基于汽車內(nèi)輪差的警示裝置設(shè)計研究

周 磊，胡沁如，龔書晨，劉有軍

(華中科技大學 土木工程與力學學院，武漢 430074)

隨著中國物流量的加大，大型貨車數(shù)量也迅猛增加。由于大型貨車的車身較長，轉(zhuǎn)彎時其前后輪的運行軌跡不同，形成較大的內(nèi)輪差，由此產(chǎn)生危險區(qū)域，進入這個區(qū)域的行人和非機動車很容易被車身后半部卷入，導致嚴重的交通事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，在大型車輛發(fā)生的惡性交通事故中，內(nèi)輪差引發(fā)的事故占70%以上，絕大多數(shù)發(fā)生在車輛右轉(zhuǎn)彎時，事故死亡率高達90%以上[1]。

內(nèi)輪差即車輛轉(zhuǎn)彎時內(nèi)前輪轉(zhuǎn)彎半徑與內(nèi)后輪轉(zhuǎn)彎半徑之差。關(guān)于汽車內(nèi)輪差的研究在理論上已取得了一些成果，如：褚正清等在貨車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差的研究中通過假設(shè)汽車轉(zhuǎn)彎輪跡為圓弧對不同類別的車輛建立了3個數(shù)學模型，計算內(nèi)輪差并分析了內(nèi)輪差與轉(zhuǎn)彎半徑和轉(zhuǎn)角的關(guān)系[2]；王睿弩等將車輛分為非拖掛車和半掛車計算內(nèi)輪差，并通過FORUM8仿真模擬出車輛右轉(zhuǎn)彎真實內(nèi)輪差區(qū)域，同時也從交通設(shè)計者和管理者角度提出了如何避免因內(nèi)輪差的存在而發(fā)生的交通事故[3]；李逸良等運用剛體運動學的相關(guān)概念和知識，更加準確地定量模擬出汽車轉(zhuǎn)彎的輪跡線，計算出不同轉(zhuǎn)彎半徑下的最大內(nèi)輪差[4]。雖然為了消除安全隱患，汽車安全警示裝置也融入新材料新技術(shù)并進行研發(fā)與更新，以增強警示功能，但是將內(nèi)輪差納入汽車安全警示系統(tǒng)設(shè)計僅有一些概念與思路。如鐘策設(shè)計出了一種由單片機、舵機和一字激光燈組成的警示燈，但是因為是直線燈光線且只有最外側(cè)的輪廓，所以指示的區(qū)域與實際情況有較大的偏差[5]；馮嘉明在一種大型車輛內(nèi)輪差警示裝置發(fā)明專利中描述了主要由信息收集系統(tǒng)、激光發(fā)射系統(tǒng)和語音提示系統(tǒng)等構(gòu)成的報警裝置的工作流程[6]。FAIRWOOD INNOVATION等研究認為汽車安全報警系統(tǒng)裝置由一個或者多個燈組成，在轉(zhuǎn)彎時檢測到行人就亮起，沒有行人就不亮[7]，但該裝置只能起到指示作用，并不能明確地指示出內(nèi)輪差的區(qū)域。而Todd Ruff等則研究通過雷達監(jiān)測危險區(qū)域然后報警[8]，但由于成本過高而難以應用?；谝延醒芯砍晒P者試將汽車內(nèi)輪差原理運用于汽車安全警報系統(tǒng)設(shè)計中，探究一種通過燈光準確標識內(nèi)輪差危險區(qū)域來警示大型車輛旁的行人和其他車輛，以期完善汽車安全警報設(shè)置系統(tǒng)設(shè)計。

