基于Arduino的車門防碰撞裝置設(shè)計(jì)

竇同宇，郭玉穎，張建華

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的增加，停車問(wèn)題嚴(yán)峻，停車時(shí)車門開啟發(fā)生的碰撞也不在少數(shù)。不少道路都限制通行條件，均屬于機(jī)非混行道路[1]。交通法規(guī)規(guī)定，在沒有強(qiáng)制隔離的道路上，非機(jī)動(dòng)車應(yīng)靠右行駛。機(jī)動(dòng)車臨時(shí)停車上下客時(shí)，應(yīng)該靠在右側(cè)。由此分析，在相對(duì)不是很寬的道路上，機(jī)動(dòng)車駕駛員在路邊停車后突然開啟車門，容易與后方過(guò)來(lái)的行人或機(jī)動(dòng)車發(fā)生碰撞，并且也會(huì)引發(fā)不良的后果[2]。針對(duì)這一問(wèn)題，很多汽車公司關(guān)注并致力于解決開門防撞預(yù)警技術(shù)的難題。德國(guó)凱毅德公司開發(fā)出一種創(chuàng)新車門“制動(dòng)系統(tǒng)”[3]；澳大利亞墨爾本“Dooring Alent System”公司，研發(fā)了一款利用聲光報(bào)警對(duì)交通參與者進(jìn)行提示的開門防撞預(yù)警裝置[4]。與國(guó)外車門開啟防碰撞系統(tǒng)相比，我國(guó)民用車載防碰撞系統(tǒng)普及率還是比較低。我國(guó)目前常用的是防撞條和防撞墊，雖然這些產(chǎn)品能夠有效降低碰撞時(shí)帶來(lái)的損失，卻不能承受較大的碰撞沖擊力，適用范圍較小，對(duì)后方接近的人和機(jī)動(dòng)車也無(wú)法起到提示作用，無(wú)法降低因開車門所發(fā)生事故的幾率。

為解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于Arduino的車門防碰撞裝置，該裝置不僅能主動(dòng)控制車門開啟角度，還可以對(duì)交通參與者進(jìn)行聲光警示，具有使用便捷、安裝簡(jiǎn)單、能耗低，實(shí)現(xiàn)快速、高精度的距離測(cè)量，降低防撞系統(tǒng)成本，適應(yīng)中國(guó)交通向智能化發(fā)展的需要，可有效降低因車門碰撞引起的事故發(fā)生率。

1 硬件設(shè)計(jì)

本裝置主要由距離傳感器、角度傳感器、單片機(jī)、車門舵機(jī)、報(bào)警模塊、顯示屏、開關(guān)按鍵及供電單元構(gòu)成。開關(guān)按鍵控制整個(gè)裝置的開啟與關(guān)閉，供電單元為單片機(jī)和整個(gè)設(shè)備提供電能。裝置流程圖如圖1所示。

圖1 裝置流程圖

1.1 單片機(jī)模塊

裝置中的單片機(jī)型號(hào)為Arduino UNO R3擴(kuò)展電路，采用疊層設(shè)計(jì)，引出了UNO R3主板上所有的I/O口，并有板載了兩個(gè)LED，復(fù)位按鈕，外部電源接口等[5]，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力、兼容性和易用性?？梢院苋菀椎貙⒔嵌葌鞲衅髋c距離傳感器連接起來(lái)，從而控制傳感器對(duì)距離與角度進(jìn)行測(cè)算。

1.2 測(cè)距模塊

測(cè)距模塊單元使用型號(hào)為GP2Y0A21YK0F的紅外測(cè)距傳感器，距離測(cè)算范圍為10～80 cm，供電電壓為4.5～5.5 V[6]。該傳感器采用的是激光三角測(cè)量方法，傳感器的測(cè)量精度不會(huì)受被測(cè)物體的材料和環(huán)境的溫度影響，而且成本低廉，短距離測(cè)量精度高。在測(cè)算車門與障礙物之間的距離時(shí)，更加精確，可以直接通過(guò)測(cè)量電壓值得出車門與障礙物之間的距離。其接線圖如圖2所示。

圖2 測(cè)距模塊單元接線圖

激光三角測(cè)距是在被測(cè)物的上方放置一個(gè)半導(dǎo)體激光器，激光器發(fā)射一束激光，經(jīng)過(guò)匯聚透鏡組照射到被測(cè)表面，因?yàn)樵摫砻娌豢赡芙^對(duì)光滑，所以部分激光會(huì)產(chǎn)生漫反射，由于光電檢測(cè)器前放置一個(gè)透鏡進(jìn)行成像匯聚，被漫反射的部分激光會(huì)在光傳感器上匯聚成一個(gè)光斑，當(dāng)被測(cè)物發(fā)生位移時(shí)，光斑會(huì)隨之移動(dòng)，根據(jù)位移值、入射激光和發(fā)散激光的夾角θ、像距a和物距b等參數(shù)可以求出被測(cè)表面的位移值。

