面向周邊行人車輛的大型車輛轉(zhuǎn)彎預(yù)警系統(tǒng)

高寧欣 付東方 王涯鑫 喬磊

摘 要：為減少大型車輛右轉(zhuǎn)彎碰撞事故對(duì)行人的傷害，設(shè)計(jì)了一種整合超聲波測距原理和激光投影技術(shù)為一體的大型車輛轉(zhuǎn)彎預(yù)警系統(tǒng)。在大型車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，一方面超聲波測距儀對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎半徑內(nèi)側(cè)物體進(jìn)行測距并與事先設(shè)置的安全距離閾值比較，當(dāng)實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，ECU控制聲音播報(bào)系統(tǒng)警示駕駛員注意周邊車輛及行人以避免事故的發(fā)生。另一方面，利用激光投影儀對(duì)大型車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所需占用的路幅區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)投影，從而警示周邊車輛及行人注意躲避危險(xiǎn)區(qū)域。

關(guān)鍵詞：大型車輛；內(nèi)輪差；超聲波測距儀；激光投影儀

第一章 緒論

1.1 研究背景

近年來，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)運(yùn)輸?shù)男枰笮蛙囕v（包括貨車、大客車和專用車輛等）的保有量不斷增加，大型車輛在過彎時(shí)由于其前后輪所運(yùn)行軌跡不一致，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的內(nèi)輪差，甚至可達(dá)到2米，極易形成大型車輛司機(jī)的“

視覺盲區(qū)”，發(fā)生交通事故的可能性也越大。當(dāng)前主要的解決方法是加裝大視野的后視鏡以及播放語音提示周邊的行人以及車輛。但是，行人很多時(shí)候并不能意識(shí)到內(nèi)輪差的危險(xiǎn)性，主觀的認(rèn)為他們能看到大型車輛，大型車輛的駕駛員也能看到他們。也有很多行人即便意識(shí)到有內(nèi)輪差，但并不能準(zhǔn)確判定出自己是否處于危險(xiǎn)范圍，同樣導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)事故的后果。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究人員在改善車輛盲區(qū)和碰撞預(yù)警的研究上作著不懈的努力，并取得了較大的研究突破，對(duì)該領(lǐng)域具有很大的影響和借鑒價(jià)值。

三菱集團(tuán)為了解決重型貨車前盲區(qū)內(nèi)行人保護(hù)的問題，對(duì)行人識(shí)別系統(tǒng)[1]進(jìn)行了研究，將多個(gè)攝像頭安裝在貨車前部， 對(duì)車前盲區(qū)內(nèi)的行人進(jìn)行檢測，將拍攝到的圖像與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的人體特征庫進(jìn)行比較，確定前方是否有行人。然后采用雙目視覺測距的方法測定出大型車輛前面行人的精確位置，并對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警提醒。美國福特公司和伊頓公司聯(lián)合研發(fā)的Vorad汽車盲區(qū)防撞雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用分布于車身周圍的雷達(dá)傳感器，探測距離能達(dá)到100米。通過微波的發(fā)射與接收來探測自車周圍的其他車輛，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析以判斷是否存在碰撞可能，通過聲音提示或者紅光預(yù)警的方式對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒。另外，在事故發(fā)生前，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所采集的信息判定是否通過自動(dòng)剎車裝置來進(jìn)行制動(dòng)操作。

中國科學(xué)院李守曉[2]研究和設(shè)計(jì)了基于毫米波雷達(dá)的盲點(diǎn)檢測系統(tǒng)。通過對(duì)變道工況的研究和分析，提出利用雷達(dá)傳感器來進(jìn)行其他車輛距離的實(shí)時(shí)測量，進(jìn)而依據(jù)換道安全距離模型對(duì)距離信息進(jìn)行判斷，得出是否需要采取措施避免事故發(fā)生。此外，針對(duì)距離耦合問題提出利用線性調(diào)頻的方法來進(jìn)一步改善。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析。該系統(tǒng)能對(duì)與自車鄰近的車道進(jìn)行檢測，可獲得50m的探測距離。

對(duì)大型車輛轉(zhuǎn)彎預(yù)警的安全產(chǎn)品研究分析，現(xiàn)在可以查詢到的專利主要是以雷達(dá)或攝像頭等為依托探測視野盲區(qū)，這些安全產(chǎn)品單一針對(duì)大型車輛駕駛員。而針對(duì)周邊車輛和行人的警示產(chǎn)品則相對(duì)缺乏。因此迫切需要一套既能對(duì)駕駛員語音提示預(yù)警又能標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域的大型車輛轉(zhuǎn)彎預(yù)警系統(tǒng)。

第二章 情景化設(shè)計(jì)

2.1轉(zhuǎn)彎模型建立

內(nèi)輪差定義為車輛在轉(zhuǎn)彎過程中內(nèi)側(cè)前輪和后輪的轉(zhuǎn)彎半徑差。在最大轉(zhuǎn)向角的情況下產(chǎn)生最大內(nèi)輪差，此時(shí)車輛左前輪轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的軌跡圓弧半徑等于最小轉(zhuǎn)彎半徑。如果駕駛員在轉(zhuǎn)彎時(shí)沒有考慮內(nèi)輪差，可能發(fā)生前輪安全通過然而后輪與行人或車輛碰撞的事故。為了獲得車輛右轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全距離模型，需要計(jì)算其最大內(nèi)輪差。內(nèi)輪差的示意圖如圖（1）所示，

