基于測(cè)距傳感器的汽車右轉(zhuǎn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡慶輝，孫清巍，陳元勇，王于娟，高 揚(yáng)

基于測(cè)距傳感器的汽車右轉(zhuǎn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡慶輝，孫清巍，陳元勇*，王于娟，高 揚(yáng)

（泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 泰安 271000）

為解決汽車右轉(zhuǎn)過(guò)程中，右側(cè)非機(jī)動(dòng)車道視野不足的問(wèn)題，文章提出在汽車前部安裝測(cè)距傳感器的方案加以解決。當(dāng)右轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟，或方向盤右轉(zhuǎn)超過(guò)限定角度時(shí)，傳感器開(kāi)始工作，測(cè)量右側(cè)行人相對(duì)汽車位置、前進(jìn)速度、前進(jìn)方向，并與汽車運(yùn)行軌跡比對(duì)，計(jì)算出可能的碰撞時(shí)間及碰撞點(diǎn)，反映到中控屏上，以提醒駕駛員進(jìn)行相關(guān)操作。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)汽車右轉(zhuǎn)向20°/40°時(shí)，容易對(duì)非機(jī)動(dòng)車道產(chǎn)生誤判，本系統(tǒng)通過(guò)圖像和聲音對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒，避免交通事故。

右轉(zhuǎn)輔助系統(tǒng)；測(cè)距傳感器；碰撞點(diǎn)；碰撞時(shí)間

隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程加速，汽車的保有量越來(lái)越大，而電動(dòng)自行車具有續(xù)航里程長(zhǎng)、體積小，形式靈活等特點(diǎn)，尤其在上下班高峰期，其通勤時(shí)間比汽車更有優(yōu)勢(shì)。然而由于汽車、電動(dòng)自行車特點(diǎn)及道路建設(shè)等問(wèn)題，汽車與電動(dòng)自行車之間的交通事故數(shù)量一直居高不下，2021年中國(guó)非機(jī)動(dòng)車交通事故發(fā)生數(shù)量為29 969起，同比上升3.2%[1]。因?yàn)殡妱?dòng)自行車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且防護(hù)較差，每年因交通事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)中，汽車、摩托車等機(jī)動(dòng)車輛導(dǎo)致死亡人數(shù)均有下降，唯有非機(jī)動(dòng)車輛造成的死亡和受傷人數(shù)同比上升[1]。尤其是在汽車右轉(zhuǎn)過(guò)程中，與右側(cè)直行電動(dòng)自行車發(fā)生碰撞的概率明顯高于其他情形，其主要原因是在汽車右轉(zhuǎn)過(guò)程中，視野不充分，無(wú)法判斷電動(dòng)自行車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是在機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車道間存在綠化帶時(shí)，此問(wèn)題更加突出。

針對(duì)以上問(wèn)題，文章以測(cè)距傳感器為主要工作元件，在車輛右轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)對(duì)車輛右側(cè)行人及非機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與機(jī)動(dòng)車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出可能的碰撞時(shí)間及碰撞點(diǎn)，提醒駕駛員控制車輛行駛狀態(tài)，以達(dá)到避免交通事故的目的。

近年新能源汽車發(fā)展迅速，自動(dòng)駕駛技術(shù)方興未艾。關(guān)于汽車輔助駕駛系統(tǒng)的研究較多，其中吉林大學(xué)楊碩[2]進(jìn)行了線控汽車制動(dòng)換道系統(tǒng)研究；湖南大學(xué)曾瑋攀[3]進(jìn)行了轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)控制研究；邊寧等[4]進(jìn)行了半自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)研究，但是本文提出的輔助系統(tǒng)更注重?fù)頂D道路下右轉(zhuǎn)低速大轉(zhuǎn)角時(shí)的行車安全，其傳感器探測(cè)距離更長(zhǎng)，且監(jiān)測(cè)對(duì)象更具有針對(duì)性，同時(shí)可以作為擁擠道路下汽車駕駛的重要輔助系統(tǒng)。

