一種基于大型貨車視野盲區(qū)的層疊式預(yù)警系統(tǒng)

李磊磊 馮朝陽 楊文科

摘 要：因內(nèi)輪差現(xiàn)象導(dǎo)致駕駛員右轉(zhuǎn)存在視線盲區(qū)而引發(fā)交通事故的案例層出不窮，研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套根據(jù)大型貨車速度和轉(zhuǎn)彎角度以及危險(xiǎn)區(qū)域外障礙物的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)以探測器定向探測及光線投射為特點(diǎn)，并向司機(jī)端進(jìn)行聲音報(bào)警，且地面危險(xiǎn)區(qū)域可調(diào)的層疊式預(yù)警系統(tǒng)。開展此研究可在大型商用車于彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)，提醒行人或其他小型乘用車注意避讓，對降低事故發(fā)生率，減少人員傷亡有積極作用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)輪差;激光投影;交通安全

Abstract： Due to the inner difference phenomenon caused by the driver turn right eye blind area and frequent traffic accidents， research design and develop a set of according to the large truck speed and turning angle of danger outside obstacles and movement to achive to probe the directional detection and projection of light， and voice alarm to the drivers side， and adjustable cascading two ground dangerous area warning system. Carrying out this research can remind pedestrians or other small passenger vehicles to pay attention to avoid when large commercial vehicles turn on the curve， which has a positive effect on reducing the accident rate and reducing casualties.

Keywords： Inner wheel difference; Laser projection; Traffic safety

前言

根據(jù)中國國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2018年底，載貨汽車保有量占汽車總保有量的22.11%，而貨車引起的責(zé)任事故更是占汽車責(zé)任事故總量的30.5%，其中因?yàn)閮?nèi)輪差所導(dǎo)致的交通事故約占17.1%，造成的傷亡人數(shù)占貨車責(zé)任事故總量的27.81%，因此貨車因內(nèi)輪差所導(dǎo)致的傷亡人數(shù)占比明顯高于其責(zé)任事故起數(shù)占比。內(nèi)輪差是指車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)前輪轉(zhuǎn)彎半徑與內(nèi)后輪轉(zhuǎn)彎半徑之差，由于內(nèi)輪差的存在，會(huì)導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)前后車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生不重合的現(xiàn)象。因此針對內(nèi)輪差，本研究設(shè)計(jì)了基于大型貨車速度和轉(zhuǎn)彎角度以及危險(xiǎn)區(qū)域外障礙物的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)以探測器定向探測及光線投射為特點(diǎn)，并向司機(jī)端進(jìn)行聲音報(bào)警，且地面危險(xiǎn)區(qū)域可調(diào)的層疊式預(yù)警系統(tǒng)，可有效解決內(nèi)輪差導(dǎo)致的貨車安全問題。

1 內(nèi)輪差模型的建立

如圖1，汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的內(nèi)輪差可以表示為m=r1-r2，在三角形OCD中，，從而得到內(nèi)輪差m與前輪轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為：

圖中：l為后輪軸距，d為車輪橫向輪距;OD長r1;OC長r2;汽車前輪轉(zhuǎn)角θ的范圍為0°< θ <60°。

2 轉(zhuǎn)角模型的建立

3 裝置模塊的設(shè)計(jì)

裝置模塊的設(shè)計(jì)? 根據(jù)轉(zhuǎn)角模型參數(shù)，首先要建立前輪轉(zhuǎn)角與步進(jìn)機(jī)上的遮光板移動(dòng)距離的關(guān)系。因?yàn)槠囖D(zhuǎn)彎后即回正，前輪轉(zhuǎn)角的變化范圍從0°變化到最大值再到0°，內(nèi)輪差的范圍也由最小值到最大值，最終為零。而與步進(jìn)電機(jī)相連接的遮光板的移動(dòng)距離也隨之動(dòng)態(tài)變化，因此需要建立這三者之間的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基于阿克曼幾何理論曲線設(shè)計(jì)來保證轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡符合瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心交叉于一點(diǎn)。由圖1可知：

其中：K是兩主銷中心距，L是軸距，i是轉(zhuǎn)向比，a+β是車前輪轉(zhuǎn)向角度之和，θ是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。

因此當(dāng)車輛的轉(zhuǎn)向比的范圍確定后，前輪轉(zhuǎn)角和方向盤轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，不同車型的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比的范圍是不同的，大貨車的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比在14：1和35：1之間。在此以大貨車作為研究對象，根據(jù)轉(zhuǎn)向角度傳感器采集的方向盤轉(zhuǎn)角θ的參數(shù)變化，基于阿克曼幾何理論曲線可以得到前輪轉(zhuǎn)角的變化范圍，由此，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化控制車輪轉(zhuǎn)向范圍，再由轉(zhuǎn)向盤連動(dòng)步進(jìn)電機(jī)遮光板的位移，確定危險(xiǎn)區(qū)域的范圍。[1]

4 技術(shù)模塊的設(shè)計(jì)

（1）主控模塊：Freescal K60單片機(jī)

K60單片機(jī)在整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)中作為一個(gè)終端機(jī)，利用其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，對轉(zhuǎn)向角度傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測和寫入。同時(shí)，在轉(zhuǎn)向傳感器信號(hào)寫入時(shí)，給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)遮光板進(jìn)行移動(dòng)，使整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)開始工作。

