1、一种基于 ARM-A53 的嵌入式新型行车记录仪的设计 张修军 肖宇 张诗艺 成都大学信息与科学工程学院 摘 要： 本文基于 ARM-A53 设计并开发了一款自组网智能型车记录仪, 本记录仪通过图像识别算法计算图像内车辆的运动趋势, 并通过自组网功能与北斗定位功能将前方车辆识别信息传递给后方车辆的行车记录仪从而让后方车辆的行车记录仪可以具备更广的视野和全局安全识别能力。该记录仪由信息采集与处理平台、车辆自组网、人机交互平台构成。该记录仪通过实际测试验证, 有较好的应用前景。关键词： 行车记录仪; 图像识别; 自组网; 北斗定位; 收稿日期：2017-10-30基金：成都大学龙泉驿区汽车创意设计
2、试点区项目 (2015-CX00-00010-ZF) ;成都大学校级教育教学改革项目 (cdjgb2017043, cdjgb2017135) 资助项目Design of New Recording Instrument System of Traveling Vehicle Based on ARM-A53ZHANG Xiu-jun XIAO Yu ZHANG Shi-yi Abstract： The intelligent recording instrument system of traveling vehicle with Ad hoc networks fun is designe
3、d in this paper. This type recording instrument can calculate vehicles movement trend through image recognition algorithm, and through Ad hot networks and plough satellite positioning functions, send message to behind recording instruments to make behind recording instrument have broader view and gl
4、obal security recognition capability. This recording instrument composed of information collecting and processing platform, Ad hot networks module and human-computer interaction platform. This type recording instrument passed through test and has a good application prospect.Keyword： Recording Instru
5、ment System of Traveling Vehicle; Image recognition; Ad hoc networks; Plough Satellite Positioning; Received： 2017-10-300 引言随着国民经济飞速发展, 机动车普及率大大提高, 道路上越来越多的车辆导致交通事故越来越多, 并逐渐成为当今社会的较为突出的问题。基于此, 国内各类行车记录仪大量涌现。目前, 国内大部分行车记录仪多以简单摄像记录为主, 仅仅当作汽车驾驶辅助模块使用, 同时专业多功能的行车记录仪在当今智能交通中也逐渐为人们所重视1。车辆在行驶过程中, 驾驶员的视线经常被
6、前方的车辆所阻挡, 因为视线受阻, 让驾驶员无法对前方路况进行准确的判定, 在车辆便道超车和当前车突然减速变道、及前方突然出现行人的情况, 往往驾驶员思想上措不及防, 进而造成操作不当而出现严重的交通事故。能否在现有的车辆智能设备上增加车辆自组网, 进而为后车提供更多前车识别的信息, 正是促使本文研究的动机。现有的行车记录仪已经具备摄像、拍照、Wi-Fi、录音、停车监控等功能, 为了不减少对存量车的改造, 开发一款带自组网的智能型车记录仪自然成了我们研究重点。1 系统方案设计本设计目的在于提供一种智能联网行车记录仪, 可以对车辆行进中前方路况进行实时判定并提示车主, 同时, 也能进行车与车之间
7、的组网, 实现多车的数据共享及交互。而为了解决技术问题达到上述技术目的, 设计采取的技术方案是:基于 ARM-A53 处理器的搭载 Ubuntu14.04 的一种新型行车记录仪, 包括高清摄像头、图像识别预警模块及无线自组局域网模块;而其高清摄像头获取图像视频信息并与所述主控制器进行数据通信;图像识别预警模块用于将图像视频信息进行分析处理从而实现对前方车辆、行人的行为的预判, 并在预判有紧急情况时, 及时发出告警;无线自组局域网模块用于至少两车之间的无线局域网组建, 实现路况信息的共享和交互。本系统采用方案如图 1 所示。图 1 系统结构框图 下载原图本系统结构如图 2 所示。其中模块 1 为
