王葉豐，柯磊

（攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院，四川攀枝花，617000）

0 引言

隨著交通和物流行業(yè)的快速發(fā)展，全國重型貨車保有量不斷增加，每年全國發(fā)生的大型交通事故中重型貨車的身影也越來越多，造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。由于重型貨車的特殊車身結(jié)構(gòu)，造成了重型貨車在右轉(zhuǎn)過程中不可避免地會受到盲區(qū)和內(nèi)輪差的影響，而司機(jī)在駕駛室內(nèi)是很容易忽視車身周圍的行人或其他車輛，從而發(fā)生交通事故，甚至造成人員死亡。車輛盲區(qū)檢測報(bào)警裝置是在車身上安裝測距、角度等傳感器，通過相應(yīng)的算法預(yù)測車輛行駛軌跡并對障礙物進(jìn)行識別后，用微型處理器做出危險(xiǎn)狀況判斷并做出聲光報(bào)警處理。

目前重型貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)檢測報(bào)警裝置有采用在車輛后視鏡等位置安裝一個(gè)或多個(gè)攝像頭，當(dāng)攝像頭發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信息，就會通過聲音或視覺信號提醒駕駛員；另一種是在車輛前后輪各安裝一對超聲波雷達(dá)，如果雷達(dá)檢測到附近存在目標(biāo)物，駕駛室內(nèi)會進(jìn)行聲光報(bào)警提醒駕駛員注意避讓障礙物；還有一種是從車輛上投射出燈光警示，多適用于夜間行駛環(huán)境，用閃光或紅色光影警示行人或其他車輛，原理行駛中的重型貨車。但是這些方式僅僅是通過單一攝像頭或雷達(dá)來探測車輛附近小范圍是否存在障礙物，很容易在有障礙物但不會與重型貨車相撞的情況下產(chǎn)生誤報(bào)警，準(zhǔn)確率較低且需要長時(shí)間持續(xù)工作，大大增加了裝置能耗。本文介紹的盲區(qū)檢測報(bào)警裝置采用條件式控制開關(guān)，通過角度傳感器、測距傳感器獲取外界信息，利用微處理控制器的快速計(jì)算能力預(yù)測出車輛行駛軌跡并做出碰撞判斷，最后進(jìn)行聲光報(bào)警提醒司機(jī)和行人或其他車輛注意相互避讓。

1 車輛盲區(qū)分析

重型貨車由于軸距長、車體寬等因素，在右轉(zhuǎn)彎時(shí)，前內(nèi)輪運(yùn)動(dòng)半徑總是比后內(nèi)輪運(yùn)動(dòng)半徑長一些，所以前內(nèi)輪運(yùn)動(dòng)半徑與后內(nèi)輪運(yùn)動(dòng)半徑的差被稱為內(nèi)輪差。由于內(nèi)輪差的存在隨之帶來的就是內(nèi)輪差盲區(qū)。我國駕駛員的駕駛位位于左側(cè)，導(dǎo)致重型貨車在右轉(zhuǎn)彎時(shí)，內(nèi)輪差盲區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 裝置總體設(shè)計(jì)

本文裝置硬件由開關(guān)檢測模塊、轉(zhuǎn)向角度檢測模塊、相對位置檢測模塊、控制模塊以及報(bào)警模塊組成。如圖1 所示。

圖1 裝置硬件組成

開關(guān)檢測模塊用于實(shí)時(shí)檢測車輛的轉(zhuǎn)向燈的開關(guān)狀態(tài)信息并將其發(fā)送至控制模塊，轉(zhuǎn)向角度檢測模塊用于檢測車輛轉(zhuǎn)向輪（一般為前輪）的轉(zhuǎn)向角度信息并將其發(fā)送至控制模塊，相對位置檢測模塊用于檢測車輛與障礙物的相對位置信息并將其發(fā)送至控制模塊，在應(yīng)用了相應(yīng)軟件算法后，控制模塊根據(jù)收到的開關(guān)狀態(tài)信息判斷車輛轉(zhuǎn)向燈是否開啟，若是，則控制打開轉(zhuǎn)向角度檢測模塊和相對位置檢測模塊，并根據(jù)角度檢測裝置和相對位置檢測模塊發(fā)送的轉(zhuǎn)向角度信息與相對位置信息判斷車輛與障礙物發(fā)生碰撞的可能性，并在車輛與障礙物可能發(fā)生碰撞時(shí)，控制報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警。

