基于FPGA技術(shù)的智能駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

一、設(shè)計(jì)概述

隨著車輛的普及，出行安全已經(jīng)成為人們熱切關(guān)注的話題。每年因不當(dāng)駕駛行為造成的交通事故日益增加，科學(xué)保障人們的生命安全已成為必不可少的社會(huì)要點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年中國(guó)交通事故死亡人數(shù)為10萬人，同年美國(guó)的數(shù)字為4萬人，日本為1萬人。而到了2003年，全世界交通事故死亡人數(shù)達(dá)到了50萬人，其中中國(guó)交通事故死亡人數(shù)為10.4萬，致死率為27.3%。因疲勞駕駛造成的交通事故占總數(shù)的20%左右，特別是在高速路上，20%的事故都是由于疲勞駕駛引起的。因此，設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)駕駛員疲勞狀態(tài)并提供輔助的智能駕駛輔助系統(tǒng)顯得尤為重要。

二、設(shè)計(jì)目的與適用范圍

本智能駕駛輔助系統(tǒng)旨在通過核心算法功能“疲勞駕駛檢測(cè)”，實(shí)時(shí)分析駕駛員的眨眼、打哈欠等行為，檢測(cè)其疲勞狀態(tài)，并通過語音提示及座椅震動(dòng)按摩等方式提醒駕駛員注意安全行車。系統(tǒng)不僅具備疲勞駕駛檢測(cè)功能，還配備了多種行車輔助功能，如語音播報(bào)、超聲波測(cè)距、倒車影像、座椅按摩等，旨在使行車更安全、便捷、智能。該系統(tǒng)適用于私家車、貨車、大巴等多種車輛，以及經(jīng)常需要夜間長(zhǎng)途出行的特定群體。同時(shí)，它也適用于車輛管理公司，如出租車、貨運(yùn)輸?shù)刃枰w配備行車輔助系統(tǒng)的團(tuán)體。

三、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)主要考慮到疲勞狀態(tài)圖像處理的實(shí)時(shí)性和疲勞狀態(tài)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)部分：疲勞駕駛檢測(cè)、倒車輔助、語音控制平臺(tái)、安全車距檢測(cè)等。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)開機(jī)自啟，并實(shí)時(shí)檢測(cè)駕駛者的疲憊情況。輔助功能模塊由語音控制功能協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。同時(shí)，語音播報(bào)會(huì)提醒駕駛員疲憊狀況以及車輛周圍障礙物情況，并及時(shí)反饋給駕駛者，達(dá)到預(yù)防交通事故發(fā)生的目的。

1. 主控芯片型號(hào)及其作用

   1.1 Xilinx Zynq-7000 系列 PYNQ-Z2 開發(fā)板

   本系統(tǒng)采用Xilinx Zynq-7000 系列 PYNQ-Z2 開發(fā)板作為主控芯片。該開發(fā)板的主芯片型號(hào)為XC7Z020CLG400-1，為FPGA+ARM架構(gòu)，支持Python開發(fā)，并提供了豐富的Python API和完善的硬件設(shè)計(jì)流程。PYNQ-Z2開發(fā)板通過PYNQ開源框架，使用戶能夠在無需設(shè)計(jì)可編程邏輯電路的情況下，充分發(fā)揮Xilinx Zynq All Programmable SoC（APSoC）的功能。

   PYNQ-Z2開發(fā)板在系統(tǒng)中主要承擔(dān)以下幾個(gè)任務(wù)：

   1.2 Artix-7 核心板

   Artix-7核心板作為輔助功能模塊顯示控制中心，在系統(tǒng)中起到協(xié)調(diào)控制各個(gè)輔助功能模塊的作用。通過語音控制功能，實(shí)現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。

• 嵌入式控制單元：用于運(yùn)行圖像采集和圖像處理的程序，以及控制各個(gè)預(yù)警模塊。

• 實(shí)時(shí)視頻圖像采集：通過連接的USB攝像頭實(shí)時(shí)采集駕駛員的人臉和眼部圖像視頻流，作為疲勞狀態(tài)監(jiān)測(cè)的源數(shù)據(jù)。

• 圖像處理與疲勞檢測(cè)：采用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)、Dlib機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)和Python開發(fā)語言對(duì)駕駛員的人臉圖像進(jìn)行處理，通過計(jì)算EAR參數(shù)來實(shí)時(shí)檢測(cè)眼部張合度，判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。

2. 實(shí)時(shí)視頻圖像采集單元

   實(shí)時(shí)視頻圖像采集單元使用的是NUOXI ZL-008型號(hào)USB攝像頭。該攝像頭支持分辨率640*480，幀率30幀/秒，增強(qiáng)像素?cái)?shù)1200萬，可以滿足系統(tǒng)對(duì)圖像清晰度和實(shí)時(shí)性的要求。攝像頭連接到PYNQ開發(fā)板的USB接口，并放置在車子內(nèi)部的儀表盤上方。在PYNQ上，使用Python的imutils包采集實(shí)時(shí)的視頻流，進(jìn)而獲取視頻流的每一幀圖像，用于后續(xù)的圖像處理。

3. 圖像處理與疲勞檢測(cè)算法

   圖像處理與疲勞檢測(cè)算法是系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)采用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)和Dlib機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)對(duì)采集到的駕駛員人臉圖像進(jìn)行處理。通過計(jì)算EAR參數(shù)（Eye Aspect Ratio，眼部縱橫比）來實(shí)時(shí)檢測(cè)眼部張合度，從而判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過語音預(yù)警及座椅震動(dòng)按摩的方式提醒駕駛員注意安全行車。