1 警示裝置設(shè)計的功能需求與結(jié)構(gòu)特點

1.1 功能需求

由汽車內(nèi)輪差而導致的汽車轉(zhuǎn)彎時的危險區(qū)域常被司機與行人忽視，因此基于汽車內(nèi)輪差的警示裝置，需要完成以下功能：1)警示裝置需要讓司機在轉(zhuǎn)彎時消除視覺盲區(qū)，提高車輛運行警戒意識，通過轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動角度、制動等控制消除危險區(qū)域存在的安全隱患。2)警示裝置能對汽車轉(zhuǎn)彎時內(nèi)輪差危險區(qū)域?qū)嵤┯行俗R，當汽車在行進轉(zhuǎn)彎時警示燈開啟，照亮車輛轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差引起的危險區(qū)域，讓行人與車輛適時識別內(nèi)輪差危險區(qū)域，進而實施規(guī)避行動，遠離危險區(qū)域。3)警示裝置能解決目前通過轉(zhuǎn)向燈與相應的語音提示警示的不精確性，在車身兩側(cè)都能通過安裝的警示燈來提高警示設(shè)置功能的效果。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

大貨車在任何環(huán)境下轉(zhuǎn)彎都存在內(nèi)輪差，這要求內(nèi)輪差警示裝置結(jié)構(gòu)必須在任何情景下均能發(fā)揮警示作用，由此警示裝置的結(jié)構(gòu)應具備以下特點：1)通過信息采集模塊、系統(tǒng)控制模塊與組織結(jié)構(gòu)模塊實現(xiàn)裝置系統(tǒng)與真實世界的聯(lián)系，即整個裝置警示識別功能要適應大貨車任何轉(zhuǎn)彎環(huán)境，如雨雪天氣、山區(qū)、城市、晝夜等。2)警示裝置對危險區(qū)域外部傳達必須符合行人與其他車輛駕駛員的認知特點，在選用具有高警示度的信號作用于人們的認知心理的同時，也要符合人們的安全認知訴求與人性化心理需求。3)警示裝置只是汽車構(gòu)造中一個小的功能模塊，既要實現(xiàn)自身功能需求，做到性能良好、安全耐用、美觀合理，又要與汽車其他部件銜接以構(gòu)成完整的汽車構(gòu)造運行系統(tǒng)，因此要做到銜接緊湊、操作便捷、靈活高效。

2 警示裝置的結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計原理

警示裝置設(shè)計需要完成警示燈的觸發(fā)及關(guān)閉、警示燈照射區(qū)域的確定及警示燈的控制設(shè)計。

2.1 警示燈的觸發(fā)及關(guān)閉原理

根據(jù)轉(zhuǎn)向燈的工作原理，將警示燈的觸發(fā)電路設(shè)計成并聯(lián)電路。一條線路與轉(zhuǎn)向燈相連，在駕駛員開啟轉(zhuǎn)向燈的同時警示燈也亮起；另一條線路與轉(zhuǎn)向盤相連，若駕駛員未開啟轉(zhuǎn)向燈，則可通過傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度來控制警示燈亮起。當完成轉(zhuǎn)向后，若轉(zhuǎn)向燈開啟就通過自動回位系統(tǒng)使轉(zhuǎn)向燈和警示燈一同熄滅；若轉(zhuǎn)向燈未開啟，則根據(jù)傳感器監(jiān)測使警示燈熄滅。

2.2 內(nèi)輪差理論模型計算

圖1 以前輪轉(zhuǎn)角為變量的內(nèi)輪差計算 Fig.1 Calculation of inner wheel differencewith front wheel angle as variable

確定警示燈照亮的危險區(qū)域首先需要計算大型車輛的內(nèi)輪差范圍，以汽車前輪轉(zhuǎn)角為變量，假設(shè)汽車在轉(zhuǎn)彎過程中不變形即為一剛體，將車輛作為一個整體進行簡化，如圖1所示。假設(shè)汽車轉(zhuǎn)彎時前后輪輪跡均為圓弧，且都以O(shè)點為圓心，將汽車的4個車輪標記為A、B、C、D，圖中：l為前后輪軸距，m；d為車輪橫向輪距；OD長為r1；OC長為r2；汽車前輪轉(zhuǎn)角θ的范圍為0°<θ<60°。

(1)

