大型車輛超聲波過彎雷達(dá)

石小平 唐 剛

（上海海事大學(xué)，中國 上海 201306）

0 前言

過彎雷達(dá)[1]是提醒駕駛員在轉(zhuǎn)彎時道路交通環(huán)境中存在的安全隱患，以便提前做好準(zhǔn)備，避免交通事故發(fā)生。大型車輛在過彎時由于其前后輪所運行軌跡不一致，會產(chǎn)生一個很大的內(nèi)輪差[2]，甚至可達(dá)到2米，極易形成大型車輛司機的“視覺盲區(qū)”，發(fā)生交通事故的可能性也越大。

然而，現(xiàn)在汽車的價格也越來越低，這就限制了汽車過彎雷達(dá)不能有太高的制造單價，這就要求汽車過彎雷達(dá)必須具有價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，操作方便等優(yōu)勢。因此對汽車過彎雷達(dá)的信號源要求就特別嚴(yán)格。在對比紅外、激光、超聲和電渦流等測距方式[3]后，發(fā)現(xiàn)超聲波測距具有傳播時間容易檢測，發(fā)射強度易控制，易于定向發(fā)射，且不受電磁干擾等優(yōu)勢。因此超聲波測距[4]作為汽車過彎雷達(dá)的測距信號最為理想。

1 測距系統(tǒng)設(shè)計

超聲波測距的原理是渡越時間法：即S=VT/2，其中V是超聲波在該環(huán)境下的傳播速度（V=331.4m/s，t為攝氏溫度值），T 是發(fā)送到接受所需時間，S即為測量距離。

系統(tǒng)工作原理是，首先單片機STC89C51RD通過程序控制發(fā)射出40Khz（傳播效率最好）的方波信號，經(jīng)超聲波發(fā)射電路放大后通發(fā)射探頭發(fā)出超聲波。超聲波經(jīng)障礙物阻攔后反射回來，再被接收探頭接收。然后在接收模塊中經(jīng)放大、濾波處理后形成一個電信號傳送于單片機，讀出發(fā)送到接受之間的時差T，再由系統(tǒng)計算距離S，最后將S送至LED顯示輸出。圖1為超聲波測距系統(tǒng)的構(gòu)成。

圖1 超聲波測距原理

2 轉(zhuǎn)彎報警值的分析計算

2.1 大型車轉(zhuǎn)彎路徑分析

如圖2是大貨車的轉(zhuǎn)彎路線。沒有輪差的轉(zhuǎn)彎應(yīng)當(dāng)是前后輪轉(zhuǎn)彎半徑是一致的，但大型車在轉(zhuǎn)彎時會有一個很大的內(nèi)輪差，內(nèi)輪差即車輛轉(zhuǎn)彎時的前內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑與后內(nèi)輪的轉(zhuǎn)彎半徑之差。圖2中所標(biāo)示的前內(nèi)輪與后內(nèi)輪的行進(jìn)路線形成的區(qū)域為最危險區(qū)域。所以先要對這段距離做計算。車輛在行駛過程中，對周圍物體的碰撞情況可以分成兩類：一類，是車輛撞上了靜止的物體；另一類，則是撞上移動中的物體。對于靜止的物體，當(dāng)其距離車過近已近進(jìn)入車輛轉(zhuǎn)彎時的內(nèi)輪差區(qū)域，若駕駛員不采取措施則一定會撞上物體。圖2中a段的左邊區(qū)域表示的是大型車將會撞到的靜止物體的部分。超出a段后，在a和b線段所夾的區(qū)域內(nèi)，有物體以一定的速度向前方行駛時，當(dāng)其比車輛早到達(dá)危險區(qū)域，則也會發(fā)生碰撞事故，因此也應(yīng)當(dāng)將這段距離視為危險區(qū)域。所以現(xiàn)在就要對靜止物體的危險距離a和移動物體的危險距離b做計算，a與b之和就是預(yù)警距離。

