坎和其他非破坏性 碰撞时引起的误触发 将各种事故形态准确检测出 来 就要对传感器的选型和事故检测方法提出很高 要求 传统传感器由于固有特性或者工艺上的原 因 不是很适合高过载环境下的测试 而采用 MEMS技术的传感器抗过载能力高 动态响应快 非常适合在动态测试中的应用 因此 本系统选用 了ST公司的高精度三轴数字式MEMS加速度计 LIS302DL 来检测车子三维方向的加速度参数 2 1 LIS302DL加速度计特点 LIS302DL型三轴线性加速度计是ST公司推出 的小型低功耗MEMS器件 其电连接如图2所示 图2 LIS302DL电连接图 它有 2gn 8gn两个可选量程 相应LSB 分别为18 mgn 72 mgn 可承受高达10 000gn的震 动和撞击 而且 它集成的标准I2C SPI串行接口 可与ARM直接接口 无需放大 A D电路 其数据 输出速率可选100 Hz 400 Hz 这样不仅简化了电 路设计 而且提高了三轴向 x y z 加速度测量的可 靠性 此外 它带有的两个可编程中断信号能够同 时监测终端设备的 自由坠落 和 高g运动 两种 状态 或者用于监测其中任何一个状态的两个不同 阈值 这些特性给本系统的事故检测设计上带来了 很好的灵活性 2 2 车祸检测原理 一般车辆正常行驶时 加速度变化范围较小 基 本维持在5gn内 以别克赛欧车型在二级公路进 行实车测试为例 加速度计的x y z正方向分别为 车的右侧 前方和垂直地面向下 加速度数据见图3 图3 实车测试加速度曲线 888传 感 技 术 学 报2009年 以60 km h车速行驶时 车载噪声加速度变化一般 在 0 2gn内 当车以25 km h上台阶时加速度变 化最大值为1 2gn 当车以30 km h急刹车时加速 度变化最大值为0 58gn 80 km h时变化最大值为 0 86gn 而当车辆碰撞时 持续时间极短 加速度值可高 达几十gn甚至上百gn 但是 如果只是检测事故 是否发生而不需要碰撞时的具体参数 是不需要那 么高量程的加速度计的 汽车在发生碰撞和翻车两种情况下造成的x y z三向的加速度变化存在很大差别 所以当加速 度明显超过正常范围并符合碰撞或者翻车变化的规 律时 即可以认为发生车祸 笔者从这些差别入手 构建了二级检测网络 其算法流程如图4所示 图4 车祸检测流程图 传感器初始化主要包括量程 采样率等参数的 配置以及三轴加速度的误差校准 计数器n是用来 检测侧翻状态维持时间间隔 碰撞状态p是用来标 识是否已经有碰撞的可能 p 1表示可能碰撞 碰 撞类型检测的最大干扰源是多种路况 其中尤以上 台阶干扰最为恶劣 但是可以通过双向合成算法较 好的解决 6 本实验在此思路基础上 进一步通过 三向合成输出信号w作为碰撞依据 基本思路如 下 将正前方方向y加速度和垂直地面方向z加速 度相减的绝对值和侧方向x加速度比较求最大值 再用其绝对值和阈值6gn比较是否在水平方向有 强烈的冲击 这样能将正撞 侧撞和追尾三种碰撞 情况都检测出来 而翻车类型检测难度在于车辆姿态的分析 这 可以通过加速度计测量出重力加速度在各轴上的变 化 计算出倾斜角 从而确定是否翻车 下面是利用 重力加速度计算倾角的公式 7 x 90 arcsin ax 1gn 180 1 z 90 arcsin az 1gn 3 180 2 其中 x z分别是x向 z向与垂直向下方向的夹角 ax az表示x向 z向的加速度 gn表示重力加速度常 量为9 8 m s2 由于车载环境的z向震动噪声在 0 2gn左右 使得z倾角误差在37 左右 但这并不 影响翻车检测 因为 通常车侧翻时角度变化会接近 90 翻滚时更可达180 虽然翻车瞬间的碰撞会造 成x z倾角测量的不准 但是车辆可以很快稳定 其 检测基本思路如下 计算 x和 z并进行量化处理 将 0 x 55 55 x 90 区间的值分别量化为 0 90 0 z 55 55 z 120 120 z 180 区间的值分别量化为0 90 180 得到 x和 z 若在计数器不清零的情况下 测得 z连续100个采样 点 即 1s 都检测出超出阈值55 则属于侧翻 2 3 仿真结果分析 为了保证碰撞检测的有效性 