一種基于Arduino的車用多向防碰撞裝置的設(shè)計(jì)

寇星源 茍春梅 董靜

摘 要：汽車在行駛過(guò)程中始終存在一些視覺(jué)上的盲區(qū)，這些盲區(qū)導(dǎo)致駕駛員難以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)車輛周圍的障礙物，結(jié)果造成汽車碰撞、刮擦等事故。本文針對(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的車用多向防碰撞裝置，裝置采用超聲波模塊進(jìn)行障礙物檢測(cè)，并通過(guò)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的檢測(cè)，由此幫助駕駛員在車輛行駛時(shí)破除盲區(qū)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)障礙物并預(yù)防碰撞。

關(guān)鍵詞：汽車;Arduino;防碰撞

1 引言

近年來(lái)全國(guó)各地汽車保有量越來(lái)越大，公安部交管局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2019年6月，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已達(dá)3.4億輛，其中汽車2.5億輛。保有量不斷上升的同時(shí)各類汽車碰撞事故的發(fā)生也越來(lái)越多。尤其是在市區(qū)內(nèi)的低速行車狀況下，由于路況擁堵、車位緊張，汽車碰撞、刮蹭等事故更是頻發(fā)不止。因此如何有效避免此類問(wèn)題也越來(lái)越得到人們的重視。汽車防碰撞系統(tǒng)已有多年的研究，本文在借鑒現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入目前大為火熱的開(kāi)源平臺(tái)Arduino，選用超聲波測(cè)距技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的多向防碰撞裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛在行駛過(guò)程中多個(gè)方向的防碰撞預(yù)警功能。

2整體設(shè)計(jì)

駕駛員在車內(nèi)總有一些視覺(jué)上的盲區(qū)和死角。圖1為普通轎車的視覺(jué)盲區(qū)示意圖，當(dāng)車輛在高速路行駛時(shí)，因路況和行駛狀態(tài)較為單一，前后車輛也易于保持安全車距，因此這些盲區(qū)對(duì)駕駛員影響不大。但在低速行車時(shí)，尤其在市區(qū)路況條件下，路況復(fù)雜，行駛狀態(tài)也更加多變，轉(zhuǎn)彎、掉頭及倒車等操作增多，這時(shí)盲區(qū)會(huì)直接干擾駕駛員的判斷，導(dǎo)致車身側(cè)方、后方與障礙物發(fā)生碰撞、刮擦。

針對(duì)上述轎車駕駛盲區(qū)，本文以破除盲區(qū)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用超聲波測(cè)距技術(shù)的多向防碰撞裝置。如圖2所示，該裝置包括超聲波傳感器、Arduino控制板、信息顯示屏、及聲光報(bào)警器四個(gè)部分。該裝置工作原理為：超聲波傳感器在Arduino板的觸發(fā)下發(fā)射、接受超聲波信號(hào)，并將超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)長(zhǎng)返回給Arduino板，由Arduino板計(jì)算得出車輛與障礙物距離并將距離顯示在顯示屏上，同時(shí)Arduino判斷該距離是否超過(guò)安全距離，如超過(guò)安全距離，存在碰撞可能性，則Arduino向聲光報(bào)警器下發(fā)命令，由聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，提醒駕駛員可能發(fā)生碰撞。為同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的障礙物檢測(cè)，該裝置在超聲波模塊下加裝伺服電機(jī)，電機(jī)在Arduino板的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)超聲波模塊在側(cè)方等多方向進(jìn)行障礙物檢測(cè)。

3 硬件搭建

該裝置硬件包括Arduino板、超聲波測(cè)距傳感器、伺服電機(jī)、液晶顯示屏、聲光報(bào)警器件等，具體規(guī)格型號(hào)如下：

3.1 Arduino開(kāi)發(fā)板

Arduino是當(dāng)前最受歡迎的電子互動(dòng)平臺(tái)之一，它包括硬件Arduino開(kāi)發(fā)板、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境及Arduino編程語(yǔ)言三大部分。Arduino板有多個(gè)不同型號(hào)，本文選用Arduino UNO板，其工作電壓為5V，采用ATmega328P作為微控制器，同時(shí)具有14個(gè)數(shù)字I/O針腳（其中6個(gè)針腳同時(shí)可作為PWM輸出），6個(gè)模擬輸入針腳。在本裝置中，Arduino通過(guò)輸入輸出針腳與超聲波模塊、電機(jī)及聲光報(bào)警模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)通訊與控制功能。