因?yàn)楸疚闹饕鉀Q重型貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)問題，所以開關(guān)檢測模塊主要檢測重型貨車右轉(zhuǎn)向燈的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)向角度檢測模塊采用汽車轉(zhuǎn)向角傳感器，設(shè)置于車輛的轉(zhuǎn)向軸上可獲取車輛轉(zhuǎn)向角度信息，為算法提供計(jì)算數(shù)據(jù)。為了提高相對位置檢測的準(zhǔn)確性，本文采用兩個(gè)24kHz 的毫米波雷達(dá)傳感器分別安裝在車輛的右側(cè)車體上，實(shí)時(shí)檢測車輛與障礙物的相對位置。控制模塊采用STC89C52RC 單片機(jī)，對轉(zhuǎn)向角度傳感器和毫米波雷達(dá)傳感器傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)車內(nèi)和車內(nèi)同時(shí)報(bào)警，增強(qiáng)報(bào)警的直觀性，車內(nèi)報(bào)警器采用紅黃綠三色LED 報(bào)警燈或者液晶顯示屏，車外報(bào)警器采用紅黃綠三色聲光報(bào)警器。理想安裝如圖2所示。

圖2 實(shí)物安裝圖

■2.1 開關(guān)檢測模塊

開關(guān)檢測模塊檢測右轉(zhuǎn)向燈的開啟狀態(tài)，當(dāng)右轉(zhuǎn)向燈開啟時(shí)，開關(guān)檢測模塊把信息發(fā)送給控制模塊，控制模塊喚醒本裝置。右轉(zhuǎn)向燈的控制電路如圖3 所示。

圖3 右轉(zhuǎn)向燈控制電路圖

■2.2 轉(zhuǎn)向角度檢測模塊

轉(zhuǎn)向角度檢測模塊用于獲取車輛轉(zhuǎn)向角度信息，采用汽車轉(zhuǎn)向角度傳感器。其由發(fā)光二極管、光敏晶體管、開孔槽板等組成。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，開孔槽板會跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。光敏晶體管依據(jù)穿過開孔槽板的光線來動(dòng)作，并且會輸出數(shù)字脈沖信號。汽車電控單元會以此信號來辨認(rèn)方向盤的轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速等。

■2.3 相對位置檢測模塊

相對位置檢測模塊為一組兩個(gè)24GHz FΜCW 雷達(dá)傳感器。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。且具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)。與其他光學(xué)傳感器相比對煙霧、灰塵等障礙物的穿透力更強(qiáng)，抗干擾能力更強(qiáng)，具有全天候全天時(shí)工作的特點(diǎn)。

FWCW 雷達(dá)傳感器發(fā)射的信號為調(diào)頻三角連續(xù)波。由于單頻連續(xù)波雷達(dá)僅僅適用于測速，無法測距，故使用連續(xù)三角波信號的FWCW 雷達(dá)，F(xiàn)WCW 雷達(dá)既可以測距又可以測速，在近距離測量上的優(yōu)勢日益明顯。當(dāng)壓控振蕩器收到外界調(diào)制信號后，會控制毫米波雷達(dá)發(fā)出頻率變化形如三角形的探測信號，如圖4 所示。黑色實(shí)線為發(fā)射信號頻率曲線，在沒有多普勒頻移的情況下即目標(biāo)物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，紅色虛線為接收信號頻率曲線，在有多普勒頻移的情況下，藍(lán)色點(diǎn)劃線為接收信號頻率曲線，掃頻周期為Tm，掃頻帶寬為?F，從發(fā)射信號到接收信號所用時(shí)長為?t。

圖4 FWCW 毫米波雷達(dá)測距原理

■2.4 控制模塊

控制模塊為微處理控制器，本文采用STC89C52單片機(jī)。STC89C52 單片機(jī)是一種低功耗、高性能CΜOS8 位微控制器，具有8K 字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash 存儲器，并且能夠在非常惡劣的氣候條件下長時(shí)間工作。

■2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊分為車內(nèi)報(bào)警和車外報(bào)警。車內(nèi)報(bào)警采用紅黃綠三色LED 等或者LCD 顯示屏。車外報(bào)警采用紅黃綠三色聲光報(bào)警器，聲光報(bào)警電路分為閃光燈報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警，閃光燈處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警才能發(fā)出一定音調(diào)的蜂鳴聲，隨著閃光燈閃爍蜂鳴器發(fā)出間歇聲響。聲光報(bào)警電路如圖5 所示。

圖5 聲光報(bào)警電路

當(dāng)控制模塊判斷為安全時(shí)，車內(nèi)外報(bào)警器均顯示綠色，不發(fā)出蜂鳴聲，當(dāng)控制模塊判斷為預(yù)警時(shí)，車內(nèi)外報(bào)警器均顯示黃色不斷閃爍，蜂鳴聲發(fā)聲頻率較為緩慢，當(dāng)控制模塊判斷為危險(xiǎn)時(shí)，車內(nèi)外報(bào)警器均顯示紅色，閃爍頻率加快，蜂鳴聲發(fā)聲頻率也增加。