首先利用自由落体 到地发生碰撞来检测加速度计的抗冲击性能 实验 选取生铁实验台作为水平接触面 将加速度计水平固 定在0 5 kg铁砝码上从0 15 m高度h垂直下落 z 正方向垂直水平面向上 而加速度计选择8gn量程 100 Hz采样率输出 测试的曲线图如图5所示 图5 自由落体碰撞加速度曲线 经测试发现 加速度计在自由落体过程中x y z三向加速度均为0 z向加速度变化最大值为9 2 gn 落地碰撞持续时间 t为0 03 s左右 并且加速 度计稳定过程中有很好的归零效果 能继续正常工 作 通过公式 3 算出碰撞时的平均加速度珔a高达 57gn左右 远远的超出了8gn量程 珔a 2gh t 3 988第6期徐叶雷 方 勇 基于MEMS加速度计的车用自动呼救系统 由此可见该加速度计抗冲击性非常好 甚至可 承受高达10 000gn的撞击 所以足以用来检测几百 gn的车祸 而且 通过这个测试可以判断出8gn量 程的真实可测量程为9 2gn 超过量程的部分只能 输出最大值9 2gn 在量程内的数据都是真实的 在车祸检测实验时 由于实车试验成本高 危险 大 测试时采用模型车来代替 将带加速度计的模 块水平固定在车上 x y z正方向分别为右侧 前方 和垂直地面向下 同样选择8gn量程和100 Hz采 样率输出 分别进行车辆上台阶 正面碰撞 侧面碰 撞 追尾和侧翻五组实验 数据如图6210所示 图6 上台阶实验 图7 正面碰撞实验 图8 侧面碰撞实验 图9 追尾碰撞实验 图10 侧翻实验 上台阶时 y向和z向加速度值变化很相似 而 且z向幅值通常大于y向信号 维持在1gn左右 因此 可以将y z双向的加速度值相减合成为一个 判断y向碰撞的信号 再与x向加速度合成为w信 号 实验测试表明 经过w阈值判断可有效将上台 阶与车祸基本区分开来 正撞 侧撞和追尾实验是通过两辆模型车来进 行模拟碰撞的 其中 正撞和追尾时y向加速度值 变化尤其剧烈 而侧撞时x向加速度值变化尤其剧 烈 三种情况在做w阈值判断时 均超出6gn阈 值 可准确检测出车祸 侧翻实验时 将模型车 高11 cm宽16 cm 放 置在高17 cm可翻转的水平平台一端 在保持各轴 同步倾侧的条件下 将平台另一端迅速抬起 使车在 不受其他外力情况下侧翻 甚至翻转 测试发现 x 向加速度值变化尤其剧烈 z向信号也有明显起伏 通过 x和 z的联合判决以及大变化角度状态的维 持 可以很好将侧翻检测出来 有效避免了将车祸类 型误判为碰撞的可能 3 移动车辆定位技术 全球定位系统 GPS 是目前应用最广泛的定位 技术 不仅省时高效 定位精度高 而且使用方便 但 098传 感 技 术 学 报2009年 它信号频率较低 还存在定位盲区的较大可能性 而加速度计独立性强 可以实时提供加速度信息 积 分得出速度甚至位移 但它有误差积累的缺点 不能 长时间单独使用 因此 本系统采用GPS和加速度 计相结合的方式来确定车辆位置 使两者取长补短 进一步提高了车辆定位精度 该组合定位技术采用 数据融合的方法 由GPS模块接收GPS信号 提供 低频的经纬度 速度和方向信息 分别用于校正定位 误差和更新起始车速 加速度计在此基础上利用加 速度信号计算出方向 速度和位移 即使在没有 GPS信号的情况下 也能利用之前的信息进行定 位 可靠性较高 GPS模块选用美国SiRF公司的 GR287型接收模组 具备快速定位及追踪20颗卫星 的能力 支持NMEA20183 V2 2版本规格输出 每 隔0 1 s更新一次定位信息 定位精度10 m 而且提 供了省电模式 较好满足了的定位的需求 实验时 在上海大学行健楼4楼采集GPRMC数据 如 GPRMC 045642 000 A 3116 7922 N 1212711656 E 0 00 131 56 080309 A365 经 ARM9提取有效信息和坐标转换处理后得到 纬 度 31 27987N 经度 121 45276E 时间 12 56 42 日期 2009203208 4 无线通信技术 本系统采用GPRS网络接入Internet作为通信 平台 为移动车辆提供了可靠的媒介 该组网方式 覆盖范围广 适合所有数据的传输 