基于人體紅外傳感器的大型車輛盲區(qū)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳嵐 趙竹 吳歡 劉霽霆 曾浩然

作者簡介：陳嵐（1983— ），女，湖南長沙人，講師，碩士；研究方向：智能交通，交通控制，交通工程。

*通信作者：趙竹（1981— ），男，湖南長沙人，副教授，碩士；研究方向：智能交通，網(wǎng)絡(luò)通信，視頻監(jiān)控。

摘要：大型車輛由于車身長、軸距長等特點(diǎn)，導(dǎo)致其在行駛過程中存在嚴(yán)重的視覺盲區(qū)。車身越長，轉(zhuǎn)彎形成的內(nèi)輪差就越大，盲區(qū)也就越大，因此給行車安全帶來巨大的隱患。文章設(shè)計(jì)了一套低成本盲區(qū)預(yù)警系統(tǒng)，采用三級混合報(bào)警系統(tǒng)，將人體紅外傳感器、語音報(bào)警器、地面投影器、聲光報(bào)警器融合，實(shí)現(xiàn)多方位盲區(qū)檢測，達(dá)到“車避人”+“人避車”的效果，很好地解決盲區(qū)問題，大幅提高駕駛的安全性。

關(guān)鍵詞：大型車輛盲區(qū)；三級混合報(bào)警系統(tǒng)；行人檢測

中圖分類號：TP929 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著中國貨運(yùn)行業(yè)的發(fā)展，貨運(yùn)車輛大型化趨勢非常明顯，因車輛盲區(qū)引發(fā)的事故數(shù)不勝數(shù)，特別是雨霧天、夜晚、右轉(zhuǎn)彎等視野欠缺情況下，給行車安全造成極大隱患。因此，設(shè)計(jì)一種大型車輛的盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)對提示交通安全具有重要意義?，F(xiàn)有盲區(qū)檢測系統(tǒng)均采用“車避人”方式防止盲區(qū)交通事故，且存在一定技術(shù)缺陷。本文提出的大型車輛盲區(qū)預(yù)警系統(tǒng)采用“車避人”+“人避車”原理，可以較好地解決這個(gè)問題。

1 車輛盲區(qū)問題分析

據(jù)《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，2020年全國大型車輛擁有量達(dá)到2 281.79萬輛［1］。大型車輛所導(dǎo)致的交通事故也在逐年增加，在涉及車輛發(fā)生的惡性交通事故中，盲區(qū)引發(fā)的事故高達(dá)70%，致死率超過90%［2］。分析可知，事故原因主要有 ：大車司機(jī)的視線存在盲區(qū)導(dǎo)致其未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)盲區(qū)內(nèi)的非機(jī)動(dòng)車、行人；非機(jī)動(dòng)車及行人對大型車輛右轉(zhuǎn)盲區(qū)范圍判斷有誤造成的誤入；大型車司機(jī)駕車過程中的車速過快及疏忽大意問題。

大型車輛在右轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)輪差導(dǎo)致巨大的視覺盲區(qū)。內(nèi)輪差是在車輛轉(zhuǎn)彎過程中前后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑的差值，與車長、輪距、最小轉(zhuǎn)彎半徑3個(gè)因素有關(guān)［3］。根據(jù)內(nèi)輪差模型（見圖1），A、B、C、D為4個(gè)輪的行駛軌跡。

半掛式貨車內(nèi)輪差的計(jì)算推導(dǎo)：

abo為直角三角形，oa為車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑，ab=cd為軸距，根據(jù)勾股定理可得：

c和d與o點(diǎn)形成直角三角形，勾股定理得出OD的數(shù)據(jù)。即：

式中：j為牽引銷與牽引車后軸的距離; r為牽引銷的運(yùn)動(dòng)半徑; c為掛車內(nèi)側(cè)后輪中心線的運(yùn)動(dòng)半徑; n′為半掛車輛的內(nèi)輪差（單位均為m）。

非掛式貨車內(nèi)輪差計(jì)算公式：

其中d1表示前輪的外輪的弧度半徑，d2表示內(nèi)輪的弧度半徑，d1d2表示兩輪弧度半徑的比值。

以重型貨車、公交車和半掛汽車列車為例，分別計(jì)算沿特定半徑道路中心線轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)輪差。其中車型分別選取一汽平頭柴油自卸汽車CA3071P9K2AE、宇通公交車ZK6891HG和一汽半掛牽引車CA4260P66K2T1A作為代表。計(jì)算后的內(nèi)輪差范圍大小如表1所示。

根據(jù)以上結(jié)果 ，半掛車的寬度為2.5 m，車道寬度為3.5 m，當(dāng)半掛車沿著25 m半徑圓弧轉(zhuǎn)彎時(shí)，所產(chǎn)生的內(nèi)輪差極易侵入內(nèi)側(cè)的車道，而行人與非機(jī)動(dòng)車很難準(zhǔn)確判斷自身是否進(jìn)入大型車右轉(zhuǎn)盲區(qū)。

