高速公路二次事故預(yù)防的車載警示系統(tǒng)

解文博 張 萌 劉丹妹

山東交通學(xué)院，山東濟(jì)南 250300

近十幾年來，高速公路發(fā)展迅速，高速交通事故頻發(fā)，由此引發(fā)的“二次事故”的數(shù)量也隨之增長(zhǎng)，高速公路二次事故的預(yù)防成為高速安全的重要問題之一。長(zhǎng)期以來，三角警示牌在低等級(jí)公路交通中確實(shí)發(fā)揮了不可忽視的重要作用，它的功勞，不可磨滅。但是，在如今實(shí)現(xiàn)跨世紀(jì)發(fā)展的高速公路交通時(shí)代，依然沿用傳統(tǒng)的落后警示標(biāo)識(shí)，無疑給管理工作和人民生命財(cái)產(chǎn)安全罩上了一層陰影[1]。因此，不斷有學(xué)者提出新的警示設(shè)備：李斌提出的智能車載電子三角警示器[2]，劉克旺提出的基于紅外線技術(shù)的汽車警示系統(tǒng)[3]，孫根提出的交通事故警示裝置[4]。這些設(shè)備較于傳統(tǒng)警示牌具有較大進(jìn)步，但在造價(jià)、精度等方面存在一些缺陷。基于以上分析，本論文提出一種全新的預(yù)防二次事故車載警示系統(tǒng)，減免二次事故的發(fā)生。

1 車載警示系統(tǒng)的組成

車載警示系統(tǒng)由碰撞檢測(cè)模塊和車載警示設(shè)備組成，可安裝于正駕駛椅背正上方的車頂。

碰撞檢測(cè)模塊的組成框圖如圖1所示，由以下幾部分組成：信息采集模塊、信息處理模塊、信息存儲(chǔ)模塊和預(yù)警信息發(fā)送模塊。車載警示設(shè)備的組成框圖如圖2所示，主要由預(yù)警信息接收模塊、陀螺平衡調(diào)節(jié)模塊、手動(dòng)按鍵和警示燈模塊組成。

圖1 碰撞檢測(cè)模塊的組成框圖

圖2 車載警示設(shè)備組成框圖

信息采集模塊主要由三軸加速度傳感器構(gòu)成，實(shí)時(shí)采集車輛x、y方向上的加速度信號(hào)；信息處理模塊主要是微處理器，根據(jù)三向加速度合成算法判斷碰撞事故是否發(fā)生；信息存儲(chǔ)模塊主要是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)記錄碰撞過程中的加速度信號(hào)并計(jì)算出碰撞時(shí)的速度變化量，用于算法的優(yōu)化；預(yù)警信息發(fā)送模塊用于給車載警示設(shè)備發(fā)送信息。

預(yù)警信息接收模塊用于接收碰撞檢測(cè)模塊發(fā)送的預(yù)警信息；陀螺平衡調(diào)節(jié)模塊主要由ENC03陀螺儀[5]構(gòu)成，將3片ENC03固定于脈沖警示燈設(shè)備的側(cè)面。ENC03陀螺儀是一種應(yīng)用科氏力原理的角速度傳感器，陀螺儀設(shè)計(jì)中采用3片ENC03模塊分別對(duì)警示燈上的x、y、z三個(gè)垂直方向上的角度偏差來進(jìn)行角速度測(cè)量，然后通過單片機(jī)的處理用于調(diào)節(jié)警示設(shè)備的角度，即使車輛發(fā)生側(cè)翻也可令脈警示燈的光沿著與水平方向60°夾角的方向斜上射出；按鍵是將指令信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，手動(dòng)控制預(yù)警設(shè)備的開關(guān)。

