◇江蘇大學(xué)無(wú)錫機(jī)電學(xué)院 周付俊

為了減少盲人等人群交通事故問(wèn)題，有必要借助便攜式預(yù)警裝置來(lái)監(jiān)測(cè)，報(bào)警來(lái)提示盲人等人群。本文依據(jù)超聲波測(cè)距原理、激光測(cè)距原理，利用Arduino、Proteus等軟件，開發(fā)了基于超聲波測(cè)距和激光測(cè)距的便攜式防撞預(yù)警裝置，該裝置能夠有效減少此類事故的概率。

安全預(yù)警器是一種防止高速行駛中車輛連環(huán)追尾碰撞事故發(fā)生的全自動(dòng)報(bào)警裝置。該裝置主要由加速度傳感器和無(wú)線電收發(fā)裝置構(gòu)成。當(dāng)車輛高速行駛過(guò)程中遇到危險(xiǎn)情況采取緊急制動(dòng)或者發(fā)生碰撞事故的一瞬間，預(yù)警器自動(dòng)檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)無(wú)線電收發(fā)裝置，以光速向其尾隨（周邊）1.5公里范圍內(nèi)的其他車輛發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，提醒其他駕駛員高度警惕，盡快采取主動(dòng)性防范措施，遏制連環(huán)追尾碰撞事故發(fā)生。

基于類似的需求目的以及我國(guó)老齡化的國(guó)情，現(xiàn)需要設(shè)計(jì)一種裝置來(lái)判斷周圍一百米內(nèi)是否有物體在以極快的速度接近或周圍三米內(nèi)是否有障礙，并根據(jù)方向提供預(yù)警。以此來(lái)幫助盲人或者反應(yīng)遲鈍的老年人留有時(shí)間做出防范，避免事故發(fā)生，減少家庭悲劇的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

便攜式防撞預(yù)警裝置原理圖如圖1所示，系統(tǒng)由超聲波傳感器，TOF激光測(cè)距模塊、微處理器、語(yǔ)音預(yù)警模塊等部分組成。其中超聲波傳感器的型號(hào)為HC-SR04，微處理器用的是Arduino。工作時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)周圍的環(huán)境，來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)一百米內(nèi)是否有物體在以極快的速度接近或周圍三米內(nèi)是否有障礙，再通過(guò)播出不同的音頻來(lái)起到預(yù)警的作用。裝置要設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)以及挑選合適的材料達(dá)到實(shí)用，美觀，便攜式的效果。

圖1 便攜式防撞預(yù)警裝置原理圖

1.2 超聲波測(cè)距原理

只需要提供一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)于10 μs的高電平觸發(fā)信號(hào)，該傳感器內(nèi)部會(huì)自動(dòng)發(fā)出8個(gè)40 kHz的超聲波脈沖，同時(shí)超聲波傳感器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)回響高電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到回波信號(hào)則向外輸出回響信號(hào)?；叵敫唠娖叫盘?hào)的持續(xù)時(shí)間就是超聲波傳感器從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收到反射的回波的時(shí)間[1]。據(jù)此原理可以計(jì)算出物體距離超聲波傳感器的距離S。

其中v為在空氣中的聲速；t為高電平持續(xù)的時(shí)間。

圖2 超聲波時(shí)序圖[1]

目前超聲波測(cè)距技術(shù)已經(jīng)比較成熟，圖3為用超聲波測(cè)距測(cè)量實(shí)際距離為30cm，50cm，100cm，120cm，140cm，160cm，200cm，300cm所做出的折線圖。此圖斜率K=超聲波測(cè)距/實(shí)際距離。由圖可見(jiàn)，斜率K接近于1，即意味著超聲波測(cè)距測(cè)量的距離基本等于實(shí)際距離，準(zhǔn)確性較高。

圖3

1.3 激光測(cè)距模塊工作原理

圖4 激光測(cè)距原理

激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，并由計(jì)時(shí)器記錄下出射的時(shí)間，回返光經(jīng)接收器接收，并由計(jì)時(shí)器記錄下回返的時(shí)間。兩個(gè)時(shí)間相減即得到了光的“飛行時(shí)間”，而光速是一定的，因此在已知速度和時(shí)間后很容易就可以計(jì)算出距離[2]。在單片機(jī)中設(shè)置時(shí)刻T1和T2，讀取兩個(gè)時(shí)刻的距離S1和S2，運(yùn)用區(qū)間測(cè)速，即可計(jì)算出速度V。