2.3 警示燈的控制原理

將遮光板通過線路與轉(zhuǎn)向盤相聯(lián)，隨著轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動而移動一定的距離，把不需要的光線遮擋住，余下部分的光線就能射到地面上照射出內(nèi)輪差的區(qū)域范圍。首先需要確定汽車前輪轉(zhuǎn)角θ與遮光板移動距離的關(guān)系。汽車前輪轉(zhuǎn)角θ在汽車轉(zhuǎn)彎過程中是不斷變化的，從0到最大值再到0；內(nèi)輪差的區(qū)域也隨著汽車轉(zhuǎn)彎從小范圍到最大范圍，再到小范圍，最終為零，所以相應的遮光板移動距離從0到最大值再回到初始狀態(tài)。其次需要將遮光板角度與傳動相連。經(jīng)過測試和計算，不同汽車的轉(zhuǎn)向傳動比(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向程度與車輪轉(zhuǎn)向程度之比)是不同的。轎車的轉(zhuǎn)向傳動比在10∶1和24∶1之間，即轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動10°到24°，車前輪轉(zhuǎn)動1°；大貨車的轉(zhuǎn)向傳動比在14∶1和35∶1之間。選擇大貨車作為研究對象，并認為大貨車的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度在0°到900°之間，分別按照14∶1和35∶1的傳動比計算可以得到相應的大貨車前輪轉(zhuǎn)動角度在26°到64°之間，所以選取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度與前輪轉(zhuǎn)角比為15∶1，若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度0°～540°，則前輪轉(zhuǎn)角θ對應的角度是0°～36°。由此，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角控制車輪轉(zhuǎn)向范圍，再由轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角連動遮光板的位移，標識危險區(qū)域。

3 實例分析

圖2 警示燈位置 Fig.2 Warning light position

應用上述原理，以大運N8V重卡復合型8×47.6 m(車輪前4個后8個，貨箱長度7.6 m)自卸車為例，對警示裝置進行設(shè)計，參見圖2，警示燈位于汽車側(cè)邊黃色方塊標識處(正方形框內(nèi))。

以前輪轉(zhuǎn)角θ為變量，運用式(1)計算其內(nèi)輪差，具體見表1。由表1可知，車輛的前輪轉(zhuǎn)角越大內(nèi)輪差就越大，危險區(qū)域的范圍也就越大。因此，內(nèi)輪差范圍就是警示燈需要照亮的區(qū)域?，F(xiàn)選取一款滿天星式激光燈(Laser Pointer YL851)，假設(shè)遮光板緊挨著激光發(fā)射器出口(兩者之間的距離忽略不計)，該激光發(fā)射器出口為直徑5 mm的圓，為方便計算將其簡化為邊長為5 mm的正方形。經(jīng)試驗測得照亮區(qū)域為邊長2.8 m的正方形，所以得到實際照射范圍邊長與出口邊長的比值為560∶1。選取2.2理論計算特例中的大運N8V重卡車輛的最大內(nèi)輪差值為2.62 m，根據(jù)560∶1的比值計算得遮光板移動的最大距離為4.7 mm，小于5.0 mm。

計算轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度和遮光板移動距離的關(guān)系，結(jié)果見表2。

表1 以前輪轉(zhuǎn)角為變量內(nèi)輪差計算 Table 1 Calculation of inner wheel differencewith front wheel angle as variable

表2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度和遮光板移動距離的關(guān)系 Table 2 Relationship between rotation angle of the steeringwheel and moving distance of the shading plate

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

汽車警示裝置可利用轉(zhuǎn)向角度傳感器探測轉(zhuǎn)角，并通過單片機和步進電機最后將轉(zhuǎn)向角度的信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎诠獍逡苿拥某叽?，具體流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)設(shè)計流程Fig.3 Design process of control system

3.1.1 信號采集

以角度傳感器作為信號監(jiān)測和采集系統(tǒng)的主要部件。當駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，角度傳感器實時監(jiān)測轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度并將其轉(zhuǎn)換成電信號傳遞到處理系統(tǒng)從而控制警示燈的工作和遮光板的移動。角度傳感器主要有機械式、霍爾式、電磁感應式、編碼器式、磁電阻式等，相比之下,磁電阻式角度傳感器具有構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)實時監(jiān)測和非接觸式測量等優(yōu)點，它又分為各向異性磁電阻和巨磁電阻，由于基于各向異性磁電阻的角度傳感器測量范圍較小(通常在0°～180°)，所以本裝置采用測量范圍較大的巨磁電阻角度傳感器[9]及其他相關(guān)硬件作為信號采集模塊的部件。