1 汽車右轉(zhuǎn)視野變化過(guò)程

在汽車行車過(guò)程中，充足的視野是保證行車安全的必要條件。對(duì)于大部分車輛來(lái)講，前行視野得以充足保障，但車輛兩側(cè)及后方視野需要借助后視鏡來(lái)完成，其可以保證駕駛員在座位上直接獲取汽車后方、側(cè)方和下方等外部視野，保證行車安全可靠。然而由于結(jié)構(gòu)限制，后視鏡視野不可能完全覆蓋車身周邊，看不到的地方為視野盲區(qū)。對(duì)一般家庭乘用車而言，右側(cè)視野盲區(qū)（見(jiàn)圖1），主要包括左右A柱盲區(qū)以及左右后視鏡與B柱復(fù)合盲區(qū)。本研究只關(guān)注右側(cè)盲區(qū)在車輛右轉(zhuǎn)過(guò)程中問(wèn)題。

圖1的汽車在最右側(cè)車道行駛，車道寬度為2.5 m，其中C車道為非機(jī)動(dòng)車道（或綠化帶），寬度為2 m，D車道為有綠化帶情況下的非機(jī)動(dòng)車道，寬度為2 m。車輛右側(cè)盲區(qū)分別為A柱盲區(qū)和B柱與后視鏡盲區(qū)，其中A柱盲區(qū)在車輛右轉(zhuǎn)過(guò)程中，造成影響較小，本文主要研究B柱與后視鏡盲區(qū)在車輛右轉(zhuǎn)過(guò)程中所造成的影響。一般小汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑為6 m，但右轉(zhuǎn)過(guò)程中，大部分情況不會(huì)用到最小轉(zhuǎn)彎半徑，以常用轉(zhuǎn)彎半徑10 m為例進(jìn)行研究。B柱與后視鏡盲區(qū)并不是完全看不到，但是需要駕駛員大角度扭頭，在這種情況下，如果后排有乘客，通過(guò)后排車窗看到的視野很難保證，而且忽略了前進(jìn)視野，很容易造成交通事故。同時(shí)大多數(shù)駕駛員并沒(méi)有右轉(zhuǎn)向后扭頭看車況的習(xí)慣，因此，可以理解為完全盲區(qū)。A柱盲區(qū)和B柱與后視鏡盲區(qū)之間的視野理論上也不能充足保證，因?yàn)楦瘪{一旦有乘客，會(huì)影響通過(guò)車窗觀察車況的視野，本研究中理解為完全視野。而實(shí)際情況下，能完全保證的只有后視鏡視野。

注：填充線區(qū)域?yàn)楸狙芯康囊曇懊^(qū)。

為研究右轉(zhuǎn)向過(guò)程中視野盲區(qū)與非機(jī)動(dòng)車道關(guān)系，現(xiàn)在圖1數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行右轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)10°采集一次數(shù)據(jù)，其過(guò)程如圖2－圖5所示。

圖2 0°和10°右轉(zhuǎn)視野變化

由圖2－圖5可知，汽車右轉(zhuǎn)時(shí)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是隨著汽車右轉(zhuǎn)，汽車與非機(jī)動(dòng)車道的視野盲區(qū)范圍逐漸變大，至轉(zhuǎn)向結(jié)束，盲區(qū)基本保持；二是隨著汽車右轉(zhuǎn)角度增大，汽車單位時(shí)間內(nèi)在非機(jī)動(dòng)車道的探出速度不斷增加，直至轉(zhuǎn)向結(jié)束。

