實現後車廂自動開啟的兩個系統

三、封面格式(詳附件 3 封面格式)

國立聯合大學電機資訊學院

2018 年全國金腦獎專題競賽

計畫書

專題競賽題目：

實現後車廂自動開啟的兩個系統

報名編號：

8

指導教授：

顏瑞成

就讀系所：電子工程學系

參賽隊員：

__李宇軒__________（隊長）

__梁凱強__________

__李柏佑__________

__郭顓維__________

_________ ____

中

華

民

國

1 0 7 年

3 月

2 4 日

附件 3：封面

中文摘要

無人自動車時代即將來臨，本專題「實現後車廂自動開啟的兩個系統」將完成 「後車廂自動開啟系統」雛型的設計與實車安裝，使用視訊處理及 Arduino 的技術， 以腳對後車廂尾門做感應開啟的動作，當手不方便開啟或做解鎖的動作時提高開啟 尾門的便利性。 在視訊後車廂自動開啟系統中，我們透過 CMOS sensor 擷取車輛後方畫面，以 閥值分割、鄰域處理及形態學找出可能為腳的物件，如果完成感應動作步驟且在限制 時間(一秒)內，感測區塊變綠色提醒感測人員尾門即將開啟。

在 Arduino 後車廂自動開啟系統中，使用 Arduino 搭配 APP Inverter 開發的功

能開啟控制軟體介面的技術，當使用者在手不方便開啟或做解鎖的動作時，以腳對後

車廂尾門做感應開啟的動作，便可便利且安全地開啟後車廂。

系統中我們使用Arduino UNO R3 電路板搭配元件 GP2Y0A02YK0F 紅外線距離

感測器、HC-SR04 超音波感測器、DHT11 溫濕度感測器、HC-05 藍芽模組、蜂鳴器、 LCD1602+I2C 及發光二極體，如果完成感應動作步驟且在限制時間(一秒)內，藍色 LED 亮起且蜂鳴器發出聲音提醒感測人員尾門即將開啟。 本專題的設計可以方便、安全、正確地偵測使用者所下達的開啟後車廂指令，達 到自動開啟後車廂的目的；本專題具有強健性，能有效降低系統消耗的功率，而且簡 單便宜，非常適合廣泛的安裝到一般的車輛上。 除了模擬實現兩種不同系統，在報告最後也分別探討兩種系統的優劣並比較之， 更列出幾項我們的未來研究期許，希望能更進一步完成本專題。

目錄

中文摘要 ... I 目錄 ... II 第一章 研究背景、動機與目的 ...1 1.1 研究背景、動機與目的 ...1 第二章 視訊後車廂自動開啟系統 ...2 2.1 視訊後車廂自動開啟系統 ...2 2.1.1 系統架構 ...2 2.1.2 視訊後車廂自動開啟演算法 ...2 2.2 視訊演算法模擬結果視訊展示 ...3 第三章 Arduino 後車廂自動開啟系統 ...4 3.1 Arduino 後車廂自動開啟系統 ...4 3.1.1 系統架構 ...4 3.1.2 Arduino 後車廂自動開啟演算法 ...5 3.2 Arduino 後車廂自動開啟演算法硬體實現……….………...5 3.2.1 硬體實現環境………...5 3.2.2 Arduino 演算法流程實現結果展示………..………...6 3.2.3 Arduino 演算法實現結果視訊展示………...7 3.2.4 應用改良- Arduino 後車廂自動開啟關閉系統……….………….. 8 第四章 結論與未來展望 ...9 4.1 視訊後車廂自動開啟系統優勢特點與缺點……….9 4.1.1 優勢特點……….…9 4.1.2 缺點……….9 4.2 Arduino 後車廂自動開啟系統優勢特點與缺點……..……….9 4.2.1 優勢特點……….…9 4.2.2 缺點……….9 參考文獻 ...10

第一章 研究背景、動機與目的

1.1 研究背景、動機與目的

根據網路調查，民眾購車時除了價格是考量，安全性及便利性也是重要的因素。 隨著科技的日新月異，任何事都能跟科技扯上關係，近年來車用電子的議題已成為車 輛發展的重要指標。隨著科技日新月異，越來越多車用電子產品相繼問世，利用電子、 通訊、控制及感測等相關技術結合成一套系統。 近年來，“AUTO” 這個詞可在各式各樣的車看到，無論是車窗按鈕冷氣開關或 是車門解鎖皆使用這個所謂的「自動」。除此之外，BMW 及福特等高級汽車甚至發展 出免鑰匙系統結合尾門感應式啟閉功能，車主完全不需動手即可打開尾門，並且除了 用腳做動作之外，還要有匹配的授權車鑰匙在感應距離內。雖然該技術由於市場及廠 商等問題沒有普及，但著實令我們留下深刻的印象。 本專題指出當駕駛雙手搬運物體或因任何情況無法動手解鎖或親自開啟後車廂 尾門時，希望能在「不須使用手」的情況下，使後車箱順利開啟，並且正確感測動作 有時間及動作順序上的限制，不了解整個動作流程的他人不輕易破解。再者，希望增 加透過行動裝置控管自動開啟尾門功能能否開啟，在感測人員知道接下來需要這個 功能時再事先開啟功能就好，除了降低被他人破解的危險性，更能有效降低系統消耗 的功率。

