基于机器视觉与雷达检测的汽车智能前照灯系统设计研究

宋百玲 吴德鸿 毛一鸣 邹玉琪 常伟斌 杨润发 于淼

【摘 要】研究表明，汽车前照灯系统是汽车主动安全的重要组成部分。论文设计了一款基于机器视觉与毫米波雷达检测相结合的汽车智能前照灯系统，该系统可实现夜间行车光照条件不足时对前方车辆及障碍物进行检测，并实现障碍物预警与远近光灯智能切换。论文详细介绍了该系统的基本组成与工作原理，包括硬件电路设计与软件程序设计。该智能前照灯系统识别准确、可靠性高，较好地保障了夜间光照不足时的行车安全。

【关键词】智能前照灯; 机器视觉; 毫米波雷达;远近光灯切换;障碍物预警

【Keywords】 intelligent headlamp; machine vision; millimeter wave radar; switching of far and near lights; obstacle warning

【中图分类号】U46                                           【文献标志码】A                                            【文章编号】1673-1069（2019）01-0152-02

1 引言

根据世界卫生组织统计专家预计，到2030年道路交通事故伤害在全球疾病和伤害负担中将排名第五位，严重威胁到人们的生命财产安全。黄伟[1]等对 2013—2015 年的西安市一般交通事故和重大交通事故发生时间做了统计，统计表明重大交通事故多发生在凌晨（0 ～6 时）和夜晚（18 ～24 时）。汽车智能前照灯系统是汽车主动安全的重要组成部分，当相向而行的车辆相距150m以内时，一方主动开启近光灯，则被动方也能自动由远光灯切换成近光灯，会车后自动恢复远光灯，该系统解决了行车中强光对双方驾驶员的干扰，提高了夜间驾车的安全系数。该系统可大大减少夜间会车时因远近光切换不当而引发的交通事故，满足行车环境灯照不足时的行车的安全需要，有效保障人民生命财产安全。

2系統基本组成与工作原理

本文设计的基于机器视觉与雷达检测的汽车智能前照灯系统。在夜间行车时，车头前方150m内50m外出现车辆时由远光灯自动切换成近光灯，车头前方50m内有汽车、行人等障碍物时蜂鸣器自动报警。该系统同时提供手动控制与自动控制两种模式，驾驶员可通过自动切换控制按钮自行选择控制模式。

目前汽车远近光灯自动切换的实现多基于激光检测、光敏电阻及光敏二极管系统等综合应用。激光检测系统考虑到道路两旁无效障碍物的影响，具有较大的误操作可能性。对于光敏二极管及光敏电阻的系统而言，其无法对反光效果较弱的电动车、自行车甚至行人进行有效判断。本文所设计的系统主要由相机检测模块、毫米波雷达检测模块、单片机等组成。控制器接收到两方信号后，当相机模块与毫米波雷达模块信号同时满足程序条件时，输出控制信号，实现蜂鸣器报警与远近光灯自动转换。

3 系统硬件设计

系统硬件功能电路主要包括控制模块、毫米波雷达传感器模块、相机模块、电源供电电路、蜂鸣器报警电路、远近光灯切换电路。该系统采用毫米波雷达传感器与相机传感器共同采集并分析前方路况信息，单片机对雷达传感器与相机模块传输来的信号按预设程序进行计算处理，将输出信号发送给继电器与蜂鸣器，通过继电器实现远近光灯切换，通过蜂鸣器实现报警，从而实现自动控制车辆的远近光灯切换与蜂鸣器预警。

3.1 单片机控制模块

该系统所使用的主控制模块器件为STC89C52单片机。STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器，内置标准MCS-51内核，工作频率范围在0～40 MHz，具有通I/0口32个，中断源8个，可编程串行UART通道，有ISP/IAP、专用编程器/仿真器，自带8位AD转换模块，根据系统要求，使用C语言进行应用程序编写，将编译无误的应用程序，通过编程器将程序写入单片机固化。