3.1.2 信號處理與執(zhí)行

在信號執(zhí)行與處理系統(tǒng)中選用單片機和步進電機作為主要部件。單片機將從傳感器傳來的電信號轉(zhuǎn)換成計算機語言，經(jīng)過存儲處理后再將信號傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行相應指令，進而在汽車轉(zhuǎn)彎時對遮光板移動進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使步進電機將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎诠獍宓木€位移，使得遮光板可以不斷地移動，從而達到預定的照射效果。

步進電機分為反應式、永磁式和混合式，其中混合式步進電機結(jié)合了反應式和永磁式的優(yōu)點，輸出力矩大、動態(tài)性能好，而在混合式步進電機中，兩相混合式步進電機因其性價比較高，使用效果好，占據(jù)了較大的市場份額[10]。由于本裝置需要步進電機帶動遮光板移動，遮光板的體積小、質(zhì)量輕，因此所需要的扭力較小，通常在0.8 N·m以下，所以選擇42電機較為合適。表3是轉(zhuǎn)矩為0.31 N·m的4種42步進電機相關(guān)參數(shù)。在生產(chǎn)實踐中可根據(jù)具體需求選擇或定制合適的步進電機。

表3 42步進電機相關(guān)參數(shù)Table 3 42 stepper motor parameters

3.2 警示裝置外觀設(shè)計

圖4 警示裝置模型示意 Fig.4 Diagram of warningdevice model

根據(jù)上述流程，初步設(shè)計出以下裝置模型，見圖4。

3.2.1 警示燈燈光顏色設(shè)計

顏色具有進退性，暖色為前進色，冷色為后退色。人們把容易產(chǎn)生較近距離感的顏色，如紅色和黃色等稱為前進色，而產(chǎn)生較遠距離感的顏色，如藍色和綠色稱為后退色[11]。相對后退色而言前進色的視認性更佳。因此，警示裝置宜選用前進色(暖色)燈光。在暖色中，紅色起到突出強調(diào)的作用，容易引起人們的注意，使行人能夠快速意識到危險。在現(xiàn)有的交通標志標線中，大部分警示標志都采用了紅色的文字或圖像，因此當警示燈啟用時，行人也能遵循自己的固有心理，從而避開紅色燈光覆蓋的危險區(qū)域。

3.2.2 警示燈材料選擇與處理

為了使警示燈在任何環(huán)境下都能傳達其警示信息，對警示燈材料的選擇必須與汽車大燈配光鏡相似，即具有UV(ultravioletray)穩(wěn)定性和高透明性。現(xiàn)在市面上的配光鏡大多采用聚碳酸酯(polycarbonate)材料注塑成形的，它具有良好的抗沖擊、抗熱畸變及透光性能，而且耐候性好、硬度高，適用于生產(chǎn)轎車和輕型卡車的各種零部件[12]。因此，選擇價格經(jīng)濟、透光率高的透明聚碳酸酯面板可滿足警示裝置的功能需求。為了防止霧氣影響燈光效果，警示燈內(nèi)表面應安裝透氣薄膜，它有助于促進車燈內(nèi)外部氣體交換，同時能滿足不讓灰塵和水等侵入車燈的要求。透氣薄膜包含一種Gortex(聚四氟乙烯)的材料，它有很細的孔可允許空氣分子通過，但不會讓水或者其他液體、灰塵及雜物通過[13]。由于長時間暴露在陽光下，警示燈裝置的外表面需要防止紫外線的侵蝕，可在其外表面上噴涂聚氨酯紫外光固化涂料(UV涂料)來達此目的。這種涂料具有不含揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds)，對環(huán)境污染小，固化速度快，節(jié)省能源，固化產(chǎn)物性能好，適合于高速自動化生產(chǎn)等優(yōu)點[14]。

