張皓天 趙呈呈

摘 要：大型車輛由于自身車長，軸距長等特點在轉(zhuǎn)彎過程中前輪與后輪軌跡不重合，形成“內(nèi)輪差”區(qū)域。大型車輛發(fā)生的惡性交通事故中，由于“內(nèi)輪差”引發(fā)的事故占70%以上。針對大型車輛轉(zhuǎn)彎視覺盲區(qū)“內(nèi)輪差”問題，本設計提出一套大型車輛內(nèi)輪差危險區(qū)域雙向示警系統(tǒng)的設計方案。整個系統(tǒng)模擬真實車輛轉(zhuǎn)向過程。主控模塊采用STM32進行控制，通過連接電路、實驗調(diào)試后，該系統(tǒng)可以模擬真實車輛轉(zhuǎn)向過程，并計算“內(nèi)輪差”危險區(qū)域，進行相關雙向聲光示警，能夠達到預期目標，對有效減少大型車輛“內(nèi)輪差”事故的發(fā)生提供解決方案。

關鍵詞：交通事故；內(nèi)輪差危險區(qū)域；STM32；雙向聲光示警

0 引言

大型車輛造成的交通事故往往造成更嚴重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，致死率也遠遠高于小型家用轎車。大型車輛由于其底盤高、車身長、軸距長等特點，存在著諸多盲區(qū)，大型車輛司機在駕駛過程中，即使借助車上的后視鏡進行觀察，也無法完全兼顧到車身四周情況[1]。而在大型車輛轉(zhuǎn)彎時，兩側(cè)的盲區(qū)會加大，車輛前輪轉(zhuǎn)彎駛過一個圓弧，車輛后輪駛過另一個圓弧，兩個圓弧不重合，形成了側(cè)方向的視野盲區(qū)，兩輪轉(zhuǎn)向中的相差的距離就是“內(nèi)輪差”，影響“內(nèi)輪差”大小的因素有很多，其中車長（軸距）、軸間距、轉(zhuǎn)向角影響最大[1]。我們不難想象，車輛越長，轉(zhuǎn)彎時前輪與后輪的軌跡相差就越大，同樣軸間距越大，內(nèi)輪差也越大。有資料表明，大型車輛的交通事故中，70%以上是由“內(nèi)輪差”引起的，死亡率更是高達90%以上[4]。因此，這個內(nèi)輪差區(qū)域地區(qū)也被稱為“死亡彎月”。所以從技術手段有效減少大型車輛內(nèi)輪差事故的發(fā)生是必要且有實際意義的[2-3]。

內(nèi)輪差區(qū)域示意圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 內(nèi)輪差區(qū)域計算方法

建立車輛內(nèi)輪差模型首先需要明確內(nèi)輪差定義，內(nèi)輪差是車輛轉(zhuǎn)向過程中，前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑減去后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑的差值[5]，而內(nèi)輪差區(qū)域則是兩輪轉(zhuǎn)向過程中前內(nèi)輪與后內(nèi)輪不重合所形成的區(qū)域。內(nèi)輪差的大小主要與以下三個因素有關。

● 車長：即整車的軸距，前軸與后軸的距離。

● 車寬：即前軸或后軸的軸間距。

● 轉(zhuǎn)彎半徑：由車輛轉(zhuǎn)彎時所形成的前輪后輪不同的轉(zhuǎn)彎半徑。

給出計算車輛內(nèi)輪差系統(tǒng)簡化模型，并標明所需參數(shù)。l為車長、前輪與后輪的軸距，d為車身寬度，前軸軸間距，OCOEOBOF、、、分別為四個輪的轉(zhuǎn)彎半徑。未說明參數(shù)后續(xù)計算中會另作說明。汽車轉(zhuǎn)向模型圖如圖2所示。

內(nèi)輪差計算推導步驟如下：

由公式可以看出，內(nèi)輪差大小與車長（軸距）、車寬（同軸間距）、轉(zhuǎn)彎半徑（轉(zhuǎn)向角）有關，三個因素均與內(nèi)輪差的大小成正相關。

計算圓弧面積即可得出內(nèi)輪差區(qū)域面積。

1.2 本系統(tǒng)設計方案

本設計包括STM32單片機主控模塊、角度信息反饋模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊以及輔助演示模塊。聲光報警模塊又分為蜂鳴器模塊和激光投射模塊，輔助演示模塊為紅外循跡模塊。整個系統(tǒng)模擬了真實車輛轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)輪差區(qū)的檢測與報警。在車輛轉(zhuǎn)向過程中，角度信息反饋模塊檢測車輛轉(zhuǎn)彎信息，主控模塊經(jīng)計算后控制舵機精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進行相關示警。

總體的設計方案如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件部分設計主要由STM32主控模塊、超聲波測距模塊、示警模塊和輔助演示模塊構成。