3.2 超聲波測(cè)距傳感器

超聲波測(cè)距原理是通過(guò)發(fā)送和接收超聲波，利用時(shí)間差和聲波速度，計(jì)算出模塊和障礙物的距離。本文選用的超聲波測(cè)距模塊為HC-SR04，其測(cè)距范圍達(dá)2cm-450cm，測(cè)量精度可達(dá)0.3cm。該模塊共有4個(gè)針腳，包括：VCC、GND、TRIG、及ECHO。工作時(shí)，先由Arduino板通過(guò)I/O口向TRIG針腳輸入觸發(fā)信號(hào)，再由模塊自動(dòng)向外發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，隨后模塊檢測(cè)返回信號(hào)，并通過(guò)ECHO針腳向Arduino板發(fā)送一個(gè)高電平反饋信號(hào)，該高電平持續(xù)時(shí)間即超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。Arduino根據(jù)該時(shí)間進(jìn)行運(yùn)算得出車輛與障礙物之間的距離，并進(jìn)行判斷是否超出安全范圍。

3.3 電機(jī)

本文選用型號(hào)為SG90的舵機(jī)作為帶動(dòng)超聲波模塊轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，其空載轉(zhuǎn)速可達(dá)0.12sec/60°，扭矩可達(dá)1.2到1.4kg/cm。SG90的動(dòng)作由Arduino通過(guò)PWM信號(hào)進(jìn)行控制，在裝置中，SG90按照設(shè)定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)超聲波模塊對(duì)車輛側(cè)方等多個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)。

3.4 液晶顯示屏

液晶顯示屏主要用于顯示檢測(cè)后的距離值，本文選用LCD1602作為顯示屏。LCD1602具有控制簡(jiǎn)易、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。LCD1602與Arduino板的連接方式分8位和4位兩種，為節(jié)省針腳資源，本文采用4位接法。

3.5 聲光報(bào)警模塊

本文利用無(wú)源蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的聲光報(bào)警功能，在完成測(cè)距和安全距離判斷后，如汽車與障礙物距離超過(guò)安全距離，則由Arduino輸出相應(yīng)電平控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警音，二極管進(jìn)行閃爍報(bào)警。

3.6 硬件接線圖，見(jiàn)圖3

4 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)防碰撞裝置的功能設(shè)計(jì)，Arduino板的工作程序流程如圖4所示。該裝置的啟動(dòng)由單獨(dú)開(kāi)關(guān)控制，防碰撞裝置啟動(dòng)后就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)車身周圍是否有障礙物的存在，并檢測(cè)計(jì)算車身和障礙物之間距離，若小于安全距離，則在顯示屏上顯示當(dāng)前障礙物距離，并發(fā)出聲光報(bào)警。若大于安全距離，則不發(fā)出告警。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的防碰撞裝置，以開(kāi)源平臺(tái)Arduino作為控制單元，以破除駕駛視覺(jué)盲區(qū)為出發(fā)點(diǎn)，采用超聲波模塊搭配舵機(jī)實(shí)現(xiàn)了車輛周圍多向障礙物的檢測(cè)，初步完成了車輛在行駛過(guò)程中的多向防碰撞預(yù)警功能。但該防碰撞裝置仍是一個(gè)初級(jí)樣品，如不同車速下安全距離的參數(shù)設(shè)定等功能尚未考慮在內(nèi)，有待于進(jìn)一步改進(jìn)完善。

新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年度院級(jí)課題《一種多方向車用防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)》，編號(hào)：J-18-05。

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