基于FPGA技術的智能駕駛輔助系統(tǒng)設計方案

一、設計概述

隨著車輛的普及，出行安全已經(jīng)成為人們熱切關注的話題。每年因不當駕駛行為造成的交通事故日益增加，科學保障人們的生命安全已成為必不可少的社會要點。據(jù)統(tǒng)計，2001年中國交通事故死亡人數(shù)為10萬人，同年美國的數(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)達到了50萬人，其中中國交通事故死亡人數(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，設計一款能夠?qū)崟r檢測駕駛員疲勞狀態(tài)并提供輔助的智能駕駛輔助系統(tǒng)顯得尤為重要。

二、設計目的與適用范圍

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”，實時分析駕駛員的眨眼、打哈欠等行為，檢測其疲勞狀態(tài)，并通過語音提示及座椅震動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功能，還配備了多種行車輔助功能，如語音播報、超聲波測距、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)常需要夜間長途出行的特定群體。同時，它也適用于車輛管理公司，如出租車、貨運輸?shù)刃枰w配備行車輔助系統(tǒng)的團體。

三、系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)總體方案設計主要考慮到疲勞狀態(tài)圖像處理的實時性和疲勞狀態(tài)檢測的準確性。系統(tǒng)主要包含以下幾個部分：疲勞駕駛檢測、倒車輔助、語音控制平臺、安全車距檢測等。系統(tǒng)可實現(xiàn)開機自啟，并實時檢測駕駛者的疲憊情況。輔助功能模塊由語音控制功能協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。同時，語音播報會提醒駕駛員疲憊狀況以及車輛周圍障礙物情況，并及時反饋給駕駛者，達到預防交通事故發(fā)生的目的。

1. 主控芯片型號及其作用

   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)板的主芯片型號為XC7Z020CLG400-1，為FPGA+ARM架構，支持Python開發(fā)，并提供了豐富的Python API和完善的硬件設計流程。PYNQ-Z2開發(fā)板通過PYNQ開源框架，使用戶能夠在無需設計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)中主要承擔以下幾個任務：

   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)控制各個輔助功能模塊的作用。通過語音控制功能，實現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。

• 嵌入式控制單元：用于運行圖像采集和圖像處理的程序，以及控制各個預警模塊。

• 實時視頻圖像采集：通過連接的USB攝像頭實時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)測的源數(shù)據(jù)。

• 圖像處理與疲勞檢測：采用OpenCV計算機視覺庫、Dlib機器學習庫和Python開發(fā)語言對駕駛員的人臉圖像進行處理，通過計算EAR參數(shù)來實時檢測眼部張合度，判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。

2. 實時視頻圖像采集單元

   實時視頻圖像采集單元使用的是NUOXI ZL-008型號USB攝像頭。該攝像頭支持分辨率640*480，幀率30幀/秒，增強像素數(shù)1200萬，可以滿足系統(tǒng)對圖像清晰度和實時性的要求。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包采集實時的視頻流，進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算法

   圖像處理與疲勞檢測算法是系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)采用OpenCV計算機視覺庫和Dlib機器學習庫對采集到的駕駛員人臉圖像進行處理。通過計算EAR參數(shù)（Eye Aspect Ratio，眼部縱橫比）來實時檢測眼部張合度，從而判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。當檢測到駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)時，系統(tǒng)會通過語音預警及座椅震動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功能，還配備了多種行車輔助功能，如語音播報、超聲波測距、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，實現(xiàn)解放雙手、安心駕駛的目的。

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

• 超聲波測距：通過超聲波測距功能，系統(tǒng)可以實時檢測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：當檢測到駕駛員處于疲勞狀態(tài)時，系統(tǒng)會通過座椅按摩功能提醒駕駛員注意安全行車。

四、系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要包括以下幾個部分：

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，負責運行圖像采集和圖像處理的程序，以及控制各個預警模塊。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，支持Python開發(fā)，并提供了豐富的Python API和完善的硬件設計流程。

2. USB攝像頭

   USB攝像頭作為實時視頻圖像采集單元，負責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，增強像素數(shù)1200萬，可以滿足系統(tǒng)對圖像清晰度和實時性的要求。

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，負責協(xié)調(diào)控制各個輔助功能模塊。通過語音控制功能，實現(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、存儲設備、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成了系統(tǒng)的硬件平臺，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

五、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括以下幾個部分：

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)定的運行環(huán)境和豐富的功能支持。在PYNQ-Z2開發(fā)板上，通過運行Linux系統(tǒng)，可以方便地實現(xiàn)圖像采集、圖像處理、預警模塊控制等功能。

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計算機視覺庫和Dlib機器學習庫對采集到的駕駛員人臉圖像進行處理。通過計算EAR參數(shù)來實時檢測眼部張合度，從而判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。圖像處理算法的實現(xiàn)需要在Python環(huán)境下進行編程和調(diào)試。

3. 預警模塊控制程序

   預警模塊控制程序負責控制各個預警模塊的運行。當檢測到駕駛員處于疲勞狀態(tài)時，預警模塊控制程序會觸發(fā)語音預警和座椅震動按摩功能，提醒駕駛員注意安全行車。預警模塊控制程序需要在Linux系統(tǒng)下進行編程和調(diào)試。

4. 語音控制功能

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

六、系統(tǒng)測試與優(yōu)化

在系統(tǒng)開發(fā)完成后，需要進行系統(tǒng)測試與優(yōu)化工作。系統(tǒng)測試主要包括功能測試和性能測試兩個方面。功能測試用于驗證系統(tǒng)是否滿足設計要求，包括疲勞駕駛檢測功能、倒車輔助功能、語音控制功能等。性能測試用于評估系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性，包括圖像處理速度、預警模塊響應時間等。

在系統(tǒng)測試過程中，可能會發(fā)現(xiàn)一些問題和不足。針對這些問題和不足，需要進行系統(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)化三個方面。算法優(yōu)化用于提高圖像處理速度和準確性；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)架構和代碼質(zhì)量，提高系統(tǒng)的運行效率。

七、結論

本文介紹了一種基于FPGA技術的智能駕駛輔助系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)通過實時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器學習算法對駕駛員的疲勞狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預警。系統(tǒng)不僅具備疲勞駕駛檢測功能，還配備了多種行車輔助功能，如語音播報、超聲波測距、倒車影像、座椅按摩等。該系統(tǒng)具有廣泛的應用前景和市場價值，可以為駕駛者和乘客提供一個更科學、可靠、便捷的輔助平臺。

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