3 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的開關(guān)檢測模塊將檢測到的車輛右轉(zhuǎn)向燈的開關(guān)信息發(fā)送給控制模塊，控制模塊控制裝置開始工作，轉(zhuǎn)向角度模塊檢測模塊將檢測到的車輛前軸轉(zhuǎn)向角度信息發(fā)送給控制模塊，相對位置檢測模塊將檢測到的車輛與障礙物之間的距離信息發(fā)送給控制模塊，控制模塊根據(jù)相應(yīng)的算法預(yù)測出車輛行駛軌跡，并與距離信息相對比，得出碰撞結(jié)論?？刂颇K根據(jù)碰撞結(jié)論控制報(bào)警模塊做出相應(yīng)報(bào)警處理。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)向燈被開啟時(shí)，控制系統(tǒng)喚醒本裝置。轉(zhuǎn)向角度傳感器檢測車輛前內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角度信息并發(fā)送給STC89C52 單片機(jī)，F(xiàn)WCW 毫米波雷達(dá)傳感器檢測車輛與目標(biāo)的距離信息并發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)接收到轉(zhuǎn)向角度信息后根據(jù)相應(yīng)算法預(yù)測出車輛運(yùn)行軌跡，并將車輛與目標(biāo)的距離信息相比較，得出碰撞可能性。李逸良曾在《車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)輪差的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論模型》的研究中提到過，行人和非機(jī)動(dòng)車需要和轉(zhuǎn)彎車輛保持至少車身長度的1/3 以上的距離。若判斷為安全，則顯示為無閃爍的綠燈，且無蜂鳴聲；若為警告，則顯示為低頻率閃爍的黃燈，并伴有低頻率的蜂鳴聲；若為危險(xiǎn)，則顯示高頻率閃爍的紅燈，并發(fā)出急促的蜂鳴聲。

4 算法模型

我們以非掛式重型貨車為例，理想車輛模型如表1 所示。

表1 理想非掛式重型貨車車輛模型

根據(jù)內(nèi)輪差r=r1-r2 可得其數(shù)學(xué)模型如圖7 所示。

圖7 內(nèi)輪差數(shù)學(xué)模型圖

由上面內(nèi)容可以得出：

將內(nèi)輪差用轉(zhuǎn)向角來表示，則為：

根據(jù)上式可知，當(dāng)我們得到了轉(zhuǎn)向角度和內(nèi)輪差就能得到前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑和后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑。由于車輛轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)是一個(gè)半徑不斷改變的圓周運(yùn)動(dòng)，在知道前后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑后即可預(yù)測出車輛運(yùn)動(dòng)軌跡。

5 測試結(jié)果

選取五種不同規(guī)格的廂式卡車作為實(shí)驗(yàn)對象，由于現(xiàn)實(shí)生活中卡車前后輪間距有所不同，不宜作為理想實(shí)驗(yàn)對象，故將其理想化。實(shí)驗(yàn)車輛前后輪間距均采取后輪間距的數(shù)值。具體參數(shù)如表2 所示。當(dāng)司機(jī)將方向盤向右打到極限位置，前外輪距離轉(zhuǎn)向中心的距離通常稱為最小轉(zhuǎn)彎半徑R，通過查閱資料可以得出，最小轉(zhuǎn)彎半徑R=車長L×2.4。根據(jù)上面的計(jì)算公式可以得出內(nèi)輪差。數(shù)據(jù)分析如圖8 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)對象數(shù)據(jù)分析

由表2 可以看出當(dāng)方向盤向右打到極限位置時(shí)，前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑r1 和內(nèi)輪差r 都隨著軸距L 的增大而增大，故可以得出，內(nèi)輪差與車身長度呈正相關(guān)。

表2 理想實(shí)驗(yàn)對象具體參數(shù)

6 結(jié)束語

本文介紹了一種重型貨車右轉(zhuǎn)盲區(qū)監(jiān)測報(bào)警裝置，當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)向燈打開時(shí)，STC89C52 單片機(jī)喚醒裝置，轉(zhuǎn)向角度傳感器檢測車輛轉(zhuǎn)向角度，安裝在車身右側(cè)的兩個(gè)24GHz FWCW 毫米波雷達(dá)檢測車輛與目標(biāo)之間的距離。單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)向角度預(yù)測出車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，并于車輛與目標(biāo)之間的距離做比較，判斷碰撞可能性，然后控制聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警提醒駕駛員以、行人及其他車輛提高警惕，遠(yuǎn)離重型貨車，可以很大程度地減少因貨車內(nèi)輪差形成的盲區(qū)而導(dǎo)致的重大交通事故。