圖1中的兩條虛線為車輛前輪的軌跡，內(nèi)側(cè)的實(shí)線則是后輪的軌跡。陰影區(qū)域則就是內(nèi)輪差的示意區(qū)域。

由于車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪繞瞬心旋轉(zhuǎn)，此中心位于后軸中心線的延長線上，且左右前輪均以此中心為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)。令轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)前輪中心與瞬心的連線與后軸中心線的延長線之間的夾角為α ，轉(zhuǎn)向外側(cè)前輪中心與瞬心的連線與后軸中心線的延長線之間的夾角為β。如圖2所示

轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度可由方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度及轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比（根據(jù)不同車型以及方向盤已經(jīng)偏轉(zhuǎn)的角度共同確定）計(jì)算得知。

由于一般轉(zhuǎn)向時(shí)，方向盤連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，故可擬合出整個(gè)轉(zhuǎn)向過程中車輛同側(cè)輪胎的軌跡。在車輛行駛中，由方向盤轉(zhuǎn)角傳感器可以測得某一時(shí)刻方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 以及方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度 ，由此可知其在一定時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角變化。另外，假定大型車輛輪胎氣壓為固定值，可以根據(jù)汽車載荷情況確定其穩(wěn)定性因數(shù)即K 值大小，在非極低速度（≤10km/h）時(shí)，車輛的轉(zhuǎn)彎半徑需額外乘以系數(shù)（1+KU2） ，U 為當(dāng)前車速。

又根據(jù)車速以及加速度，可以得出車輛在在一定時(shí)間內(nèi)的行駛距離，故可知其占用的理論路幅大小。

2.2 超聲波測距儀總體方案設(shè)計(jì)

超聲波測距儀是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波探頭、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器報(bào)警模塊、按鍵模塊和電源部分組成。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。當(dāng)距離小于設(shè)置距離時(shí)，蜂鳴器和指示燈發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)距離大于設(shè)置距離，停止報(bào)警。報(bào)警距離可以通過按鍵設(shè)置，按下設(shè)置鍵。設(shè)定安全距離為2.5米，在距離車身2.5米以內(nèi)如果存在行人或車輛，則報(bào)警系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)同時(shí)對(duì)大型車輛的駕駛者以及周邊的行人車輛進(jìn)行警示。

2.3 轉(zhuǎn)向內(nèi)輪差范圍標(biāo)識(shí)

根據(jù)以上建模的理論研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了安裝于車輛尾部的激光發(fā)射裝置用于發(fā)射肉眼可見的光束在地面標(biāo)識(shí)出大型車輛轉(zhuǎn)向內(nèi)輪差。希望通過標(biāo)識(shí)出醒目的危險(xiǎn)區(qū)域以減小大型車輛在轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生事故的可能性。該裝置主要由一字激光燈，旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，單片機(jī)和電源組成。設(shè)定大型車輛的左右轉(zhuǎn)向角度最大各為900°。一字激光燈的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由舵機(jī)進(jìn)行控制。設(shè)定左轉(zhuǎn)是順時(shí)針角度，右轉(zhuǎn)是逆時(shí)針角度。

整體的工作流程如下：

（1）駕駛者打開轉(zhuǎn)向燈，裝置電源接通，裝置開始工作。

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)角為正負(fù)300°時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為10°

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)角為正負(fù)600°時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為20°

（4）當(dāng)轉(zhuǎn)角為正負(fù)900°時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)為30°

當(dāng)駕駛者往回打方向盤時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度依照上述位置點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，該裝置的開關(guān)信號(hào)可串聯(lián)與汽車轉(zhuǎn)向燈上，即轉(zhuǎn)向燈打開，裝置開始工作，轉(zhuǎn)向燈關(guān)閉，裝置關(guān)閉。

第三章 結(jié)語

本文主要利用超聲波測距原理和激光投影技術(shù)設(shè)計(jì)一預(yù)警系統(tǒng)，可以初步實(shí)現(xiàn)對(duì)大型車輛周邊行人的探測，同時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬大型車輛轉(zhuǎn)向的內(nèi)輪差，劃出危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)在大型車輛轉(zhuǎn)向過程中對(duì)駕駛員和周邊行人、車輛的警示作用。而未涉及盲區(qū)內(nèi)行人檢測和跟蹤算法的研究。如何獲取行人運(yùn)動(dòng)軌跡，使行人得到更好的保護(hù)，今后可進(jìn)一步研究探討。

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作者簡介：

高寧欣，男，生于1996年9月，漢族，江蘇南京人，江蘇大學(xué)，車輛工程方向。

付東方，男，生于1997年3月，漢族，河南南陽人，江蘇大學(xué)，車輛工程方向。

喬磊，男，生于1996年12月，漢族，江蘇江陰人，江蘇大學(xué)，車輛工程方向。

王涯鑫，男，生于1997年5月，回族，江蘇鎮(zhèn)江人，江蘇大學(xué)，車輛工程方向。

*【基金項(xiàng)目】本文系江蘇大學(xué)2017年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201710299030Z