第二章 視訊後車廂自動開啟系統

2.1 視訊後車廂自動開啟系統

2.1.1 系統架構

為了確保開啟後車廂尾門動作能不易被他人破解，本系統提出動作順序及動作 完成時間限制。在正確流程及時間做完動作時對駕駛提出開啟尾門提醒。 本系統利用 CMOS 感測器攝取車尾後方畫面，攝取畫面後進行演算法分析，從攝 取畫面切割出感測區域，之後找出進入感測區的物件接著進行動作判斷，若是完成 動作流程且在限制時間內，則發出開啟後車廂控制訊號。系統示意圖如圖 2-1 示。

2.1.2 視訊

後車廂自動開啟演算法

視訊後車廂自動開啟演算法主流程圖如圖 2-1(b)所示。 圖 2-1 (a)系統示意圖，(b)視訊後車廂自動開啟演算法主流程圖

2.2 視訊演算法模擬結果視訊展示

以下將以兩段錄製的測試視訊來展示所提演算法的正確性，一一對每個畫面進 行模擬，然後將錄製的 MP4 串流視訊檔上傳到 YouTube 來展示實際成效。日間與夜 間視訊後車廂自動開啟展示視訊如圖 2-2 的超連結 [1] 與圖 2-3 的超連結 [2]所示。 圖2-2 日間視訊後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 [1] 圖2-3 夜間視訊後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 [2] 因「視訊後車廂開啟系統」在夜間效能不是很好，必須考量明亮度的問題，再加 上有著安全距離的疑慮，如上述提到。因此我們決定嘗試了另一系統「Arduino 後車 廂自動開啟系統」，將在下一章介紹說明。

第三章 Arduino 後車廂自動開啟系統

3.1 Arduino 後車廂自動開啟系統

3.1.1 系統架構

為了讓使用者在手持物品的情況下，能夠輕鬆開啟後車廂，本系統將進行雛型 設計與實車安裝，系統示意圖如圖 3-1。所示。本系統利用 Arduino UNO R3 及透過 APP Inverter 開發的功能開啟控制軟體介面進行使用者動作的感測與判斷，手機控制 介面如圖 3-2 所示。 系統的概念如下:利用裝置在車後保險桿上且方向朝後的紅外線感測器，監測使 用者是否已經靠近；然後利用裝置在車底靠近保險桿處且方向朝下的超音波感測器， 監測使用者是否將腳伸入車底下達開啟後車廂的指令；然後在一秒內腳離開後，以紅 外線感測器感測使用者是否已經後退到安全距離，而且持續達設定的限制時間時，再 開啟後車廂以確保安全。 各步驟完成時蜂鳴器均發出短提醒，若是完成所有動作流程且在限制時間內，則 亮起藍色 LED 表示開啟，若是使用者沒有退到安全距離，則亮起黃色 LED來提醒感 測人員離開到安全距離外，以便安全開啟後車廂。 圖 3-1 系統示意圖 圖 3-2 手機控制介面圖

3.1.2 Arduino

後車廂自動開啟演算法

Arduino後車廂自動開啟演算法主流程圖如圖3-3:

圖3-3 Arduino後車廂自動開啟演算法主流程圖

3.2 Arduino 後車廂自動開啟演算法硬體實現

3.2.1 硬體實現環境

為了驗證所提出的後車廂自動開啟系統， 我們使用 Arduino IDE 軟體+APP

Inverter 編寫程式搭配硬體連接，進行以 Arduino 硬體實現搭配手機藍芽控制開關之

圖3-4 Arduino 電路接線圖

3.2.2 Arduino 演算法流程實現結果展示

將此系統安裝到車上進行實車測試，記錄某次測試過程中紅外線感測器感測的 距離、左側超音波感測的距離以及右側超音波感測的距離，分別以綠色、藍色以及黃 色曲線劃出，結果如圖 3-5 所示。 系統參數設定值如下: BODY_DISTANCE = 35、DANGEROUS_DISTANCE = 50、 FOOT_DISTANCE = 4。由綠色紅外線感測距離曲線顯示，測試者在第 12 秒時，出現 在危險距離之外的 63 公分處，第 14.25 秒時距離車子 34 公分，開始小於設定的