8、图像识别预警系统, 用于对前方车辆、行人的行为进行预判, 在预判有紧急情况时, 及时发出告警;模块 2 为无线自组局域网系统, 用于至少 2 车之间, 比如由 11 个车组成的车队内车与车之间的无线局域网组建, 实现路况信息的共享和交互。图 2 系统结构框图 下载原图2 图像识别方案图像识别预警采用北斗定位模块计算车辆的位置及速度信息, 采用语音播报器发出告警信息;主控制器内搭建有图像处理软件及告警程序, 该图像处理软件包括运行在 Linux 操作系统上的 Open CV 计算机开源视觉库及在 Java CV 库的eclipse 开发环境中运行的 Map/Reduce;Open CV 计算机开
9、源视觉库采集图像信息及人像信息, 采用统计模式识别法对前方行为识别而形成前车行为模式信息, Map/Reduce 进行人体识别从而形成前方行人信息;统计模式识别法是在某些一定量度或观测基础上把待识模式划分到各自的模式类中去, 因而只要判断被识别的对象落入哪一个区域, 就能确定出它所属的类别, 通过这样的识别方式能更好地达到对路况信息的预判功能, 其具体步骤:A1、基于 Open CV 的计算机视觉库进行图像采集;A2、对采集的图像进行图像定位;A3、对定位后的图像进行二值化为字符;A4、对字符进行分割;A5、对分割后的字符进行特征提取;A6、对提取的特征与模式类进行特征比对, 进而实现模式识别
10、, 实现行为模式的提前预判。主控器上的告警程序根据前车行为模式信息、前方行人信息、车辆位置信息及速度信息进行综合判断, 即当图像处理软件预判前车紧急刹车及行人靠近车前时, 告警程序根据车辆与前车、行人的距离以及车辆速度信息划分紧急等次。根据车辆的位置和速度, 为安全避让紧急刹车的前车或车前的行人, 需要提前2 秒做出避让或刹车动作, 则划为等级, 告警信息需要提前 2.5 秒发布;若需提前 3 秒做出避让或刹车动作, 则化为等次, 告警信息则提前 3.5 秒发布, 等次越高表示情况越紧急, 就需要提前更多时间进行告警。摄像头单元主要用于采集图像和录像功能, 并通过 USB 通信将图像数据传送给
11、主控, 实现处理器对图像和视频的处理, 并存储在存储卡内。目前项目试验使用的是 OV4689 图像传感器, 采集图像如图 3。图 3 采集图像 下载原图3 Open CV 库的移植与运动目标检测Open CV 是由 Intel 公司发起并参与开发且在近年来迅速普及的计算机视觉研究工具, 是一个跨平台的计算机视觉库2。Open CV 可以在 windows、Linux以及 Android 等系统上运行, Intel 公司免费开发该函数库的源代码。Open CV提供了丰富的帧提取函数和视觉处理算法, 开发者可以在视频开发项目中直接调用进行算法移植并添加自己编写的程序, 即可完成复杂庞大的开发任务,
12、 达到事半功倍的效果3。为了在 ARM 嵌入式平台上实现图像识别, 因此需要首先在 ARM 上运行 Ubuntu 系统, 再在此环境上搭建环境移植 Open CV 库。移植过程如下:(1) 获取并且解压 opencv2.3.1 到/home/linux_opencv/下, 执行解压命令#tar jxvf Open CV-2.3.1a.tar.bz(2) 进入 Open CV 源目录中进行修改确保安装过程不会出错, 修改 Open CV-2.3.1/modules/flann/include/opencv2/flann/dist.h 文件第 63 行的源码:将absl () 修改为 abs ()
13、 #cd Open CV-2.3.1/modules/flann/include/opencv2/flann/#vi dist.h修改完之后保存。(3) 运行 cmake-gui, 运行之前先建两个目录:#cd/usr/local#mkdir arm#mkdir opencv-arm目录 arm 用来安装 opencv, opencv-arm 则作为交叉编译的工作目录。#cmake-gui修改默认配置, 默认安装目录为/usr/local, 把 CMAKE_INSTALL_PREFIX 变量改为/usr/local/arm/去掉 WITH_TIFF, 再次点击 Configure, 然后点击
14、Generate生成 Makefile。(4) 编译之前, 修改一下 CMake Cache.txt。#cd/usr/local/opencv-arm#vi CMake Cache.txtCMAKE_EXE_LINKER_FLAGS 原来为空, 加上-lpthreadlrt, 之后开始编译, 完全编译完成后安装。#make install基于 Open CV 的运动目标的检测, 我们采用的方法是帧差法和背景差法两种算法的结合, 因为由文献5可知两者具有互补性。具体是因为由于用于差分的相邻图像间的时间间隔小, 帧差法受场景光线变化的影响小, 能弥补背景差法对场景环境变化敏感的缺点;背景差法能提取