3.2.3 警示燈的光源選擇

基于行車環(huán)境，普通燈光在陽光下、雪地里、水坑表面等條件下無法被行人及非機動車準確識別，難以明確標識并傳達出危險區(qū)域，而激光具有單色性好、相干性好、方向性好、亮度高等優(yōu)點[15]，不會受惡劣天氣條件的影響，因此選用滿天星式激光燈，可使照射區(qū)域為平面，能在地面上清晰地投影出危險區(qū)域范圍，易于行人和車輛的辨別；且激光的穿透力強，在白天和雨霧天氣也能照射出清晰的內(nèi)輪差范圍。

3.2.4 遮光板的設(shè)計及材料選擇

使用遮光板能夠?qū)⒍嘤嗟墓庹谧?，從而使得呈現(xiàn)出的投影是內(nèi)輪差危險區(qū)域標識所需要的形狀，并與內(nèi)輪差區(qū)域吻合；同時通過遮光板隨著轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動而動態(tài)地移動，可以實現(xiàn)在車輛不同轉(zhuǎn)彎半徑的情況下，照射范圍隨著車輛運動狀態(tài)而改變，更貼近于實際，適用率大為提高。通過比較并考慮到生產(chǎn)的簡易性和可操作性，警示裝置選取橢圓作為遮光板的初始線型，在生產(chǎn)應用中可根據(jù)具體的汽車類型進行設(shè)計修改。黑色碳化硅陶瓷不僅具有優(yōu)良的常溫力學性能，而且其高溫力學性能是已知陶瓷材料中最佳的[13]。由于遮光板需要吸收激光將光能轉(zhuǎn)換為熱能，遮光板的材料應具有良好的耐高溫性和耐久性。因此，遮光板材料選擇黑色碳化硅陶瓷，不僅能夠有效地遮住部分激光，而且耐高溫、壽命長、價格低廉。

4 警示裝置的效用分析

圖5 警示燈效果示例Fig.5 Diagram of warning light effect

基于汽車內(nèi)輪差的警示裝置設(shè)計是通過汽車，尤其是大型貨車轉(zhuǎn)彎環(huán)境實際情景分析，從安全訴求出發(fā)而對警示裝置每一環(huán)節(jié)進行的個性化設(shè)計，其效果如圖5所示。警示裝置的可行性在于其具有“發(fā)于內(nèi)而行于外”，其外部傳達的動態(tài)信號能有效反映設(shè)備的動態(tài)運行內(nèi)在特性[16]。

為了檢驗警示裝置設(shè)計的可行性與效用，即警示裝置在內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)準確地傳達危險信號，對行人或其他機動車輛實現(xiàn)明確的警示功能，筆者對騎行人員作訪談調(diào)研，受訪者認為，基于汽車內(nèi)輪差警示裝置的設(shè)計能夠更準確地標識汽車，尤其是貨運汽車轉(zhuǎn)彎時的危險區(qū)域，起到更為直觀與準確的警示作用。

5 結(jié) 論

基于汽車內(nèi)輪差的警示裝置可在很大程度上減少汽車轉(zhuǎn)彎時交通事故的發(fā)生，而且該裝置選材實用、價格低廉、適用車型較多，因此有較好的推廣前景。在實際應用中還可以加入現(xiàn)有研究和專利中的內(nèi)輪差報警裝置，即通過紅外感應監(jiān)測內(nèi)輪差區(qū)域中的人和物體并發(fā)出聲音警告，以提醒轉(zhuǎn)彎車輛的駕駛員減速慢行。若將本裝置和報警器相結(jié)合，不僅使行人和車輛提前預知危險區(qū)域，而且還能使已經(jīng)處在危險區(qū)域中的行人和車輛通過光和聲的警示及時撤離，同時轉(zhuǎn)彎車輛駕駛員也能一并減速行駛甚至停車，這樣就更加全面地保障了行人和車輛的安全。