基于車路協(xié)同的重型車輛側翻預警系統(tǒng)設計

陳 敏，趙志國，，王寒東，王 超，于 飛，錢明達

(1.東南大學機械工程學院;2.淮陰工學院交通工程學院)

1 基于車路協(xié)同的重型車輛側翻預警方案和原理

圖1 為基于車路協(xié)同的車輛側翻預警系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)由路側設備、路側無線發(fā)射模塊、車載無線接收模塊、實時測速模塊和預警系統(tǒng)組成。路側設備負責發(fā)送道路信息，主體為無線發(fā)射模塊;車載單元安裝在車內，負責獲取路側設備播發(fā)的信息，同時通過車載單元獲取車輛自身信息及實時車速，經過計算后獲得轉向速度限制，與實時車速進行比較，提醒駕駛員是否安全轉向，有效地提高彎道處行車安全。

圖1 車輛側翻預警系統(tǒng)原理

圖2 為重型車輛側翻預警原理。

重型車輛側翻預警原理如下。

(1)測量車輛自身信息:長寬高，重心高度，輪距，軸距等。寫入車載單元的為:重心高度hg，輪距B。

(2)基站射頻設備放置位置的確定:基站射頻設備放置在距離前方轉向點50 ～100 m 處。

(3)向基站發(fā)射設備中寫入道路信息:彎道半徑、彎道的傾斜角并通過無線發(fā)射模塊向外發(fā)送。

(4)判斷車輛是否進入通信區(qū)域，若車輛未進入通信區(qū)域，則車載單元保持靜默，并不獲取彎道信息;若車輛進入了通信區(qū)域，則車載單元被觸發(fā)，準備獲取前方道路信息。

(5)車載單元獲取前方道路信息。

(6)車載單元提取車輛實時速度信息。

(7)根據已經獲取的彎道信息通過以上的數學公式計算臨界速度。

(8)將計算得到的臨界速度值顯示出來，以告知駕駛員。

(9)根據車速比較結果確定是否報警;若車輛速度大于安全速度上限，則立即紅燈亮，通過聲音進行報警，車輛速度低于安全速度上限10 km/h 以內，則報警取消，只顯示黃燈以示提醒;若車輛速度一直低于安全速度上限10 km/h 以上，則綠燈常亮，保持靜默。

(10)車輛轉向完畢，關閉提醒。

圖2 預警原理

2 車輛側翻臨界車速計算

為了簡化模型，忽略車輛懸掛的變形和輪胎的柔性變形，將車輛看做剛體的準靜態(tài)模型。文獻分析表明，懸掛車輛與剛性車輛相比，側翻臨界值相差不大，因此本文采用不考慮懸架變形的靜力學模型，如圖3 所示。圖中Fc為離心力;Ff為側向摩擦力;θ 為道路橫向坡度角;B 為汽車的輪距;hg為重心高度;G 為汽車總重力。

按照圖3 所示的車輛準靜態(tài)模型，車輛側翻力矩小于穩(wěn)定力矩時，車輛不會發(fā)生側翻，即

圖3 重型車輛在彎道上轉向時的受力圖

若車輛速度大于安全速度上限，則紅燈亮，立即通過聲音進行報警;車輛速度低于安全速度上限10 km/h 以內，則報警取消，只顯示黃燈以示提醒;車輛速度低于安全速度上限10 km/h 以上，則顯示綠燈。

3 預警系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 硬件結構設計

由于每個基站相對應一個固定的彎道，而經過彎道的車輛并不相同。因此路側設備負責寫入固定的彎道半徑、彎道的傾斜角等數據，并發(fā)送給車載預警系統(tǒng)。每輛車的幾何參數各不相同，因此車載設備寫入的數據各不相同，包括各個車輛的重心高度、長、寬、高外形參數信息，軸距、前懸、后懸、輪胎參數等幾何信息，運行預警算法，并實時檢測車速。系統(tǒng)硬件結構如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結構框圖