圖3 20°和30°右轉(zhuǎn)視野變化

圖4 40°和50°右轉(zhuǎn)視野變化

圖5 60°和70°右轉(zhuǎn)視野變化

若C車道是非機(jī)動(dòng)車道，當(dāng)汽車右轉(zhuǎn)20°時(shí)，此時(shí)盲區(qū)最大，基本所有非機(jī)動(dòng)車道來(lái)車都看不到。加之此時(shí)只有車頭一小部分露出非機(jī)動(dòng)車道，容易給非機(jī)動(dòng)車輛駕駛員造成可以過(guò)去的錯(cuò)覺(jué)，因此，非常容易發(fā)生交通事故。當(dāng)右轉(zhuǎn)30°時(shí)，盲區(qū)依舊較大，但車身已占據(jù)半個(gè)非機(jī)動(dòng)車道，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為安全。右轉(zhuǎn)40°時(shí)，車身已占據(jù)全部非機(jī)動(dòng)車道，基本不會(huì)發(fā)生交通事故。但因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)需要時(shí)間，且右轉(zhuǎn)汽車探出速度逐步加快，因此，在右轉(zhuǎn)角20°時(shí)發(fā)生誤判，至發(fā)生交通事故時(shí)可能已右轉(zhuǎn)至30°或40°區(qū)間。

若D車道是非機(jī)動(dòng)車道，右轉(zhuǎn)至40°時(shí)，汽車車頭才有一小部分探出，且此時(shí)已能看清離車輛較近的區(qū)域，但較遠(yuǎn)的區(qū)域看不到，因此，此時(shí)非常容易引發(fā)交通事故。右轉(zhuǎn)50°時(shí)，車身已占據(jù)半個(gè)非機(jī)動(dòng)車道，相對(duì)來(lái)說(shuō)安全。右轉(zhuǎn)60°時(shí)，車身已占據(jù)全部非機(jī)動(dòng)車道，基本不會(huì)發(fā)生交通事故。同理，若在右轉(zhuǎn)40°時(shí)發(fā)生誤判，至發(fā)生交通事故時(shí)可能已右轉(zhuǎn)至50°或60°區(qū)間。

2 右轉(zhuǎn)輔助系統(tǒng)的組成部分

此系統(tǒng)采用測(cè)距傳感器采集非機(jī)動(dòng)車道行人及非機(jī)動(dòng)車駕駛員的動(dòng)態(tài)信息。通過(guò)短時(shí)間多次信息采集模擬行人及非機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)軌跡，然后與車輛位置進(jìn)行比較，判斷可能的碰撞時(shí)間及碰撞點(diǎn)。最后采取畫(huà)面、聲音等報(bào)警方式提醒駕駛員。

2.1 紅外測(cè)距方法

國(guó)內(nèi)對(duì)測(cè)距的種類和方法研究較多，尤其是紅外測(cè)距傳感器，其主要測(cè)距方法有脈沖式測(cè)距、相位差式測(cè)距、干涉式測(cè)距、三角式測(cè)距[5]。紅外測(cè)距在具備被動(dòng)測(cè)距[6]（定位）的同時(shí)，又可以測(cè)量溫度（分辨），近年在國(guó)內(nèi)研究較多[7-10]，技術(shù)較為成熟，故本文選紅外測(cè)距。

2.2 紅外傳感器安裝位置

為了確保在大多數(shù)情況都能采集到人員信息，紅外傳感器需一處有利的安裝位置，從車輛的前后及高低兩個(gè)維度來(lái)衡量，以便可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)右側(cè)行人及非機(jī)動(dòng)車輛。傳感器前后位置以靠前為最佳，可以第一時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)；為應(yīng)對(duì)有綠化帶時(shí)的情況，傳感器安裝需要一定的離地高度。綜合考量，在不改變車輛結(jié)構(gòu)的情況下，安裝在右側(cè)后視鏡下方，此位置比較靠前且有一定離地高度。

2.3 軌跡擬合

軌跡擬合分為右側(cè)行人及非機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)軌跡，車輛運(yùn)動(dòng)軌跡兩部分。對(duì)于右側(cè)行人及非機(jī)動(dòng)車來(lái)講，通過(guò)短時(shí)間內(nèi)多次信息采集就可以完成軌跡擬合；而車輛相對(duì)行人及非機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)軌跡[11]，可以根據(jù)行人及非機(jī)動(dòng)車相對(duì)車輛轉(zhuǎn)動(dòng)角度反向確定，在中控屏上顯示符合人眼視覺(jué)的畫(huà)面。