可以实现永远在 线 而且资费灵活 运行成本相对较低 不仅节省了 系统的搭建时间 保障了系统的可靠性 也方便了网 络用户的使用 其中 GPRS模块选用Siemens公 司的MC39i 该模块提供了简单 内嵌式的无线 GPRS连接 可工作在EGSM900 GSM1800两个频 段 输出功率分别为2 w 1 w 模块由AT指令直 接控制 支持数据 语音 短信和传真功能 在数据传 输时下行最大速率可达85 6 kbit s 此外 它还提 供了SIM卡3V接口 标准RS232全双工接口和语 音接口 很适合嵌入式系统中的应用 ARM9通过 AT指令控制GPRS模块 完成其初始化 入网 数 据传输等功能 一旦车祸发生 ARM9会将定位信 息结合存储在SIM卡中的附加信息一起通过 MC39i发送至监控中心 设计的具体呼救信号格 式为 SOS 纬度 经度 时间 日期 车祸类型 车 牌 车主 电话 住址 5 网络地理信息系统 Web GIS 为了实现自动呼救功能 系统还在Visual Stu2 dio 2005平台下利用MapInfo MapXtreme 2005地 图引擎相应设计了一个上海市闸北区的Web GIS 监控中心 它采用的是三层B S模式的体系结 构 由浏览器 服务器和数据库构成 其中 服务 器与浏览器的通信采取标准的HTTP协议 而地 图的生成与显示过程由浏览器和服务器共同完 成 8 考虑到车辆状态信息传输的安全性和稳定 性 监控中心采取了架设VPN 虚拟专用网 服务 器的方法 并利用中心公网动态IP和学校DNS解 析服务 实现了通过访问域名的形式与监控中心 进行通信 目前 该Web GIS监控中心已经实现 车辆定位 信息查询 鹰眼图功能 以及一整套基 本GIS操作 如地图放大 缩小 漫游 测距 图元 选择和搜索等 一旦通过通信网络收到事故信 息 它会结合获取的实时数据和数据库的历史数 据 以网页上的电子地图和数字信息两种形式 显 示呼救车辆的位置以及车主等信息 并通知最近 的相关部门前往救援遇险车辆 6 系统模拟实验 系统的监控平台采用Windows Server 2003操 作系统 SQL Server 2000数据库服务器 Microsoft IIS Web服务器 MapInfo MapXtreme 2005地图引 擎 在整个系统搭建好后 将模型车放到上海大 学延长校区内进行实地测试 当进行翻车实验 时 呼救信号能传到监控中心 自动添加到事故列 表中 通过查询事故可在Web GIS监控界面上显 示出事故位置 红旗处 时间 车祸类型 车牌 车 主等信息 并能搜索最近医院和警力 红框标出 功能 见图11 通过大量重复实验 统计出其车祸报警的准确 性 如表1所示 表1 车祸判断准确性 车祸类型实验次数判断类型准确率 判断发生准确率 上台阶40222100 正撞4010090 侧撞4010090 追尾4010095 侧翻40100100 该方法可以准确区分出路面干扰和车祸 而 且对车祸发生后的类型判断非常准确 能很好区 分出碰撞和翻车 然而极个别情况下 由于碰撞 角度过偏的关系加速度变化不是很明显 导致了 漏报 198第6期徐叶雷 方 勇 基于MEMS加速度计的车用自动呼救系统 图11 车祸自动呼救在Web GIS监控中心的显示 7 结论 本文利用三轴MEMS加速度计 GPS GPRS 和Web GIS技术 提出了一个解决方案并进行了系 统搭建 通过模型车实验测试 证明其呼救功能可 以进行有效工作 如果要应用到实车上 还需考虑 更多因素来完善这个系统 该系统适用于有GPRS 信号覆盖的任何地方和任何车辆 尤其对偏远地区 和夜晚时发生车祸的伤员救助来说非常有帮助 参考文献 1 陆文昌 徐贤 修彩靖 基于GPS与GSM的交通事故自动呼 救系统的设计 J 中国安全科学学报 2008 18 4 94298 2 盘朝奉 周孔亢 李仲兴等 基于车辆事故等级分类的紧急呼 救系统研究 J 中国安全科学学报 2008 18 2 17221 3 金军 安全气囊的安全死角 J 汽车运用 2008 9 38 4 Dong2Wook Jang BokKeun Sun Sang2Yeon Cho etc Impl