圖2 大型車轉(zhuǎn)彎路徑圖

2.2 車輛報警值計算

1）靜止物體安全距離的計算

物體不進(jìn)入行駛車輛的內(nèi)輪差范圍內(nèi)，則不會產(chǎn)生碰撞事故。如圖3靜止物體安全距離計算圖即是等效轉(zhuǎn)彎路徑分析，在此將大型車輛轉(zhuǎn)彎時其前輪轉(zhuǎn)彎角度設(shè)置為固定值θ，由圖可知，車輛在轉(zhuǎn)彎時其前內(nèi)輪半徑R與后內(nèi)輪半徑r之間所夾的區(qū)域即是靜止物體危險區(qū)域。靜止物體必須遠(yuǎn)離行駛車輛S才能避免碰撞上。

圖3 靜止物體安全距離計算圖

如公式1，其中L為車輛前后軸距，θ為車輛前輪的轉(zhuǎn)彎角度（一般車輛轉(zhuǎn)彎角度范圍為0≤θ≤40°）。由公式1可知化簡為則可知當(dāng)θ=40°時，S取得最大值。

2）運動物體安全距離的計算

圖4是移動物體安全距離的等效計算圖，圖中A點為汽車位置，B點為距離汽車S的移動物體的起始位置，當(dāng)時間保持一致時，若移動物體相比汽車后到達(dá)C點，那么距離S為安全距離。為簡化計算模型，將汽車前輪轉(zhuǎn)向角度設(shè)置為定值。由此可以知道汽車轉(zhuǎn)彎半徑，其計算公式如公式2所示。

圖4 移動物體安全距離計算圖

L——大型車輛的前后軸距

d——車輛寬度

w——車道寬度

r——汽車的轉(zhuǎn)彎半徑

車輛和移動物體起始位置分別在線段AB兩端，由圖中可知只要在C點大車車尾較移動物體先通過，則不會發(fā)生事。故在該問題中，對于移動物體來說有h>v2t，如公式3所示；對車輛來說有故rsin，如公式4所示。

s——移動物體遠(yuǎn)離汽車的安全距離

v1——汽車行駛速度

v2——移動物體的移動速度

t——行駛時間

移動物體的安全距離計算時，車輛的參數(shù)選擇為，軸距L=6米長，d=2米寬大型貨車作為目標(biāo)車輛，道路寬度選擇國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)w=3.5米寬，大型車速度選擇為v1=20m/s，移動物體的速度選擇為v2=5m/s。移動物體的速度選擇速度較快的電瓶車的例（速度越快其發(fā)生事故可能性高，作為事故評價依據(jù)更可靠）。采用上述方法可求得靜止物體的安全距離S=2.16米。移動物體的安全距離S=2.16+1.95可知軸距為6米的卡車和運動物體的報警距離為4.1米。為了確保安全，允許該值有一個小的溢出，因此可將此值設(shè)置為報警距離。

3）仿真研究

首先設(shè)置系統(tǒng)報警值，這里為方便操作，將預(yù)警值設(shè)定為4m，因此當(dāng)進(jìn)入4m范圍內(nèi)的障礙物應(yīng)當(dāng)報警。實驗中利用簡易的障礙物，分別將其與移動物體的距離設(shè)定如表1，利用超聲波測距模塊模擬車輛運行環(huán)境，驗證其是否能正常測距和報警，并在報警重置后能否重啟工作。試驗結(jié)果如表1。

表1 試驗中系統(tǒng)狀態(tài)

如上試驗可知，當(dāng)物體在安全區(qū)域外移動時，警報沒有響起，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)移動物體進(jìn)入危險區(qū)域后，系統(tǒng)發(fā)出警報，直至報警手動解除后系統(tǒng)正常運行；當(dāng)有物體再次進(jìn)入預(yù)警范圍后，系統(tǒng)再次報警。試驗達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

［1］Michael Sivak,Paull.olson,and Kenneth M.Farmer.Radar-measured reaction times of unalerted drivers to brake signals[J].Perceptual and Motor Skills,1982,Volume 55,pages 594-594.

［2］Guan Xin，Wang Jing WU，Gao Zhen hai.Vehicle adaptive cruise control system based on optimal preview acceleration decision making[J].Jounral of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2004，34(2)：189-193.

［3］李曉霞，李百川，侯德藻，等.汽車追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)研究[J].中國公路學(xué)報，2001，14(3)：93-95.

［4］鮑吉龍，應(yīng)延治，趙洪霞，等.基于DSP技術(shù)的汽車防撞雷達(dá)[J].微計算機信息，2006，22(2)：188-190.