4. 輔助功能模塊

   系統(tǒng)不僅具備疲勞駕駛檢測(cè)功能，還配備了多種行車輔助功能，如語音播報(bào)、超聲波測(cè)距、倒車影像、座椅按摩等。這些功能通過語音控制功能協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。

• 語音播報(bào)：通過語音播報(bào)功能，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)提醒駕駛員疲憊狀況以及車輛周圍障礙物情況。

• 超聲波測(cè)距：通過超聲波測(cè)距功能，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛與周圍障礙物的距離，避免碰撞事故的發(fā)生。

• 倒車影像：通過倒車影像功能，系統(tǒng)可以在倒車時(shí)提供清晰的圖像顯示，幫助駕駛員更好地掌握車輛后方的情況。

• 座椅按摩：當(dāng)檢測(cè)到駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過座椅按摩功能提醒駕駛員注意安全行車。

四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：

1. PYNQ-Z2開發(fā)板

   PYNQ-Z2開發(fā)板作為系統(tǒng)的嵌入式控制單元，負(fù)責(zé)運(yùn)行圖像采集和圖像處理的程序，以及控制各個(gè)預(yù)警模塊。開發(fā)板上搭載了Xilinx Zynq-7000系列XC7Z020CLG400-1芯片，該芯片為FPGA+ARM架構(gòu)，支持Python開發(fā)，并提供了豐富的Python API和完善的硬件設(shè)計(jì)流程。

2. USB攝像頭

   USB攝像頭作為實(shí)時(shí)視頻圖像采集單元，負(fù)責(zé)采集駕駛員的人臉和眼部圖像視頻流。攝像頭支持分辨率640*480，幀率30幀/秒，增強(qiáng)像素?cái)?shù)1200萬，可以滿足系統(tǒng)對(duì)圖像清晰度和實(shí)時(shí)性的要求。

3. Artix-7核心板

   Artix-7核心板作為輔助功能模塊顯示控制中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各個(gè)輔助功能模塊。通過語音控制功能，實(shí)現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。

4. 其他硬件組件

   系統(tǒng)還包括其他硬件組件，如電源管理芯片、存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出控制器、數(shù)字儀表系統(tǒng)等，以CAN總線與車輛信息交互。這些硬件組件共同構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：

1. 嵌入式操作系統(tǒng)

   系統(tǒng)采用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境和豐富的功能支持。在PYNQ-Z2開發(fā)板上，通過運(yùn)行Linux系統(tǒng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)圖像采集、圖像處理、預(yù)警模塊控制等功能。

2. 圖像處理算法

   圖像處理算法是系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)采用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)和Dlib機(jī)器學(xué)習(xí)庫(kù)對(duì)采集到的駕駛員人臉圖像進(jìn)行處理。通過計(jì)算EAR參數(shù)來實(shí)時(shí)檢測(cè)眼部張合度，從而判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)需要在Python環(huán)境下進(jìn)行編程和調(diào)試。

3. 預(yù)警模塊控制程序

   預(yù)警模塊控制程序負(fù)責(zé)控制各個(gè)預(yù)警模塊的運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)到駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，預(yù)警模塊控制程序會(huì)觸發(fā)語音預(yù)警和座椅震動(dòng)按摩功能，提醒駕駛員注意安全行車。預(yù)警模塊控制程序需要在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行編程和調(diào)試。

4. 語音控制功能

   語音控制功能通過語音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)可以識(shí)別駕駛員的語音指令，并通過語音控制功能協(xié)調(diào)控制各個(gè)輔助功能模塊的運(yùn)行。語音控制功能的實(shí)現(xiàn)需要借助語音識(shí)別算法和語音合成算法的支持。

六、系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化

在系統(tǒng)開發(fā)完成后，需要進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化工作。系統(tǒng)測(cè)試主要包括功能測(cè)試和性能測(cè)試兩個(gè)方面。功能測(cè)試用于驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，包括疲勞駕駛檢測(cè)功能、倒車輔助功能、語音控制功能等。性能測(cè)試用于評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，包括圖像處理速度、預(yù)警模塊響應(yīng)時(shí)間等。

在系統(tǒng)測(cè)試過程中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題和不足。針對(duì)這些問題和不足，需要進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化工作。系統(tǒng)優(yōu)化主要包括算法優(yōu)化、硬件優(yōu)化和軟件優(yōu)化三個(gè)方面。算法優(yōu)化用于提高圖像處理速度和準(zhǔn)確性；硬件優(yōu)化用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；軟件優(yōu)化用于優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)和代碼質(zhì)量，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

七、結(jié)論

本文介紹了一種基于FPGA技術(shù)的智能駕駛輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集駕駛員的人臉和眼部圖像視頻流，采用圖像處理算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)駕駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。系統(tǒng)不僅具備疲勞駕駛檢測(cè)功能，還配備了多種行車輔助功能，如語音播報(bào)、超聲波測(cè)距、倒車影像、座椅按摩等。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值，可以為駕駛者和乘客提供一個(gè)更科學(xué)、可靠、便捷的輔助平臺(tái)。

通過本文的介紹，我們可以看到FPGA技術(shù)在智能駕駛輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。FPGA作為一種靈活且高性能的“處理器”，已經(jīng)在汽車行業(yè)找到了廣泛的應(yīng)用。通過FPGA技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)處理和算法應(yīng)用等功能，為智能駕駛輔助系統(tǒng)的發(fā)展提供了有力的支持。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷深入，基于FPGA技術(shù)的智能駕駛輔助系統(tǒng)將會(huì)更加完善和智能化。