大型車輛內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域雙向示警系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

*本項(xiàng)目獲得“2020全國大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽·創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目組”遼寧省一等獎(jiǎng)、東北賽區(qū)二等獎(jiǎng)、國家級三等獎(jiǎng)。

指導(dǎo)教師：汪語哲、謝春利。

作者簡介：張皓天(1998— )，碩士生，主要研究方向：先進(jìn)控制和人工智能。

摘 要：大型車輛由于自身車長，軸距長等特點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎過程中前輪與后輪軌跡不重合，形成“內(nèi)輪差”區(qū)域。大型車輛發(fā)生的惡性交通事故中，由于“內(nèi)輪差”引發(fā)的事故占70%以上。針對大型車輛轉(zhuǎn)彎視覺盲區(qū)“內(nèi)輪差”問題，本設(shè)計(jì)提出一套大型車輛內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域雙向示警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)模擬真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過程。主控模塊采用STM32進(jìn)行控制，通過連接電路、實(shí)驗(yàn)調(diào)試后，該系統(tǒng)可以模擬真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過程，并計(jì)算“內(nèi)輪差”危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行相關(guān)雙向聲光示警，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對有效減少大型車輛“內(nèi)輪差”事故的發(fā)生提供解決方案。

圖1 內(nèi)輪差區(qū)域示意圖

1   系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 內(nèi)輪差區(qū)域計(jì)算方法

建立車輛內(nèi)輪差模型首先需要明確內(nèi)輪差定義，內(nèi)輪差是車輛轉(zhuǎn)向過程中，前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑減去后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑的差值^[5]，而內(nèi)輪差區(qū)域則是兩輪轉(zhuǎn)向過程中前內(nèi)輪與后內(nèi)輪不重合所形成的區(qū)域。內(nèi)輪差的大小主要與以下三個(gè)因素有關(guān)。

●   車長：即整車的軸距，前軸與后軸的距離。

●   車寬：即前軸或后軸的軸間距。

●   轉(zhuǎn)彎半徑：由車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所形成的前輪后輪不同的轉(zhuǎn)彎半徑。

給出計(jì)算車輛內(nèi)輪差系統(tǒng)簡化模型，并標(biāo)明所需參數(shù)。l 為車長、前輪與后輪的軸距， d 為車身寬度，前軸軸間距，OC、OE、OB、OF分別為四個(gè)輪的轉(zhuǎn)彎半徑。未說明參數(shù)后續(xù)計(jì)算中會另作說明。汽車轉(zhuǎn)向模型圖如圖2 所示。

圖2 汽車轉(zhuǎn)向模型圖

內(nèi)輪差計(jì)算推導(dǎo)步驟如下：

1)根據(jù)內(nèi)輪差的定義，內(nèi)輪差m = OD ?OC，所以需要OD 和OC 的數(shù)據(jù)。

2)△ OCD 是直角三角形， 根據(jù)勾股定理，OD2 = OC2+CD2，CD 就是汽車軸距l(xiāng)，所以需要OC的數(shù)據(jù)。

3) 從圖中分析，OC = OB ? BC，BC就是汽車后輪距d ，所以需要OB 的數(shù)據(jù)。

4) △ OAB 是直角三角形，根據(jù)勾股定理，OB2 = OA2 ? AB2，所以需要OA和AB的數(shù)據(jù)。

5) OA就是汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑r，而AB = CD，也就是汽車軸距l(xiāng) ，所以最大內(nèi)輪差m可以計(jì)算得到。根據(jù)前面分析進(jìn)行推導(dǎo)，過程如下：內(nèi)輪差m 計(jì)算如式(1) 所示。

前輪轉(zhuǎn)彎半徑OD 由勾股定理推導(dǎo)得出，如式(2)所示。

同理，計(jì)算得到OC，則內(nèi)輪差m 求解模型如式(3)所示。

由公式可以看出，內(nèi)輪差大小與車長（軸距）、車寬（同軸間距）、轉(zhuǎn)彎半徑（轉(zhuǎn)向角）有關(guān)，三個(gè)因素均與內(nèi)輪差的大小成正相關(guān)。

計(jì)算圓弧面積即可得出內(nèi)輪差區(qū)域面積。

1.2 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)包括STM32 單片機(jī)主控模塊、角度信息反饋模塊、超聲波測距模塊、聲光報(bào)警模塊以及輔助演示模塊。聲光報(bào)警模塊又分為蜂鳴器模塊和激光投射模塊，輔助演示模塊為紅外循跡模塊。整個(gè)系統(tǒng)模擬了真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)輪差區(qū)的檢測與報(bào)警。在車輛轉(zhuǎn)向過程中，角度信息反饋模塊檢測車輛轉(zhuǎn)彎信息，主控模塊經(jīng)計(jì)算后控制舵機(jī)精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報(bào)警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進(jìn)行相關(guān)示警?？傮w的設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)方案圖

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)主要由STM32 主控模塊、超聲波測距模塊、示警模塊和輔助演示模塊構(gòu)成。

2.1 STM32主控模塊

相對于大學(xué)階段接觸較多的51 系列芯片，STM32系列芯片引腳更多，功能更全面，也更便于開發(fā)，本次設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6 作為主控芯片，外部連接聲光報(bào)警模塊、超聲波測控模塊，并配置紅外循跡模塊。其引腳圖如4 所示。