BODY_DISTANCE，滿足 STEP1 的條件，進入 STEP2。第 14.75 秒時，黃色曲線顯示

右側超音波感測距離為 21 公分，開始小於設定的(28 FOOT_DISTANCE)，滿足 STEP2 的條件，進入STEP3。第 15.25 秒時，黃色曲線顯示右側超音波感測的距離為 27 公 分，距離又開始大於等於(28 FOOT_DISTANCE)，滿足 STEP3 的條件。到了第 17.25 秒時，由綠色曲線顯示，紅外線感測器感測的距離為 54 公分，表示測試者已經退出 危險距離，滿足STEP4 的條件，在維持時間超過 Count/4 秒後，到了第 18.25 秒時， 系統會顯示 “Safety，open!” 蜂鳴器發出開啟提醒並點亮藍色 LED。由此實車測試結

圖3-5 右腳做感測動作時 Arduino 感測元件取樣圖

3.2.3 Arduino 演算法實現結果視訊展示

最後以三個測試者測試此實車安裝的後車廂自動開啟系統，同時錄製測試過程 的視訊，然後將錄製的 MP4 串流視訊檔上傳到 YouTube 來展示實際成效。日間與夜 間 Arduino 後車廂自動開啟系統展示視訊如圖 3-6 的超連結 [3] 與圖 3-7 的超連結 [4]所示。 在測試者穿著不同褲子與鞋子的情況下，我們的系統都能夠成功地偵測測試者 的動作，正確地發出開啟後車廂的控制訊號。 圖3-6 日間 Arduino後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 [3]

圖3-7 夜間 Arduino後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 [4]

3.2.4 應用改良- Arduino 後車廂自動開啟關閉系統

考慮到有時候需要從車廂內拿出，此時需要自動關閉後車廂。在演算法中增加 Flag 紀錄尾門狀態為開啟或關閉，運用同樣的感測動作使系統做出對應的啟閉反應。 圖3-8 日間 Arduino後車廂自動開啟關閉系統實車測試展示視訊 [5] 圖3-9 夜間 Arduino後車廂自動開啟關閉系統實車測試展示視訊 [6]

第四章 結論

4.1 視訊後車廂自動開啟系統優勢特點與缺點:

4.1.1. 優勢特點

(1) 在視訊系統中天色明亮時動作判定適用不同顏色鞋子，且再天色暗時若鞋子顏 色不過深也能辨別出。 (2) 可以大致精準的判斷動作對錯。 (3) 可排除其他物體進入感測區被感應正確造成誤判的問題。 (4) 不容易被不了解流程及時間限制的他人破解而造成危險，提高了安全性。

4.1.2 缺點

(1) 天色暗時若是鞋子顏色很深不容易辨別出，此時需要考慮打光的問題。但在車 子尾門打光不易，因而容易造成演算法失效。 (2) 若是從 CMOS sensor 取像時沒有自己量測好安全距離來取像，尾門開啟的安全 性會有疑慮，演算法無法控管感測人員是否離開到安全距離外。

4.2 Arduino 後車廂自動開啟系統優勢特點與缺點:

4.2.1.優勢特點

(1) 在 Arduino 系統中，不受天色狀況影響且適用不同顏色鞋子，能辨別出感測動 作正確與否。 (2) 可以大致精準的判斷動作對錯並確保感測人員離開到安全距離外。 (3) 可排除其他物體進入感測區被感應正確造成誤判的問題。 (4) 不容易被不了解流程及時間限制的他人破解而造成危險，且在 Arduino 系統中 還能透過手機控制功能開關，更提高了安全性。

4.2.2 缺點

Arduino UNO R3 支援 5~12V 輸入，若是電源電壓供電不足，常容易導致無法負 荷多個元件，且單純使用杜邦線及麵包板連接板子及元件時會有接觸不良的問題。 因視訊系統存在天候及安全性問題，因此我們嘗試 Arduino 系統發現大多視訊 無法達到的要求 Arduino 系統都達到了，並且也具備視訊系統的優點，只要供電足 夠並透過焊接板子及元件改善接觸不良，Arduino 系統擁有較好的成果表現。

參考文獻

[1] 日間視訊後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 https://youtu.be/JOTo9Evn_Fw [2] 夜間視訊後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 https://youtu.be/ET1c8Nk7CTw [3] 日間 Arduino後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 https://youtu.be/yX4eEAOCsdM [4] 夜間 Arduino後車廂自動開啟系統實車測試展示視訊 https://youtu.be/p7crx1ORLQE [5] 日間 Arduino後車廂自動開啟關閉系統實車測試展示視訊 https://youtu.be/ZZgE2_Ejj1c [6] 夜間 Arduino後車廂自動開啟關閉系統實車測試展示視訊 https://youtu.be/PLjiYFqe8gU