1.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)

這部分是本裝置的一個(gè)重點(diǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，既需要能夠?qū)崿F(xiàn)360°的全方位檢測(cè)，又需要保證結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔小巧，方便攜帶。機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖5所示，可放置在生活中常見(jiàn)的帽子中。由于常見(jiàn)的布帽材質(zhì)柔軟不具備安置核心裝置的硬度，所以制作了相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，即在內(nèi)部圓柱壁裝上支撐固定裝置，在圓柱頂部裝上支撐底板。

圖5 本作品放置在帽子中的示意圖及剖面視圖

機(jī)械結(jié)構(gòu)主體部分由步進(jìn)電機(jī)、角度傳感器和支撐、連接框架組成。如圖6所示，步進(jìn)電機(jī)和角度傳感器兩者之間裝有相同規(guī)格的齒輪，設(shè)備靠?jī)蓚€(gè)齒輪相互嚙合來(lái)使角度傳感器獲取步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)，從而獲得即時(shí)的探測(cè)方向。步進(jìn)電機(jī)輸出軸上同時(shí)還裝有支撐平臺(tái)，支撐平臺(tái)上裝有TOF激光測(cè)距模塊和超聲波傳感器。支撐平臺(tái)最上方還留有處理探測(cè)數(shù)據(jù)的單片機(jī)的空間。側(cè)面留有空間給電源和控制電機(jī)的單片機(jī)?？傊?，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使整個(gè)預(yù)警器空間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，方便預(yù)警器移植到其他的使用場(chǎng)合。

圖6 本作品內(nèi)部結(jié)構(gòu)視圖

1.5 測(cè)距及預(yù)警模塊

測(cè)距模塊：包括超聲波傳感器和TOF激光測(cè)距模塊。前者實(shí)現(xiàn)周圍兩三米內(nèi)障礙物預(yù)警，后者實(shí)現(xiàn)對(duì)百米范圍內(nèi)快速靠近物體預(yù)警。激光測(cè)距儀所在支撐平臺(tái)表面并不水平，具有一定的傾斜角度來(lái)保證測(cè)量對(duì)象的高度合適。超聲波傳感器裝在與激光測(cè)距儀相對(duì)的方向，通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)兩者同時(shí)360o的掃描。

預(yù)警模塊：包括單片機(jī)和語(yǔ)音播報(bào)模塊。其中，單片機(jī)負(fù)責(zé)處理測(cè)距模塊傳回的數(shù)據(jù)信息，分析判斷是否有障礙物擋路或者被撞危險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，得到某個(gè)需要預(yù)警的情況時(shí)，觸發(fā)語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警信息中還包括由角度傳感器采集的障礙物或高速運(yùn)動(dòng)物體的方位。

2 系統(tǒng)工作流程

作品的工作流程可參考圖7。工作流程的具體描述如下：打開開關(guān)后，預(yù)警器即處于工作狀態(tài)。頂部的超聲波傳感器和激光測(cè)距儀探測(cè)兩個(gè)相對(duì)的方向，并處于360°旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，同時(shí)即時(shí)反饋探測(cè)信息給單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過(guò)智能數(shù)據(jù)處理和分析后，判斷是否達(dá)到報(bào)警條件。若達(dá)到報(bào)警條件，將通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警且提示障礙物或快速靠近物體的具體方位。

圖7 預(yù)警器功能流程圖

圖8 便攜式防撞預(yù)警裝置實(shí)物圖

3 實(shí)際應(yīng)用和特色

區(qū)別于市場(chǎng)上一般的針對(duì)老年人的蜂鳴預(yù)警器，本裝置能夠貼心的提供語(yǔ)音預(yù)警，且提示障礙物或快速運(yùn)動(dòng)物體的具體方位。結(jié)合激光測(cè)距儀、超聲波傳感器和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了百米范圍內(nèi)快速靠近物體預(yù)警和兩三米內(nèi)障礙物預(yù)警。裝置在保證實(shí)時(shí)預(yù)警功能同時(shí)，還合理設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小巧便攜的特點(diǎn)，方便移植至其他可能的相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景。本裝置具有成本低、測(cè)量方位廣、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小巧便攜等特點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文章依據(jù)超聲波測(cè)距原理、激光測(cè)距原理，利用Arduino、Proteus等軟件，開發(fā)了基于超聲波測(cè)距和激光測(cè)距的便攜式防撞預(yù)警裝置，該裝置能夠有效減少事故的概率。