圖4 STM32F103RCT6引腳圖

主控模塊控制外部連接聲光報(bào)警模塊、超聲波測控模塊，并配置紅外循跡模塊。

2.2 超聲波測距模塊

超聲波測距傳感器采用HC-RS04^[6]。內(nèi)部電路圖如圖5所示。

圖5 超聲波內(nèi)部電路圖圖

超聲波有四個(gè)引腳，分別為供電電壓為5 V 的VCC電源引腳，GND 接地線，TR 觸發(fā)控制信號輸入，EC回響信號輸出，其引腳電路圖如圖6 所示。

圖6 超聲波引腳電路圖

超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)測量距離作用的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)判斷距離內(nèi)是否有障礙物功能^[7]。本設(shè)計(jì)中超聲波測距傳感器主要檢測內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)是否有障礙物存在，若存在障礙物則將信息傳遞給主控模塊，進(jìn)行下一步聲光報(bào)警系統(tǒng)。

2.3 示警模塊

示警模塊包括兩部分：聲音報(bào)警模塊與激光投射模塊，合稱聲光報(bào)警模塊。

2.3.1 聲音示警模塊

聲音示警模塊采用簡單蜂鳴器即可，此系統(tǒng)中其工作原理為主控芯片接收到超聲波測距反饋信息，若判斷有障礙物存在，則啟動蜂鳴器驅(qū)動電路，進(jìn)行聲音示警功能。其電路圖如圖7 所示。

圖7 蜂鳴器電路圖

2.3.2 激光投射模塊

經(jīng)過選型比較，激光投射模塊選擇RUILIPU（瑞利普）激光霧燈，由主控模塊進(jìn)行控制，根據(jù)計(jì)算結(jié)果投射內(nèi)輪差區(qū)域。激光投射模塊實(shí)物效果圖如圖8 所示。

圖8 激光投射模塊實(shí)物效果圖

2.4 輔助展示模塊

輔助展示模塊為紅外循跡模塊，作用為更好實(shí)現(xiàn)控制車輛轉(zhuǎn)向角度。

為有效控制車輛轉(zhuǎn)向角度，方便直觀體現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向過程中的內(nèi)輪差區(qū)域，也為配合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為模型小車設(shè)計(jì)了紅外循跡模塊功能。

紅外傳感器選擇兩個(gè)ST188，其采用高發(fā)射率紅外光電二極管和高靈敏的光電晶體管組成。

其電路圖如圖9 所示。

圖9 循跡模塊電路圖

3   系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)

主程序程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的整體軟件思路設(shè)計(jì)，上電系統(tǒng)初始化，小車正常循跡，檢測車輛是否轉(zhuǎn)彎，檢測到轉(zhuǎn)彎則開始計(jì)算內(nèi)輪差區(qū)域，將計(jì)算結(jié)果反饋給主控模塊，主控模塊向超聲波模塊發(fā)送指令檢測內(nèi)輪差內(nèi)是否有障礙物，有障礙物則進(jìn)行聲光示警。沒有則小車正常循跡，直至有轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)。主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10 所示。

圖10 主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖

4   系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

本次硬件調(diào)試主要先對先各個(gè)部分分別進(jìn)行功能調(diào)試，然后對整體進(jìn)行調(diào)試。對內(nèi)輪差區(qū)域有無物體分別進(jìn)行調(diào)試、對循跡模塊進(jìn)行調(diào)試。循跡功能模塊如圖11所示。

內(nèi)輪差有無物體調(diào)試圖如圖12 所示。

圖11 循跡功能調(diào)試圖

圖12 內(nèi)輪差區(qū)域有無物體調(diào)試圖

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要是對各個(gè)程序之間連接問題以及計(jì)算處理問題進(jìn)行調(diào)試。將程序下載到微控制器里，配合硬件調(diào)試一同進(jìn)行。結(jié)果顯示軟件程序部分沒有問題。

5   結(jié)語

大型車輛交通事故頻頻發(fā)生，而由于內(nèi)輪差造成的交通事故又占多數(shù)，針對大型車輛轉(zhuǎn)彎視覺盲區(qū)“內(nèi)輪差”問題，設(shè)計(jì)一套大型車輛內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域雙向示警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出能夠模擬大型車輛轉(zhuǎn)彎的模型實(shí)物，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)輪差區(qū)域的檢測與示警。在車輛轉(zhuǎn)向過程中，角度信息測量模塊檢測車輛轉(zhuǎn)彎信息，主控模塊采用STM32 進(jìn)行控制，經(jīng)計(jì)算后控制投射裝置精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報(bào)警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進(jìn)行司機(jī)與行人雙向示警。

通過方案設(shè)計(jì)、器件選型、硬件與軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試，最終完成制作，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，能夠針對車輛內(nèi)輪差區(qū)域進(jìn)行相關(guān)示警操作。檢測到內(nèi)輪差區(qū)域有障礙物時(shí)，聲光同提示示司機(jī)與行人，為真實(shí)大型車輛減少內(nèi)輪差事故提供解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周磊,胡沁如,龔書晨,等.基于汽車內(nèi)輪差的警示裝置設(shè)計(jì)研究

[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2018,30(05):429-434.

[2] 楊曉寒,暴連勝,顧思思.高速公路車路協(xié)同自動駕駛條件及技術(shù)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2019,15(02):262-266.

[3] 黃鑫.讓自動駕駛汽車輕裝“上路”[J].安全與健康,2018(06):41-43.

[4] 劉啟明.基于車輛碰撞事故反求的腦損傷評價(jià)研究[D].長沙:湖南大學(xué),2018.

[5] 劉樹峰.多路況下汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[D].泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[6] 章小兵,宋愛國,唐鴻儒.基于單接收頭的超聲波多目標(biāo)測距[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2007(05):1167-1170.

[7] 奠石鎂.超聲波測距在汽車倒車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)(學(xué)術(shù)交流),2007(04):1083-1085.

[8] Steering Solutions Ip Holding Corporation; Patent Issued for Automotive Driver Health Monitoring And Response System(USPTO 10,561,357)[J]. Journal of Transportation,2020.

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第2期，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）