王葉豐，柯磊

（攀枝花學院智能制造學院，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)濟損失。由于重型貨車的特殊車身結構，造成了重型貨車在右轉過程中不可避免地會受到盲區(qū)和內輪差的影響，而司機在駕駛室內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)檢測報警裝置是在車身上安裝測距、角度等傳感器，通過相應的算法預測車輛行駛軌跡并對障礙物進行識別后，用微型處理器做出危險狀況判斷并做出聲光報警處理。

目前重型貨車右轉盲區(qū)檢測報警裝置有采用在車輛后視鏡等位置安裝一個或多個攝像頭，當攝像頭發(fā)現(xiàn)目標信息，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，如果雷達檢測到附近存在目標物，駕駛室內會進行聲光報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)生誤報警，準確率較低且需要長時間持續(xù)工作，大大增加了裝置能耗。本文介紹的盲區(qū)檢測報警裝置采用條件式控制開關，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算能力預測出車輛行駛軌跡并做出碰撞判斷，最后進行聲光報警提醒司機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，在右轉彎時，前內輪運動半徑總是比后內輪運動半徑長一些，所以前內輪運動半徑與后內輪運動半徑的差被稱為內輪差。由于內輪差的存在隨之帶來的就是內輪差盲區(qū)。我國駕駛員的駕駛位位于左側，導致重型貨車在右轉彎時，內輪差盲區(qū)進一步擴大。

2 裝置總體設計

本文裝置硬件由開關檢測模塊、轉向角度檢測模塊、相對位置檢測模塊、控制模塊以及報警模塊組成。如圖1 所示。

圖1 裝置硬件組成

開關檢測模塊用于實時檢測車輛的轉向燈的開關狀態(tài)信息并將其發(fā)送至控制模塊，轉向角度檢測模塊用于檢測車輛轉向輪（一般為前輪）的轉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，在應用了相應軟件算法后，控制模塊根據(jù)收到的開關狀態(tài)信息判斷車輛轉向燈是否開啟，若是，則控制打開轉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，控制報警模塊發(fā)出報警。

因為本文主要解決重型貨車右轉盲區(qū)問題，所以開關檢測模塊主要檢測重型貨車右轉向燈的開關狀態(tài)，轉向角度檢測模塊采用汽車轉向角傳感器，設置于車輛的轉向軸上可獲取車輛轉向角度信息，為算法提供計算數(shù)據(jù)。為了提高相對位置檢測的準確性，本文采用兩個24kHz 的毫米波雷達傳感器分別安裝在車輛的右側車體上，實時檢測車輛與障礙物的相對位置。控制模塊采用STC89C52RC 單片機，對轉向角度傳感器和毫米波雷達傳感器傳送來的數(shù)據(jù)進行相應的計算。為了實現(xiàn)車內和車內同時報警，增強報警的直觀性，車內報警器采用紅黃綠三色LED 報警燈或者液晶顯示屏，車外報警器采用紅黃綠三色聲光報警器。理想安裝如圖2所示。

圖2 實物安裝圖

■2.1 開關檢測模塊

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

圖3 右轉向燈控制電路圖

■2.2 轉向角度檢測模塊

轉向角度檢測模塊用于獲取車輛轉向角度信息，采用汽車轉向角度傳感器。其由發(fā)光二極管、光敏晶體管、開孔槽板等組成。當方向盤轉動時，開孔槽板會跟隨轉動。光敏晶體管依據(jù)穿過開孔槽板的光線來動作，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方向盤的轉向角度、轉動方向和轉速等。

■2.3 相對位置檢測模塊

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

FWCW 雷達傳感器發(fā)射的信號為調頻三角連續(xù)波。由于單頻連續(xù)波雷達僅僅適用于測速，無法測距，故使用連續(xù)三角波信號的FWCW 雷達，F(xiàn)WCW 雷達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。當壓控振蕩器收到外界調制信號后，會控制毫米波雷達發(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物體處于靜止狀態(tài)時，紅色虛線為接收信號頻率曲線，在有多普勒頻移的情況下，藍色點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長為?t。

圖4 FWCW 毫米波雷達測距原理

■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。STC89C52 單片機是一種低功耗、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間工作。

■2.5 報警模塊

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

圖5 聲光報警電路

當控制模塊判斷為安全時，車內外報警器均顯示綠色，不發(fā)出蜂鳴聲，當控制模塊判斷為預警時，車內外報警器均顯示黃色不斷閃爍，蜂鳴聲發(fā)聲頻率較為緩慢，當控制模塊判斷為危險時，車內外報警器均顯示紅色，閃爍頻率加快，蜂鳴聲發(fā)聲頻率也增加。

3 軟件設計

本裝置的開關檢測模塊將檢測到的車輛右轉向燈的開關信息發(fā)送給控制模塊，控制模塊控制裝置開始工作，轉向角度模塊檢測模塊將檢測到的車輛前軸轉向角度信息發(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)相應的算法預測出車輛行駛軌跡，并與距離信息相對比，得出碰撞結論?？刂颇K根據(jù)碰撞結論控制報警模塊做出相應報警處理。軟件設計流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設計流程圖

當車輛右轉向燈被開啟時，控制系統(tǒng)喚醒本裝置。轉向角度傳感器檢測車輛前內輪轉向角度信息并發(fā)送給STC89C52 單片機，F(xiàn)WCW 毫米波雷達傳感器檢測車輛與目標的距離信息并發(fā)送給單片機。單片機接收到轉向角度信息后根據(jù)相應算法預測出車輛運行軌跡，并將車輛與目標的距離信息相比較，得出碰撞可能性。李逸良曾在《車輛轉彎時內輪差的運動學理論模型》的研究中提到過，行人和非機動車需要和轉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，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)內輪差r=r1-r2 可得其數(shù)學模型如圖7 所示。

圖7 內輪差數(shù)學模型圖

由上面內容可以得出：

將內輪差用轉向角來表示，則為：

根據(jù)上式可知，當我們得到了轉向角度和內輪差就能得到前內輪轉彎半徑和后內輪轉彎半徑。由于車輛轉彎運動是一個半徑不斷改變的圓周運動，在知道前后內輪轉彎半徑后即可預測出車輛運動軌跡。

5 測試結果

選取五種不同規(guī)格的廂式卡車作為實驗對象，由于現(xiàn)實生活中卡車前后輪間距有所不同，不宜作為理想實驗對象，故將其理想化。實驗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。當司機將方向盤向右打到極限位置，前外輪距離轉向中心的距離通常稱為最小轉彎半徑R，通過查閱資料可以得出，最小轉彎半徑R=車長L×2.4。根據(jù)上面的計算公式可以得出內輪差。數(shù)據(jù)分析如圖8 所示。

圖8 實驗對象數(shù)據(jù)分析

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

表2 理想實驗對象具體參數(shù)

6 結束語

本文介紹了一種重型貨車右轉盲區(qū)監(jiān)測報警裝置，當車輛右轉向燈打開時，STC89C52 單片機喚醒裝置，轉向角度傳感器檢測車輛轉向角度，安裝在車身右側的兩個24GHz FWCW 毫米波雷達檢測車輛與目標之間的距離。單片機根據(jù)轉向角度預測出車輛的運動軌跡，并于車輛與目標之間的距離做比較，判斷碰撞可能性，然后控制聲光報警器進行報警提醒駕駛員以、行人及其他車輛提高警惕，遠離重型貨車，可以很大程度地減少因貨車內輪差形成的盲區(qū)而導致的重大交通事故。