警示燈模塊通過電子電路將脈沖氙燈[6]觸發(fā)點(diǎn)燃，氙燈的特點(diǎn)在于亮度非常高，且觸發(fā)時(shí)間短，由于電路點(diǎn)燃的氙燈可以迅速發(fā)出強(qiáng)烈可見光，其光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過車輛上現(xiàn)有的警示燈及霧燈發(fā)出光強(qiáng)，從而大大提高了警示距離。在人眼最小反應(yīng)時(shí)間為 0.2s的情況下，脈沖氙燈的閃光持續(xù)時(shí)間為0.001s，通過調(diào)整其發(fā)光頻率及燈光角度，脈沖燈對(duì)其他車主的駕駛影響將遠(yuǎn)小于兩車交匯時(shí)遠(yuǎn)光燈對(duì)雙方司機(jī)產(chǎn)生的干擾。

電源模塊通過車上直流電源為車載警示系統(tǒng)供電，如車載點(diǎn)煙器等，同時(shí)電源模塊內(nèi)有備用的鋰電池，一旦車上直流電源斷電，即可啟用電源模塊內(nèi)備用的鋰電池繼續(xù)為警示系統(tǒng)供電。

2 車載警示系統(tǒng)的工作原理

2.1 硬件工作原理

車輛一旦啟動(dòng)成功，車載電源供電，系統(tǒng)各模塊初始化，檢測(cè)駕駛員是否主動(dòng)按下開關(guān)按鍵，當(dāng)主動(dòng)按下時(shí)，系統(tǒng)直接打開警示設(shè)備。

當(dāng)未進(jìn)行按鍵操作時(shí)，三軸加速度傳感器開始工作，實(shí)時(shí)采集車輛x、y方向上的加速度信號(hào)并通過微處理器根據(jù)三向加速度合成算法判斷是否發(fā)生碰撞。

若檢測(cè)到未發(fā)生碰撞則令三軸加速度傳感器繼續(xù)檢測(cè)；若檢測(cè)到發(fā)生碰撞則通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡記錄碰撞時(shí)的加速度信號(hào)并通過信息發(fā)送模塊將碰撞信息發(fā)送給信息接收模塊。

信息接收模塊在接收了碰撞信息后，自動(dòng)打開警示設(shè)備上方的覆蓋物，通過陀螺儀調(diào)整預(yù)警設(shè)備的角度并通過自動(dòng)伸縮裝置將氙燈推出，警示來車。

2.2 三向加速度算法工作原理

三向加速度合成算法與目前大部分車輛警示系統(tǒng)的將安全氣囊點(diǎn)火信號(hào)設(shè)置為系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)的工作原理不同，是獨(dú)立于汽車安全氣囊碰撞系統(tǒng)的算法。由于汽車間的碰撞不止有正面碰撞，側(cè)面碰撞或追尾碰撞的事故也時(shí)有發(fā)生，但是市面上的很大部分汽車僅僅配置了正面安全氣囊，當(dāng)發(fā)生其他方向碰撞時(shí)，盡管車內(nèi)人員受傷但安全氣囊的碰撞算法并未檢測(cè)；且隨意對(duì)汽車原本的系統(tǒng)進(jìn)行改裝，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)和難度，甚至?xí)`反法律；再加之近幾年的由于安全氣囊出現(xiàn)問題導(dǎo)致的車輛被召回丑聞。所以本文選擇了基于雙向加速度合成算法的三向加速度合成算法。

雙向加速度算法的表達(dá)式為：

式中：w—窗寬；S(t,w)—窗寬內(nèi)的積分值；ax(t)—車輛縱向加速度信號(hào)；ay(t)—車輛橫向加速度信號(hào)；t—當(dāng)前時(shí)刻。對(duì)于窗寬w的選擇不宜過大也不宜過小，綜上考慮，選取窗寬為20ms[7]。

將三軸傳感器中任意兩軸作為x、y軸，令x、y軸所在的平面與水平面平行，此時(shí)重力G在x、y軸上的加速度分量均為0，而在z軸的分量為g。車輛在路面正常行駛時(shí)，產(chǎn)生的加速度是水平的，則x、y方向上的加速度矢量合即為車輛的加速度ac。將傳感器采集到的x方向的加速度ax和y方向的加速度ay、z方向的加速度az進(jìn)行處理后，比較ac與設(shè)定好的加速度閥值a1的大?。海?）若ac＞a1，系統(tǒng)調(diào)用雙向加速度合成算法并計(jì)算S（t,w），然后將計(jì)算出的S（t,w）值與設(shè)定的門檻閥值b進(jìn)行比較：①若S（t,w）＞b，得出車輛發(fā)生碰撞結(jié)論；②若S（t,w）≤b，得出無碰撞結(jié)論，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)與采集。（2）若ac≤a1，得出無碰撞結(jié)論，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)與采集。

