Дипломная (вкр): Разработка системы поддержки водителя на основе одноплатного компьютера в связке с мобильным устройством под операционную систему Android

Разработка системы поддержки водителя на основе одноплатного компьютера в связке с мобильным устройством под операционную систему Android

Оглавление

Введение

. Анализ поведения водителя за рулём

. Обзор и анализ существующих систем

.1 Бортовые компьютеры

.2 Система помощи водителю на базе регистратора

. Системная реализация проекта

.1 Выбор типа устройства для реализации проекта

.1.1 Бортовой компьютер

.1.2 Видеорегистратор

.1.3 Одноплатный компьютер

.2 Выбор одноплатного компьютера

.2.1 Raspberry Pi

.2.2 Cubieboard

.2.3 BeagleBone

.3 Операционная система

.3.1 Cubieboard

.3.2 Сubian

.3.3 Debian

. Установка операционной системы Debian

.1 Настройка системных служб

.2 Разработка области системного приложения

.2.1 Общая схема системы

.3 Подключение видеокамер

.4 Создание локальной Wi-Fi сети

.5 Разработка серверного приложения

.5.1 Распознавание знаков и библиотека OpenCV

.6 Программная реализация приложения системы

. Потоковое видео в Android

.1 Конвертация видео

.2 Раздача видео

.2.1 Progressive streaming

5.2.2 Pseudo streaming

.2.3 Live streaming

.2.4 Real Time Streaming Protocol (RTSP)

5.2.5 Multicast

.3 Выбор протокола

.4 Обзор и анализ инструментов разработки

.4.1 Eclipse

.4.2 Intellij

.4.3 Android Studio

. Разработка мобильного приложения

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Современное общество все чаще сталкивается с проблемами автоматизированного регулирования дорожного движения и транспорта. Важным вкладом в решение этой проблемы могут быть интеллектуальные системы поддержки водителя.

Развитие новых технологий в информационной области оказывает влияние на сферу транспорта. В наше время системы помощи водителю предоставляют возможность для организации безопасного дорожного движения.

На данный момент существует множество интеллектуальных систем помощи водителю. Большинство из них специализируются на определенной марке автомобиля, как правило сегмента премиум класса. Также существуют системы, которые являются независимыми от марки автомобиля и могут интегрироваться в любой автомобиль. Обычно эти системы имеют один большой недостаток - это дороговизна. Цель данной работы, разработать систему поддержки водителя на основе одноплатного компьютера в связке с мобильным устройством под ОС Android, которая будет состоять из четырех камер, расположенных по периметру автомобиля, одноплатного компьютера, который будет получать входные потоки со всех камер и обрабатывать их, и мобильного устройства, которое будет получать от одноплатного компьютера видео потоки и отображать их. Для достижения цели, были решены задачи:

-       Исследовать состояние водителя в процессе вождения;

-       Провести обзор и анализ существующих систем поддержки водителя, выявить их недостатки и преимущества при взаимодействии с водителем;

-       Провести обзор и выбор инструментальных средств для решения поставленной цели;

-       Разработать способ взаимодействия водителя с мобильным устройством;

-       Проектирование интерфейса приложения;

-       Разработать прототип системы, базирущийся на одноплатном компьютере.

Инструментальные и программные средства, которые будут использованы в процессе разработки системы:

-       Android Studio, для разработки мобильного приложения;

-       Мобильное устройство на ОС Android, для тестирования и отладки приложения;

-       Одноплатный компьютер Cubieboard 3 [1];

-       Web-камера Z-Star.

В результате проделанной работы получен полностью работоспособный и отлаженный прототип системы.

1. Анализ поведения водителя за рулём

Бодрое состояние водителя за рулём очень важно для процесса безопасного вождения. В наше время водители проводят довольно много времени в поездках или пробках. В это время следует быть максимально бодрым и сосредоточенным, что бы качественно контролировать ситуацию на дороге и избегать аварийных случаев. К сожалению, в процессе длительной деятельности возникает закономерный процесс временного снижения работоспособности - утомление. На первых стадиях утомления водитель способен усилиями воли вернуть себе прежнюю работоспособность, тем самым даже в состоянии утомления водитель находится в состоянии избежать ошибок, связанных с резко изменившейся ситуацией на дороге. При таких обстоятельствах организм тратит больше энергии на поддержание работоспособности мозга и это способствует прогрессированию утомления.

Выполнение тяжелой, но интересной работы может оказывать меньшее влияние на состояние человека, чем лёгкой, но скучной. При вождении на пустой трассе с однообразными ландшафтами усталость у водителя наступил намного раньше, чем в условиях городского трафика. Утомление для организма является очень важным процессом, так как предупреждает его о нехватке энергии. Если пренебречь усталостью, можно спровоцировать расстройство нервных клеток. Если после длительного отдыха усталость так и не прошла, это свидетельствует о расстройстве нервных клеток.