（2）汽車轉(zhuǎn)向角度傳感模塊：轉(zhuǎn)向角度傳感器

汽車轉(zhuǎn)向角度傳感器，如圖5，用以測定轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)向方向，在此以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角度傳感器作為轉(zhuǎn)向信號(hào)監(jiān)測和采集的主要部件。轉(zhuǎn)向角度傳感器時(shí)刻采集方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度變化，將角度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給主控模塊，主控模塊從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)遮光板的移動(dòng)，使警示系統(tǒng)正常工作。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器有霍爾效應(yīng)式、磁阻式、光電式等多種類型，目前汽車多采用磁電阻式角度傳感器，因?yàn)槠渚哂胁僮骱啽?，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和非接觸式測量等優(yōu)點(diǎn)。本裝置采用測量量程較大的磁電阻式角度傳感器。

（3）激光投射模塊：高精度伺服舵機(jī)和半導(dǎo)體線激光器

利用K60單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制（PWM）控制信號(hào)，來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。半導(dǎo)體激光器具有緊湊、穩(wěn)定、耐用等特點(diǎn)，最主要的是其可作為便捷光源。利用半導(dǎo)體激光器發(fā)射激光，形成警示區(qū)域。整個(gè)激光投射模塊由高精度伺服舵機(jī)（圖6）和半導(dǎo)體線激光器加工組裝而成，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)投射激光線的長度和粗細(xì)。

（4）主動(dòng)探測模塊：毫米波雷達(dá)和廣角攝像頭

如圖7， 主動(dòng)探測模塊中由毫米波雷達(dá)和廣角攝像頭組成，障礙物（非機(jī)動(dòng)車輛和行人等）距貨車的速度和距離由毫米波雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測，廣角攝像頭用于捕捉貨車轉(zhuǎn)彎時(shí)的路況，采集的信號(hào)經(jīng) 數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送給K60單片機(jī)，K60單片機(jī)經(jīng)過邏輯運(yùn)算，輸出控制信號(hào)使預(yù)警裝置正常工作。

（5）聲光報(bào)警模塊

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，主控模塊接收到角度傳感模塊發(fā)出的轉(zhuǎn)向指令后，通過內(nèi)輪差模型在單片機(jī)中計(jì)算得到危險(xiǎn)區(qū)域。通過激光投射模塊將所得的危險(xiǎn)區(qū)域投影至地面，同時(shí)激活主動(dòng)探測模塊，危險(xiǎn)情況下同時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào)[2]。

5 未來研究方向

進(jìn)一步對裝置的可行性進(jìn)行研究： 由于行人缺乏安全知識(shí)，很少知曉大型車輛在右轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)輪差會(huì)引發(fā)交通事故。故本研究先以在地面上通過激光投射的危險(xiǎn)區(qū)域警示周邊行人及車輛，并在車輛右側(cè)加裝了主動(dòng)探測模塊。當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)時(shí)，若行人或機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，主動(dòng)探測模塊便會(huì)被激活主動(dòng)向行人及駕駛員報(bào)警。

未來裝置趨于智能化：未來預(yù)警裝置要從燈光顏色、聲音分貝、預(yù)警效果等多個(gè)方面改善駕駛員工作環(huán)境。即利用預(yù)警裝置給司機(jī)適宜的外界信息刺激，從而提高駕駛員的駕駛室內(nèi)的工作標(biāo)準(zhǔn)，即提高人機(jī)交互的水平。

對警示燈光的進(jìn)一步研究：根據(jù)交通心理學(xué)相關(guān)知識(shí)，通常人們把紅色、黃色、橙色稱為暖色調(diào)，而同一位置上的不同顏色會(huì)使人看到后所產(chǎn)生的距離感不同，一般而言，暖色系及明度大的顏色看上去比較生動(dòng)突出，叫前進(jìn)色，相反冷色系和低明亮度顏色看上去比較靜止，叫后退色，因此警示燈采用紅色等暖色調(diào)，使行人能夠快速意識(shí)到危險(xiǎn)，但是有時(shí)候暖色燈光會(huì)對駕駛?cè)艘曇捌鸬礁蓴_現(xiàn)象，因此未來需要對警示燈光進(jìn)一步進(jìn)行研究，選擇可以適應(yīng)不同路面條件的燈光顏色。

6 結(jié)論

開展本系統(tǒng)的研究，可在貨車轉(zhuǎn)彎時(shí)警示行人和其他車輛來減少事故的發(fā)生，對降低或避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失有重大現(xiàn)實(shí)意義。此外，也會(huì)減少對遭遇事故家庭帶來的創(chuàng)傷、對公司帶來的財(cái)產(chǎn)損失以及對社會(huì)帶來影響。因此，本項(xiàng)目市場前景廣闊，對社會(huì)和經(jīng)濟(jì)有重要意義。同時(shí)適應(yīng)性廣泛、成本低廉、安全性高，可供物流公司、礦產(chǎn)企業(yè)等需要大量貨車進(jìn)行運(yùn)輸?shù)墓净蚣瘓F(tuán)使用，并且將減少公司或集團(tuán)的運(yùn)輸成本，從而提高利潤。簡而言之，這一層疊式預(yù)警系統(tǒng)具有極大的普適性和推廣性，極具實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 褚正清，劉家保，宋星.貨車右轉(zhuǎn)彎內(nèi)輪差的建模研究[J].河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，31（05）：49-52.

[2] 鐘策.大型車輛轉(zhuǎn)彎安全警示燈設(shè)計(jì)研究[D].西南交通大學(xué)，2016.