同時(shí)將az與豎直方向上的加速度閥值a2進(jìn)行比較：（1）若az＞a2，系統(tǒng)判定車輛發(fā)生側(cè)翻事故；（2）若az≤a2，得出汽車無側(cè)翻結(jié)論，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)與采集。

圖3為車載警示設(shè)備的工作原理示意圖；圖4為工作前車載警示設(shè)備的CAD示意圖；圖5為工作時(shí)車載警示設(shè)備的CAD示意圖。

圖3 車載警示設(shè)備的工作原理示意圖

圖4 工作前車載警示設(shè)備的CAD示意圖

圖5 工作時(shí)車載警示設(shè)備的CAD示意圖

3 車載警示系統(tǒng)的特點(diǎn)

此車載警示系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種警示方式。其特點(diǎn)是：當(dāng)車輛在高速公路出現(xiàn)故障或車上人員突發(fā)特殊情況需要緊急停車時(shí)，駕駛員可以手動(dòng)按下警示開關(guān)按鍵開啟警示設(shè)備；當(dāng)車輛受到猛烈撞擊或側(cè)翻時(shí)，尤其是駕駛員無力按下開關(guān)按鍵時(shí)，碰撞檢測(cè)模塊檢測(cè)到事故發(fā)生，車載警示設(shè)備自動(dòng)開啟，瞬間發(fā)出脈沖頻閃光以警示來車。無論是手動(dòng)還是自動(dòng)，駕駛?cè)硕疾槐叵萝嚾シ胖镁緲?biāo)志，避免了被來車撞擊的危險(xiǎn)。若由于算法誤判造成警示系統(tǒng)意外打開，駕駛員可按下開關(guān)按鍵將系統(tǒng)關(guān)閉。且由于氙燈的光強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過車輛上現(xiàn)有的警示燈及霧燈發(fā)出光強(qiáng)，可以大大提高警示距離，還具有省電、警示效果理想的特點(diǎn)。

實(shí)際舉例：（1）手動(dòng)人工警示：有A、B兩車，A車在前，B車在后，同向行駛。A車遇到突發(fā)特殊情況需要緊急停車，駕

駛員可以手動(dòng)按下警示開關(guān)按鍵開啟警示設(shè)備。B車看到A車發(fā)出的強(qiáng)烈光束，提前減速避讓，安全繞行。（2）自動(dòng)警示：雨、雪、霧等能見度低的環(huán)境中，A車發(fā)生事故且喪失放置警示標(biāo)志的能力，此時(shí)警示系統(tǒng)檢測(cè)到碰撞，自動(dòng)開啟，瞬間發(fā)出強(qiáng)烈頻閃光束。其光穿透力強(qiáng)，A車后方行駛來的車輛看到警示光，司機(jī)立即知曉前方有事故發(fā)生，提前做好準(zhǔn)備，避免二次事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

論文提出的預(yù)防二次事故車載警示系統(tǒng)既能手動(dòng)警示又能自動(dòng)警示，克服了傳統(tǒng)三角警示牌的缺點(diǎn)，使得即使在雨天、雪天、霧天、夜晚等低能見度或道路拐彎處等視線盲區(qū)也有很好的警示效果；并且使駕駛員免于下車放置警示牌，消除了放置過程中被撞的危險(xiǎn)；即使駕駛員無力警示，系統(tǒng)也可自動(dòng)警示來車此處有事故發(fā)生。一旦投入使用，可以減少高速公路二次事故對(duì)人們的生命、財(cái)產(chǎn)傷害。

該系統(tǒng)具有造價(jià)低、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景。