Работоспособность очень важна для водителя. При её снижении водитель становиться невнимательным и имеет возможность попасть в дорожно-транспортное происшествие.

Самое большое воздействие при утомлении получают клетки головного мозга, затем мышцы и потом нервы. Из-за этого происходит ухудшение восприятия, мышления и внимания. При этом снижается острота зрения, ухудшается координация движений, увеличивается время реакции, теряется чувство скорости и, главное, водитель становится не готов к неожиданным действиям, связанными с резким изменением ситуации на дороге.

Зрительное утомление зависит от продолжительности активного состояния водителя. При напряжении на глаза в течении восьми часов, зрение водителя падает примерно на 20%, т.е. после восьмичасового рабочего дня водитель увидит дорожный знак не за 100 метров до него, а за 80 [2].

Навыки, которые доведены до автоматизма, в состоянии даже глубокой усталости сохраняются, но время реакции при этом замедляется и есть возможность, что водитель не успеет вовремя отреагировать на изменение. Проведённые учёными исследования смогли доказать, что при нахождении за рулём на протяжении 7-12 часов степень попадания в ДТП возрастает в 2 раза. При нахождении за рулём свыше 12 часов - в 9 раз чаще, чем при вождении менее 7 часов.

Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. При разных видах работы наступают разные его виды. При вождении человек подвержен всем трём видам, что делает длительное вождение одним из самых затратных, с точки зрения ресурсов организма, занятием. В некоторых случаях от водителя требуется совершение действий, находящихся на грани психофизических возможностей. Это вызывает переутомление. Физическое утомление связано с малоподвижностью за рулём, что вызывает застой мышц. Водители машинально стараются размять руки находясь за рулём, что может привести к отклонению автомобиля от заданного курса и привести к трудной ситуации на дороге. Для того, чтобы оградить себя и ближних водителей от этого следует каждые 2 часа делать перерыв на 15-20 минут для приведения мышц в состояние тонуса.

Умственное утомление наступает из-за постоянной мозговой активности в результате интенсивного движения, езды на большой скорости и заключается в непрерывной оценке дорожной ситуации. Эта работа ко всему прочему выполняется в условиях ограниченного времени и сильного эмоционального напряжения.

Были выделены несколько видов утомлений: компенсируемое и некомпенсируемое. Компенсируемое утомление является более лёгким, при нём водитель находится в состоянии сосредоточится на дороге. При некомпенсируемом утомлении водитель больше не в состоянии контролировать дорожную ситуацию и действует машинально, что может привести к ошибкам.

Правила дорожного движения регламентируют степень усталости, при которой запрещено управлять транспортным средством, но проблема заключается в том, что очень сложно точно определить степень усталости у человека.

Система, речь о которой пойдёт в этой работе, будет частично предлагать решение проблем с внимательностью водителя. Она возьмёт на себя часть работы по визуальному контролю предупреждающих знаков, что поможет повысить осведомлённость водителя на дороге и даст возможность быть более внимательным. Ещё одной функцией системы станет предупреждение о резком приближении или возможном столкновении с другими участниками дорожного движения. Это поможет избежать ДТП или минимизировать ущерб от него.

2. Обзор и анализ существующих систем

Решая проблему осведомлённости и безопасности водителя за рулём, многие производители представили разработки систем в этой сфере. Автомобили премиум класса имеют в своей комплектации встроенный функционал, но автомобили среднего класса и ниже обходятся без дополнительных функций, и водители могут подвергнуться опасности. Рассмотрим решения, которые предлагают производители в встроенных бортовых компьютерах на серийных автомобилях.

2.1 Бортовые компьютеры

Бортовые компьютеры в автомобилях появились относительно недавно. Сначала они использовались в авиации, но с прогрессом плотно пришли во все электронные устройства. В наше время любая стиральная машина или холодильник оборудованы таким бортовым компьютером и имеют возможность управлять процессом без нашего вмешательства. Раньше автомобили обходились без встроенных компьютерных систем, так как спокойной справлялись с выполнением всех функций. Со временем отрасль автомобилестроения получила хорошее развитие, автомобили стали обладать большим функционалом, которым было очень сложно управлять человеку самостоятельно. Так и пришли бортовые компьютеры в автомобили.

В настоящее время все автомобили оборудованы бортовыми компьютерами, правда обычно их функционал ограничен довольно скудным функционалом, таким как:

-       Контроль расхода топлива;

-       Вывод показания датчиков;

-       Отображение напряжения бортовой сети.