3.2 主要元器件選取

(1)系統(tǒng)MCU 的選取。側翻預警器要求MCU 具有較高的穩(wěn)定性和低成本的特點，選取STC89C52 作為發(fā)射基站和側翻預警的MCU，STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在線系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。

(2)系統(tǒng)無線傳輸芯片的選取。本文采用挪威NordicVLSI 公司出品的一款新型射頻收發(fā)器件nRF24L01，其功耗很低，在以6 dBm 的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 mA，而對應接收機的工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電和空閑模式)使節(jié)能設計更方便。

(3)測速傳感器。測速模塊使用HC－020K 測速傳感器，是一款寬電壓、高分辨率、短響應速度、開關量輸出的測速模組。

3.3 軟件設計

軟件設計主要分為以下幾個模塊:發(fā)送、接收模塊，主要為nRF24L01 芯片的程序編寫;數據調節(jié)模塊，主要為按鍵電路程序編寫;實時測速模塊，主要為車速的實時檢測程序編寫;顯示模塊，LCD1602 和LCD12864 程序編寫;預警模塊，側翻臨界速度算法的編寫，實時車速比較和LED 燈與蜂鳴器程序編寫。時序流程如圖5 所示。

圖5 程序時序流程圖

4 系統(tǒng)調試與試驗

4.1 系統(tǒng)調試

在硬件調試時，用萬用表測量單片機的工作電壓及各個管腳的電壓是否達到正常工作電壓，在燒入程序后，測試每個I/O 端口輸出電壓，檢查I/O 端口與程序控制值是不是一致。當單片機控制模塊硬件部分制作好后，調試顯示程序，在LCD12864 上顯示一個簡單的數字，若顯示結果正確，表明液晶顯示電路和單片機是正確連接的，單片機能正常工作。軟件調試包括兩方面:一方面是調試程序的語法，另一方面是在電路板上調試功能是否實現。

4.2 調試運行

在車輛未到彎道時路側設備保持靜默，此時發(fā)送設備LCD 屏上顯示彎道半徑R 和彎道的傾斜角θ，分別為100 m和20°。而接受設備LCD 屏上顯示當前車速為89 km/h。

在車輛經過路側設備即將到達彎道時，按下按鍵K1，發(fā)送數據。接收設備接受完數據同時在LCD 屏上顯示:“注意!即將進入彎道”，延時3 s，運行預警算法，LCD 屏上顯示接收到的彎道數據和計算得到的臨界速度。

實時檢測車速，如果車速比臨界速度小10 km/h 以上，顯示綠燈，蜂鳴器靜默;如果車速比臨界車速小10 km/h 以內，顯示黃燈，以示提醒;如果車速比臨界車速大，顯示紅燈，蜂鳴器報警。

20 s 后，假設車輛結束彎道過程，則系統(tǒng)結束報警過程，回到初始狀態(tài)。

5 結 論

(1)基于車路協(xié)同理論，構建了重型車輛側翻預警系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)由路側設備、路側無線發(fā)射模塊、車載無線接收模塊、實時測速模塊和預警系統(tǒng)組成;

(2)建立了不考慮懸架變形的靜力學模型，給出了彎道側翻臨界車速計算方法;

(3)以模型車為研究對象，完成了預警系統(tǒng)的軟硬件設計，并進行了系統(tǒng)調試;

(4)試驗結果表明，該系統(tǒng)能夠比較快速、準確地顯示道路信息和臨界車速，及時做出預警響應，符合設計要求。

［1］趙志國.重型車輛側翻預警技術現狀及研究進展［J］.黑龍江交通科技，2012，(1):93－94.

［2］趙志國，王冬冬.重型車輛側翻預警技術研究現狀及發(fā)展趨勢［J］.河北科技大學學報，2013，34(2):108－112，172.

［3］王云鵬.車路智能協(xié)同技術發(fā)展現狀與展望［R］.2009年中國智能交通年會，深圳:中國智能交通協(xié)會，2009.

［4］羅京，張冬冬，郭騰峰.大型車輛橫向穩(wěn)定性對公路設計極限平曲線半徑取值的影響分析［J］.中國公路學報，2010，23(S2):42－46.