3 工作策略

3.1 控制方式

當(dāng)右轉(zhuǎn)向燈開(kāi)啟，或方向盤右轉(zhuǎn)超過(guò)限定角度時(shí)，本系統(tǒng)開(kāi)始工作，對(duì)右側(cè)行人及非機(jī)動(dòng)車進(jìn)行檢測(cè)并預(yù)警。

3.2 預(yù)警方式

根據(jù)行人及非機(jī)動(dòng)車與車輛之間的軌跡、距離和行車速度，判斷可能碰撞點(diǎn)及所需時(shí)間，顯示在中控屏上，并加以警示（方法包括圖像和聲音）。

3.3 預(yù)警策略

碰撞預(yù)警分為距離大于10 m、大于5 m小于10 m和小于5 m三個(gè)階段，系統(tǒng)工作及預(yù)警界面示意如圖6所示。

注：黑點(diǎn)代表行人或電動(dòng)自行車，虛線內(nèi)為盲區(qū)，虛線外為可視區(qū)域。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析汽車右轉(zhuǎn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在右轉(zhuǎn)過(guò)程中，視野盲區(qū)基本保持，并在右轉(zhuǎn)向20°/40°時(shí)容易對(duì)非機(jī)動(dòng)車道產(chǎn)生誤判，發(fā)生交通事故。針對(duì)這一潛在危險(xiǎn)，提出利用紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)右側(cè)行人及非機(jī)動(dòng)車輛位置，同時(shí)確定傳感器安裝位置和控制策略，并將計(jì)算結(jié)果顯示到車內(nèi)顯示器上，利用圖像和聲音對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒，從而避免交通事故。

[1] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.2021年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2021.

[2] 楊碩.基于個(gè)性化駕駛員設(shè)計(jì)的線控汽車自動(dòng)換道系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2020.

[3] 曾瑋攀.基于人機(jī)共駕的轉(zhuǎn)向輔助系統(tǒng)控制研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2019.

[4] 邊寧,趙保華,賴鋒,等.基于高速公路的半自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào), 2017(2):149-156.

[5] 彭偉.相位差式紅外測(cè)距傳感器的研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué),2017.

[6] 王少白,宋璐.紅外雙波段被動(dòng)測(cè)距技術(shù)研究[J].河南科技,2023,42(6):14-17.

[7] 蘇旭.具有距離自動(dòng)修正的紅外溫度監(jiān)測(cè)儀的研究與實(shí)現(xiàn)[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古大學(xué),2017.

[8] 楊欣.人體紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].銀川:寧夏大學(xué), 2021.

[9] 周潤(rùn).基于EIman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙波段紅外目標(biāo)被動(dòng)測(cè)距方法研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué), 2021.

[10] 莫然.高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2020.

[11] 馮來(lái)春.基于引導(dǎo)域的參數(shù)化RRT無(wú)人駕駛車輛運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2017.

Design of Vehicle Right Turn Auxiliary System Based on Distance Sensor

HU Qinghui, SUN Qingwei, CHEN Yuanyong*, WANG Yujuan, GAO Yang

( Taishan Vocational and Technical College, Taian 271000, China )

In order to solve the problem of insufficient vision of the right non-motorized lane in the process of right turning, this paper proposes to install the ranging sensor in the front of the car to solve the problem. When the right turn signal is turned on, or the steering wheel turns right beyond the limit angle, the sensor starts to work, measure the position of the right pedestrian relative to the vehicle, forward speed, forward direction, and compare with the vehicle running track, calculate the possible collision time and collision point, and reflect on the center control screen to remind the driver to perform relevant operations. After research, it is found that when the vehicle turns to the right of 20°/40°, it is easy to misjudge the non-motorized lane. The system reminds the driver by image and sound to avoid traffic accidents.

Right turn auxiliary system;Distance sensor;Collision point;Collision time

U463.99

A

1671-7988(2023)20-26-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.006

胡慶輝（1986－），男，碩士，講師，研究方向?yàn)槠噾?yīng)用技術(shù)，E-mail:guyueguangda@126.com。

陳元勇（1972－），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)槠囯娍丶夹g(shù)，E-mail:13561787822@163.com。

泰山職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年度科技和人文社科課題（2021KY04）。