對此交警部門做出很多處理方式，如針對右轉(zhuǎn)內(nèi)輪差盲區(qū)提出的右轉(zhuǎn)必停標(biāo)志、右轉(zhuǎn)危險(xiǎn)區(qū)域提示、雷視一體機(jī)路口監(jiān)測等。這些措施能夠一定程度上減少事故發(fā)生，但都存在一定的缺陷。

“右轉(zhuǎn)必停標(biāo)志”是交警部門針對盲區(qū)問題做出的相關(guān)法規(guī)［4］，要求所有大型車輛駕駛員右轉(zhuǎn)必停，即車輛在路口右轉(zhuǎn)或者行經(jīng)右轉(zhuǎn)渠化匝道時(shí)，自覺停到兩米線外進(jìn)行觀望，在滿足道路安全情況下，才能進(jìn)行右轉(zhuǎn)通行。這讓大型車輛因右轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致的事故大幅下降。但其背后也有缺點(diǎn)，如不斷啟停會增加油耗、駕駛員不可能同時(shí)進(jìn)行前、左、右盲區(qū)的觀察、停車后不能避免還會有人進(jìn)入盲區(qū)。

“右轉(zhuǎn)危險(xiǎn)區(qū)域提示”使用紅色油漆將內(nèi)輪差盲區(qū)漆紅，變成一個(gè)醒目的區(qū)域警示非機(jī)動(dòng)車和行人，達(dá)到自覺避開“右轉(zhuǎn)危險(xiǎn)區(qū)”的效果。同時(shí)也存在一定的缺陷，如無法避免行人、非機(jī)動(dòng)車不守交通規(guī)則，駕駛員在危險(xiǎn)區(qū)域前沒有停車眺望直接駛過等危險(xiǎn)。

除此之外，市面上還有針對盲區(qū)研發(fā)的技術(shù)解決方案，常見的有雷達(dá)、360°車輛全景影視、渣土車主動(dòng)剎車系統(tǒng)等，也都存在一定缺陷。

雷達(dá)：探測聲波存在太窄的現(xiàn)象，障礙物一旦偏離雷達(dá)探頭的正對角度時(shí)，多數(shù)存在較大的探測盲區(qū)，對管狀、錐狀等特殊障礙物存在較多的死角。因車輛行駛過程中的環(huán)境十分復(fù)雜以及各種極端天氣的影響，導(dǎo)致雷達(dá)對障礙物的識別存在一定的誤差概率。

智能車載360度全景環(huán)視系統(tǒng)：通過視頻監(jiān)控提醒大型車輛駕駛?cè)俗⒁獗荛_行人，而大型車輛駕駛?cè)擞袝r(shí)不會及時(shí)地注意觀察監(jiān)控屏，所以解決盲區(qū)的能力較弱。

渣土車盲區(qū)主動(dòng)剎車系統(tǒng)：只有在車速15 km/h以下才會自動(dòng)觸發(fā)。

以上大貨車盲區(qū)問題的方式都是從駕駛員的方面去考慮，以達(dá)到“車避人”效果。目前，針對進(jìn)入盲區(qū)的非機(jī)動(dòng)車、行人主動(dòng)提醒等方面還處于技術(shù)空缺階段。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的系統(tǒng)是專門針對大型車輛盲區(qū)以及內(nèi)輪差這一危險(xiǎn)地帶的解決方案，系統(tǒng)的檢測單元與警示單元通過信息傳播媒介（微處理器）進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)檢測與報(bào)警功能。主要核心部件為人體紅外傳感器、語音報(bào)警器、聲光報(bào)警器、地面投影器。STM32單片機(jī)運(yùn)行三級混合報(bào)警系統(tǒng)做出決策，當(dāng)行人進(jìn)入設(shè)定的預(yù)警區(qū)域時(shí)，觸發(fā)三級混合報(bào)警系統(tǒng)對行人以及駕駛員進(jìn)行預(yù)警。報(bào)警單元內(nèi)的地面投影儀、聲光報(bào)警器以及語音播報(bào)器可以單獨(dú)使用，也可以混合報(bào)警，既可以自動(dòng)調(diào)試，也可以手動(dòng)操作。達(dá)到“車避人”+“人避車”的效果。

2.1 設(shè)備選取及安裝

2.1.1 人體紅外傳感器安裝

大型車輛因A柱及車身遮擋產(chǎn)生多個(gè)盲區(qū)，為解決這些盲區(qū)問題，布置2顆人體紅外傳感器于車前保險(xiǎn)杠后。針對轉(zhuǎn)彎盲區(qū)，布置2顆人體紅外傳感器于駕駛艙間橫梁處。人體紅外傳感器最遠(yuǎn)的探測距離約為12 m，探測角度為錐角120°～180°可調(diào)。通過4顆人體紅外傳感器覆蓋車身，達(dá)到監(jiān)測目的，如圖2所示。安裝過程采用卡接式，探頭部位朝外。具體傳感器數(shù)量依據(jù)盲區(qū)大小進(jìn)行配置。