2.1 ST M32主控模塊

相對于大學階段接觸較多的51系列芯片，STM32系列芯片引腳更多，功能更全面，也更便于開發(fā)，本次設計采用STM32F103RCT6作為主控芯片，外部連接聲光報警模塊、超聲波測控模塊，并配置紅外循跡模塊。其引腳圖如4所示。

主控模塊控制外部連接聲光報警模塊、超聲波測控模塊，并配置紅外循跡模塊。

2.2 超聲波測距模塊

超聲波測距傳感器采用HC-RS04[6]。內(nèi)部電路圖如圖5所示。

超聲波有四個引腳，分別為供電電壓為5 V的VCC電源引腳，GND接地線，TR觸發(fā)控制信號輸入，EC回響信號輸出，其引腳電路圖如圖6所示。

超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)測量距離作用的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)判斷距離內(nèi)是否有障礙物功能[7]。本設計中超聲波測距傳感器主要檢測內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)是否有障礙物存在，若存在障礙物則將信息傳遞給主控模塊，進行下一步聲光報警系統(tǒng)。

2.3 示警模塊

示警模塊包括兩部分：聲音報警模塊與激光投射模塊，合稱聲光報警模塊。

2.3.1 聲音示警模塊

聲音示警模塊采用簡單蜂鳴器即可，此系統(tǒng)中其工作原理為主控芯片接收到超聲波測距反饋信息，若判斷有障礙物存在，則啟動蜂鳴器驅(qū)動電路，進行聲音示警功能。其電路圖如圖7所示。

2.3.2 激光投射模塊

經(jīng)過選型比較，激光投射模塊選擇RUILIPU（瑞利普）激光霧燈，由主控模塊進行控制，根據(jù)計算結(jié)果投射內(nèi)輪差區(qū)域。激光投射模塊實物效果圖如圖8所示。

2.4 輔助展示模塊

輔助展示模塊為紅外循跡模塊，作用為更好實現(xiàn)控制車輛轉(zhuǎn)向角度。

為有效控制車輛轉(zhuǎn)向角度，方便直觀體現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向過程中的內(nèi)輪差區(qū)域，也為配合本系統(tǒng)設計要求，為模型小車設計了紅外循跡模塊功能。

紅外傳感器選擇兩個ST188，其采用高發(fā)射率紅外光電二極管和高靈敏的光電晶體管組成。

其電路圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件主程序設計

主程序程序設計是系統(tǒng)的整體軟件思路設計，上電系統(tǒng)初始化，小車正常循跡，檢測車輛是否轉(zhuǎn)彎，檢測到轉(zhuǎn)彎則開始計算內(nèi)輪差區(qū)域，將計算結(jié)果反饋給主控模塊，主控模塊向超聲波模塊發(fā)送指令檢測內(nèi)輪差內(nèi)是否有障礙物，有障礙物則進行聲光示警。沒有則小車正常循跡，直至有轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)。主程序軟件設計流程圖如圖10所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

本次硬件調(diào)試主要先對先各個部分分別進行功能調(diào)試，然后對整體進行調(diào)試。對內(nèi)輪差區(qū)域有無物體分別進行調(diào)試、對循跡模塊進行調(diào)試。循跡功能模塊如圖11所示。

內(nèi)輪差有無物體調(diào)試圖如圖12所示。

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要是對各個程序之間連接問題以及計算處理問題進行調(diào)試。將程序下載到微控制器里，配合硬件調(diào)試一同進行。結(jié)果顯示軟件程序部分沒有問題。

5 結(jié)語

大型車輛交通事故頻頻發(fā)生，而由于內(nèi)輪差造成的交通事故又占多數(shù)，針對大型車輛轉(zhuǎn)彎視覺盲區(qū)“內(nèi)輪差”問題，設計一套大型車輛內(nèi)輪差危險區(qū)域雙向示警系統(tǒng)。設計出能夠模擬大型車輛轉(zhuǎn)彎的模型實物，整個系統(tǒng)設計模擬真實車輛轉(zhuǎn)向過程中內(nèi)輪差區(qū)域的檢測與示警。在車輛轉(zhuǎn)向過程中，角度信息測量模塊檢測車輛轉(zhuǎn)彎信息，主控模塊采用STM32進行控制，經(jīng)計算后控制投射裝置精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進行司機與行人雙向示警。

通過方案設計、器件選型、硬件與軟件的設計與調(diào)試，最終完成制作，實現(xiàn)了預期目標，能夠針對車輛內(nèi)輪差區(qū)域進行相關示警操作。檢測到內(nèi)輪差區(qū)域有障礙物時，聲光同提示示司機與行人，為真實大型車輛減少內(nèi)輪差事故提供解決方案。

參考文獻：

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