圖3是斜射式激光三角法的光路圖。激光器軸線與被測(cè)表面的法線成一定角度，向被測(cè)物表面發(fā)射一束激光，激光照射點(diǎn)為P，經(jīng)過(guò)漫反射和透鏡Q的匯聚作用，激光在感光芯片上匯聚成一個(gè)光斑，光斑位置為 D。被測(cè)物表面發(fā)生位移后，激光入射角度不變，激光照射物體表面的位置變?yōu)镻′，在感光芯片上匯聚光斑位置隨著物體表面位置改變而改變，此時(shí)的位置為D′。設(shè)P′Q=a;D′Q=b。

圖3 斜射型激光三角法

利用三角形幾何關(guān)系可得

(1)

1.3 舵機(jī)控制模塊

該裝置通過(guò)單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)控制舵機(jī)，舵機(jī)型號(hào)為SG90 9G，工作扭矩為0.156 8 N·m，使用電壓為5 V。該舵機(jī)為模擬舵機(jī)，即需要不斷向舵機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)讓舵機(jī)保持在一個(gè)指定的旋轉(zhuǎn)角度[8]，使車門以安全的角度開啟。

1.4 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊包括兩部分：一是車內(nèi)報(bào)警，蜂鳴報(bào)警器型號(hào)為L(zhǎng)ZQ-3D,工作電壓為3.3 V，用以對(duì)機(jī)動(dòng)車駕駛員進(jìn)行提醒；二是車外報(bào)警，LED警示燈工作電壓為5 V，用以對(duì)其他駕駛員或行人進(jìn)行示警。

1.5 顯示屏與電池模塊

該裝置中利用的顯示屏型號(hào)為L(zhǎng)CM2004A，用以顯示角度傳感器所測(cè)算的車門開啟安全角度；電池型號(hào)為18650的兩節(jié)鋰電池，適用于Arduino GSM移動(dòng)電源，用以為單片機(jī)及整個(gè)裝置提供電能。

2 程序設(shè)計(jì)

圖4是單片機(jī)中的控制流程。首先由安裝在車輛前翼子板的距離傳感器測(cè)算車輛與障礙物之間的距離，將測(cè)算的數(shù)據(jù)反饋到單片機(jī)中，單片機(jī)判斷所測(cè)算的距離是否大于車門最大開啟距離，如果大于，則系統(tǒng)不工作，手動(dòng)開啟車門；如果小于，則單片機(jī)計(jì)算車門所能開啟的最大安全角度，控制安裝在車門合頁(yè)處的角度傳感器與舵機(jī)，將車門開啟到對(duì)應(yīng)安全角度，并在顯示屏上顯示車門所開啟的安全角度。同時(shí)，位于駕駛室內(nèi)的LED燈亮起，進(jìn)行車內(nèi)報(bào)警，安裝于前翼子板處的蜂鳴器報(bào)警，對(duì)其他駕駛員或行人進(jìn)行車外報(bào)警。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

根據(jù)該裝置電路原理圖和工作流程圖，將程序輸入到各部分系統(tǒng)模塊，并焊接組裝，之后對(duì)其調(diào)試。將焊接組裝好的實(shí)物系統(tǒng)安裝在實(shí)踐機(jī)動(dòng)車車門上，分別在車門開啟最大角度內(nèi)外放置障礙物或行人，并調(diào)試超聲波測(cè)距模塊。將手放在機(jī)動(dòng)車前翼子板外側(cè)適當(dāng)距離，觀察舵機(jī)是否能控制車門開啟，開啟角度是否在安全范圍內(nèi)，觀察顯示屏是否顯示正確的車門開啟安全角度，蜂鳴器是否正常對(duì)駕駛員進(jìn)行示警，LED警示燈是否能正常開關(guān)。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析、設(shè)計(jì)，在沒有強(qiáng)制隔離、機(jī)非混行的道路上臨時(shí)停車上下客, 或在狹小空間內(nèi)停車時(shí)，本裝置可以做到有效避免車門開啟與障礙物、行人發(fā)生的碰撞，并具有以下特點(diǎn)：

1)該裝置采用距離傳感器測(cè)算車輛與障礙物之間的距離，角度傳感器與舵機(jī)配合工作控制車門開合角度，當(dāng)車輛附近有障礙物時(shí)，保證車門可以安全開啟，防止因車門開啟角度不當(dāng)，造成車門與其他交通參與者碰撞；

2)該裝置在舵機(jī)控制車門安全開啟的基礎(chǔ)上，同時(shí)增加了聲光示警裝置，車內(nèi)警示提醒駕駛員主動(dòng)控制車門開啟，車外警示提醒其他交通參與者注意避讓，達(dá)到互相警示的效果，從而減少因開車門所產(chǎn)生的事故發(fā)生率；

3)該裝置不需改裝車體，對(duì)車型大小不設(shè)限制，可以安裝在轎車、SUV上，也可以安裝在客貨運(yùn)車輛上，適用范圍廣。