Данных функций уже недостаточно и производители предлагают за дополнительную плату устанавливать более продвинутый бортовой компьютер. Расширенный функционал предлагает уже более совершенный функционал:

-       Система контроля слепых зон;

-       Система контроля давления в шинах;

-       Система самодиагностики всех элементов автомобиля;

-       Система полного привода.

Автомобильный бортовой компьютер даёт много дополнительных возможностей для водителя, но в основном рассчитан на контроль технической части, при этом не уделяя внимания на происходящее вокруг и состояние водителя. Он является отличным способом обойти опасности, связанные с неисправностью в самом автомобиле.

Главным минусом данной системы является отсутствие контроля за антропогенными факторами. Система отлично справляется с техническими неисправностями и отлично защищает водителя с этой стороны, но сам водитель имеет возможность ошибаться, что может привести к нежелательному исходу. С точки зрения исследования, данная система может стать интеграцией для разрабатываемой системы, чем мы можем серьёзно расширить её функционал.

2.2 Система помощи водителю на базе регистратора

В последнее время получила довольно широкое распространение система помощи водителю интегрированная в видеорегистратор Advanced Driver Assistance Systems(ADAS) [3]. Регистраторы стали неотъемлемой частью любого автомобиля. Они получили довольно хорошее развитие в последнее время и расширили свой функционал для помощи водителю на дороге.

ADAS является встроенной в видеорегистратор системой, которая значительно расширяет функционал устройства. Такая система стоит намного меньше, чем встроенная в автомобиль. Главной её целью является пассивно оповестить водителя о ситуации на дороге. ADAS состоит из нескольких подсистем, которые хотелось бы рассмотреть ниже:

-       LDWS (Lane Departure Warning) - данная подсистема оповещает водителя о пересечении сплошной полосы. Это очень полезно, когда водитель находится в состоянии сильной усталости и не в состоянии контролировать равномерное движение автомобиля по проезжей полосе. Сигнал оградит водителя от аварийной ситуации.

-       FCWS (Forward Collision Warning) - система оповещения о столкновении с автомобилем, идущем спереди. Система оповещает водителя, если считает, что есть возможность столкновения. Возможность рассчитывается исходя из скоростей автомобилей и расстояния между ними. Если водитель отвлёкся или не заметил снижения скорости впереди идущего автомобиля, то система поможет избежать столкновения звуковым сигналом, который привлечёт внимание водителя к дорожной ситуации (рис.1).

Рис 1. Система FCWS - оповещение о столкновении с автомобилем, идущим спереди

-       FCMD - система, оповещающая о начале движения впереди стоящего автомобиля. Система пригодиться тем, кто мало сосредоточен стоя в пробках. Она подаст сигнал, если автомобиль спереди начнёт движение вперёд.

-       BSD (Blind Spot Detection) - система, которая ведёт наблюдение за слепыми зонами автомобиля. Если в слепой зоне на определённом расстоянии находиться объект(автомобиль), то система обращает внимание водителя на эту ситуацию (рис.2).

Рис.2. Обнаружение слепых зон

-       LCA (Lane Change Assistance) - обнаруживает препятствия при смене полосы. Очень полезная функция при загруженном потоке на дороге. Водитель не всегда имеет возможность оценить всю дорожную ситуацию, но данная система оценит ситуацию в слепых зонах вместо его.

-       PCW - система распознавания пешеходов (Рис.3). Пешеходные переходы - места, где сталкиваются пешеходы с автомобилями, и любая авария в этом месте несёт максимальную опасность для жизни человека. Система оповещает водителя о возможных переходах, которых сложно заметить.

Рис.3 Распознавание пешеходов

Данная система завязана непосредственно с воздействием на водителя, что значительно увеличивает безопасность на дороге, так как водитель постоянно получает актуальную информацию о движении, при этом дополнительно сам анализирует её. Система распространена в видеорегистраторах таких фирм, как Xiaomi и DEXP. Минусом данных регистраторов с установленной системой является полное отсутствие информации о состоянии автомобиля, чтобы действовать не только на основании видео данных. Информация доноситься до пользователя только звуковыми сигналами и не имеет другой формы оповещения, что может затруднять или просто сливаться с другими звуковыми оповещениями.

Разрабатываемая система по сравнению с аналогами имеет большую вычислительную мощность, более удобное представление информации в виде воздействия на водителя не только звуком, но ещё и визуально, не отвлекая его от процесса вождения. Часть функционала заимствована из аналогичных систем, так как они являются базовыми, без которых система не имеет достаточный смысл.

3. Системная реализация проекта

3.1 Выбор типа устройства для реализации проекта