3.2 毫米波雷达电路

本系统采用毫米波雷达，它是利用多普勒雷达原理设计的微波移动探测器，不受温度、湿度、光线等影响，适合恶劣环境，抗射频干扰能力强，输出功率小，对人体危害小，探测距离远，支持对非生命体的检测，微波的方向好，速度等于光速，信息反馈速度快，目前被广泛应用于交通探测领域，在探测精度和探测距离上有着非常大的优势，带有天线更容易在较小的天线体积下实现窄波束和高增益。

该雷达工作原理：由雷达发射机TX产生的电磁波，经收发转换开关RX传输给天线，天线既能发射电磁波，又能接收电磁波，发射出的电磁波碰到障碍物即反射回来，基于张双喜[2]，陈伟民[3]等人的研究，根据反射波频率可以得出汽车前方物体的距离与速度。再将接收到的微小信号经过放大，经过比较电路将信号转换为方波信号，输出数字信号，由P01管脚传送进单片机处理。

3.3 相机识别模块

本系统采用Open MV作为相机处理模块，Open MV是一个低成本，功能强大的机器视觉模块。以STM32F427CPU为核心，集成OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现核心机器视觉算法，搭载MicroPython解释器，使用Python编程。本文利用IIC总线串行口通信实现 STC89C52单片机模块与OpenMV模块信息传递，与毫米波雷达共同实现路况信息检测。

3.4 串行口通信电路

本文采用USB转RS-232串行通信口进行相机模块与STC89C52之间通信以及相机模块与STC89C52的程序写入，RS-232是EIA（美国电子工业协会）1969年修订RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。RS-232C接口规定使用25针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。 由于 STC89C52 单片机具有 TTL 电平特性，即以电平高低表示逻辑状态，而 RS-232 串口是 EIA 电平特性，以电压正负来表示其逻辑状态。在此采用 MAX-IM 公司生产的MAX232电平转换芯片实现 TTL？EIA 电平双向转换，采用CH340芯片实现USB转串口通信。

3.5 蜂鸣器报警电路

系統使用自激蜂鸣器实现声音提醒。自激蜂鸣器由直流电压驱动，不需要利用交流信号进行驱动，只需对单片机驱动口输出驱动电平并通过ULN2003达林顿管作为电流放大电路。ULN2003D的1～5管脚分别与单片机的P10～P13管脚相连以及P15管脚相连，12管脚与蜂鸣器电流输入管脚BZ相连，驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，通过改变单片机引脚输出的波形频率可控制其音调，改变输出电平的高低电平占空比可控制声音大小，方便简洁。

3.6 远近光灯切换电路

远近光灯切换电路工作方式，自动/手动转换开关可让驾驶员自行选择自动或手动模式，在自动变光模式失效的情况下，通过此开关仍可以实现人工操纵变光。在自动变光模式下，汽车开启远光灯，单片机根据传感器采集的信号进行分析，若有会车、跟车现象或道路有较好的照明度时，单片机P00管脚输出高电平，使三极管8550导通，继电器线圈通电工作，使开关K由常闭触点2切换到触点3，前照灯由远光灯自动切换为近光灯。本系统通过继电器实现自动切换，根据单片机判断的近光/远光路况，P00管脚输出相应的高低电平控制8550三极管通断，控制继电器通断电，完成切换工作。

3.7 电源模块

考虑到直接采用汽车蓄电池供电，本系统采用7805芯片将汽车上的12V电压转化为5V的电压并采用USB口对单片机模块供电，对远近光工作电路采用12V电源供电。

4 结语

本文设计的汽车智能前照灯系统，通过毫米波雷达采集夜间行车时前方车辆以及各种障碍物的距离与速度信息，采用相机模块，运用机器视觉对车前灯与车尾灯的检测和跟踪，在有跟车、会车现象时会由远光灯转换为近光灯，并在检测到有障碍物时蜂鸣器会报警提醒驾驶员。在未来工作中，将针对视觉处理算法进行改进与优化，实现更多种路况环境的适应，并争取实现大灯由远光到近光之间的无级变化。

【参考文献】

【1】黄伟.西安市道路交通事故致因因素及对策研究[D].西安：西安科技大学，2017.

【2】陈伟民，李存龙.基于微波雷达的位移/距离测量技术[J].电子测量与仪器学报，2015，29（09）：1251-1265.

【3】闫苏琪. 基于sCMOS的高动态范围图像合成技术研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院光电技术研究所），2018.