2.1.2 地面投影儀安裝

大貨車的內(nèi)輪差通?？蛇_(dá)1.5～2 m，投影儀投射距離約為6 m。經(jīng)過大量測試，采用鈍角三角形的投射方式，將投影器安裝至內(nèi)輪差的頭部（前轉(zhuǎn)向輪附近），離地0.8～1.2 m，安裝角度與車身成15°夾角斜向下，達(dá)到警示盲區(qū)效果。

2.1.3 語音播報(bào)器安裝

距離每增加1倍時(shí)，聲壓會減少6 dB。通過測試，語音播報(bào)器的分貝為120 dB，街道環(huán)境聲音為70 dB左右，因此在內(nèi)輪差盲區(qū)的起點(diǎn)，高度為1.8 m處安裝語音播報(bào)器可以更好使警報(bào)傳播到人耳。

2.1.4 聲光報(bào)警器安裝

為引起非機(jī)動(dòng)車、行人注意，警報(bào)器通過安裝至車頂處。在緊急情況下發(fā)出警報(bào)聲，不斷閃爍強(qiáng)光，提醒盲區(qū)內(nèi)的非機(jī)動(dòng)車、行人迅速退出盲區(qū)，避免事故發(fā)生。

2.1.5 微處理單元安裝

微處理單元是本系統(tǒng)最重要的部件，為避免暴曬、潮濕等危害，須進(jìn)行特殊的安裝保護(hù)，安裝在駕駛室中控臺內(nèi)，根據(jù)情況找到固定點(diǎn)，并固定牢固。

2.2 系統(tǒng)功能分析

2.2.1 監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)由人體紅外傳感器負(fù)責(zé)［5］。通過紅外傳感器的探頭探測人體體溫恒定所釋放的紅外線，人體紅外傳感器所連接的電路通過對電荷進(jìn)行檢測就能識別是否有人在此區(qū)域，從而達(dá)到探測盲區(qū)的效果。

2.2.2 報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)監(jiān)測單元感應(yīng)到車輛盲區(qū)內(nèi)有人，則將信息傳輸至微處理單元。微處理單元經(jīng)過對監(jiān)測單元信息的采集及處理，進(jìn)而發(fā)送指令控制警示單元中的聲光報(bào)警器、語音報(bào)警器和地面投影器進(jìn)行大型車輛盲區(qū)預(yù)警提示。具體工作方式為：地面投影器投影出車輛盲區(qū)的范圍，并標(biāo)注字體“車輛盲區(qū)，請注意避讓！”；聲光報(bào)警器進(jìn)行紅、綠、藍(lán)燈光的交替閃爍，聲光報(bào)警器結(jié)合語音警報(bào)器，在車內(nèi)外進(jìn)行燈光交替閃爍的同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲警示周圍非機(jī)動(dòng)車與行人。

2.2.3 決策系統(tǒng)

決策系統(tǒng)由三級混合報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行判斷。將語音報(bào)警器、聲光報(bào)警器、地面投影器，結(jié)合多傳感融合技術(shù)進(jìn)行處理。進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)合報(bào)警器可調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)的三級報(bào)警方案，分別對應(yīng)的音量分貝、報(bào)警頻率均不相同，如圖3所示。

通過監(jiān)測系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、決策系統(tǒng)三大系統(tǒng)結(jié)合對大型車輛盲區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)保護(hù)，達(dá)到“車避人”+“人避車”雙重保障效果。

3 結(jié)語

本文提出的大型車輛智能盲區(qū)預(yù)警系統(tǒng)利用人體紅外傳感器、語音報(bào)警器、聲光報(bào)警器、地面投影器高靈敏度傳感器組合，實(shí)現(xiàn)多方位盲區(qū)檢測，達(dá)到“人避車”+“車避人”效果。通過產(chǎn)品的測試以及逐步投入市場，使用效果證明該系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、成本低的優(yōu)勢，適用于各類大型車輛，可以很好地解決大型車輛的盲區(qū)安全問題。

參考文獻(xiàn)

［1］交通運(yùn)輸部.2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［J］.交通財(cái)會，2021（6）：92-97.

［2］劉啟明.基于車輛碰撞事故反求的腦損傷評價(jià)研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2018.

［3］徐令選.大型車右轉(zhuǎn)盲區(qū)形成機(jī)理及防治措施研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017.

［4］交宣.創(chuàng)新管理措施防范大貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)致禍［J］.道路交通管理，2021（10）：14-16.

［5］周湘峻.熱釋電人體紅外傳感器及其應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1994（4）：45-46.

（編輯 傅金睿）

Abstract： Large vehicles due to the long body， wheelbase and other characteristics， resulting in serious visual blind spots in the driving process. The longer the vehicle body is， the larger the inner wheel difference formed by turning， and the larger the blind spot is， thus posing a huge hidden danger to driving safety. This paper designs a low-cost blind zone warning system， using a three-stage hybrid alarm system， integrating human infrared sensors， voice alarms， ground projectors， and audio and visual alarms to achieve multi-directional blind zone detection， achieving the effect of “car avoiding people” + “people avoiding cars”. Effect， a good solution to the blind spot problem， significantly improve the safety of driving.

Key words： blind zone of large vehicles; three-level hybrid alarm system; pedestrian detection