15、完整的运动目标, 能克服帧差法无法提取轮廓完整的运动目标不足。对于运动趋势的判断, 我们使用的 Open CV 3.0 里自带的 good Features To Track 函数可以实现。而我们的思路是:good Features To Track 函数可以获取图像中的最大特征值的角点, 再对两帧图像做一个 absdiff 得到新图像, 对新图像做灰度和二值化处理。然后使用 good Featu-res To Track 函数得到最大特征值的角点, 计算角点的平均点, 写入队列 (通过计算平均点的解决办法类似物理中刚体问题抽象成质点解决的思路) 。维护一个长度为 10 的队列, 队列满时计算
16、队列中数据的增减情况, 来确定运动方向。代码示例 (左右移动的判断) :4 无线自组网方案无线自组局域网模块主要是采用 USBWIFI 无线通信模块, 在物理层和数据链路层采用 IEEE80.11b/g/n 协议标准3, 在网络层采用基于 TCP/IP 通信协议, 建立车与车之间的 adhoc 无线通信网络, 采用的具体方法是:C1、预先组建 2 个以上的 NB-Io T 通讯模块组;C2、指定其中一个 NB-Io T 通讯模块作为总节点, 其余 NB-Io T 通讯模块为子节点;C3、所述总节点扫描范围内的所有子节点, 若扫描成功, 则总节点向扫描到的子节点发送连接请求, 若扫描不成功则总节
17、点再次循环扫描范围内的子节点, 直到成功扫描到范围内的所有子节点为止;C4:接收到连接请求的所述子节点作出是否允许连接决定;C5:若允许连接, 所述子节点对总节点作出连接响应, 进而实现组网;C6:若不允许连接, 则总节点重复发送二次连接请求, 若子节点仍作出不予连接决定, 则中断发送连接请求。通过 C1-C6 的步骤, 在车与车之间建立了蜂窝无线局域网, 各个车实现了路况信息的共享和交互, 这样可以在技术上扩大车辆的监控视角, 便于在前方本车监控不到的路段出现堵车或事故时, 后方的车辆可以及时改道或变更行程, 并且通过局域网, 车与车之间可以分享旅途趣事、在某一车出现紧急情况需要求助时, 其
18、他车辆可以及时得知信息进行援助, 避免车主在出现故障时有可能面临的孤立无援的窘境。5 其他在实际的设计之中, 我们还引入北斗定位模块, 北斗定位模块主要是用于为驾驶者提供车速, 位置等数据信息, 给行车记录仪判断行车环境提供可靠的数据, 同时, 紧急时刻还可利用北斗系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间的双向报文通信能力, 增加与提高实用性与保障性7。而传感器主要是重力传感器, 其主要应用在记录仪在正常摄影时, 对突然发生的碰撞而产生的振动进行感知, 并产生相应的信号给主控芯片, 使得拍摄的视频进行自动的锁存, 或者在记录仪待机是对突然发生的振动进行感知, 自动开机录像。当然, 在北斗的实
19、际使用中, 我们会遇到有各种因素导致卫星测量误差会出现定位的漂移, 通过文献查阅可以了解误差产生的原因主要是有如卫星位置误差、卫星时钟误差、大气传播延迟修正残差等等因素构成。而为了修正误差, 团队主要是采用文献6中所提到的组合方案进行优化。6 结语通过分析现如今市面上行车记录仪的局限性, 通过将无线自组网技术应用于车辆之间通信, 使司机能够在超视距的范围内获得其他车辆的行驶状态信息 (如行驶方向、车速、位置等) 和路况信息。它不仅能够实现交通事故告警, 还能实现道路交通信息查询、车辆间语音视频通信等功能, 所以有着广泛的应用前景。本文中的嵌入式新型行车记录仪可以使用户在不改造车辆的前提下, 通
20、过设备自身所具备的图像识别, 车辆自组网及预警提醒功能, 使得车辆在行车时具备全局的安全识别能力, 提高了车辆行驶过程中的安全系数, 并可以有效避免并减少道路上的交通事故。参考文献1白雅伟.基于 ARM 的新型行车记录仪的研究与设计D.武汉理工大学, 2013. 2Intel Corporation.Open CV reference manualS/OL. (2001) 2001.http:/. 3刘瑞帧, 于士琪.Open CV 教程 基础篇M.北京:北京航空航天大学出版社, 2007. 4王晓华, 贾继洋.基于 ARM-Linux 的 Ad-hoc 组网J.计算机系统应用, 2014, 23 (7) :84-88. 5朱仲杰, 蒋刚毅, 郁梅, 等.目标基视频编码中的运动目标提取与跟踪新算法J.电子学报, 2003, 31 (9) :1426-1428. 6杨爱鹤.北斗卫星导航系统行车记录仪的优化设计J.单片机与嵌入式系统应用, 2015, 15 (3) :58-61. 7唐金元, 于潞, 王思臣.北斗卫星导航定位系统应用现状分析J.全球定位系统, 2008, 33 (2) :26-30.
