一種基于Arduino的車用多向防碰撞裝置的設(shè)計

寇星源 茍春梅 董靜

摘 要：汽車在行駛過程中始終存在一些視覺上的盲區(qū)，這些盲區(qū)導(dǎo)致駕駛員難以及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)車輛周圍的障礙物，結(jié)果造成汽車碰撞、刮擦等事故。本文針對這一問題設(shè)計了一種基于Arduino的車用多向防碰撞裝置，裝置采用超聲波模塊進(jìn)行障礙物檢測，并通過云臺實現(xiàn)多個方向的檢測，由此幫助駕駛員在車輛行駛時破除盲區(qū)，及時發(fā)現(xiàn)障礙物并預(yù)防碰撞。

關(guān)鍵詞：汽車;Arduino;防碰撞

1 引言

近年來全國各地汽車保有量越來越大，公安部交管局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2019年6月，我國機(jī)動車保有量已達(dá)3.4億輛，其中汽車2.5億輛。保有量不斷上升的同時各類汽車碰撞事故的發(fā)生也越來越多。尤其是在市區(qū)內(nèi)的低速行車狀況下，由于路況擁堵、車位緊張，汽車碰撞、刮蹭等事故更是頻發(fā)不止。因此如何有效避免此類問題也越來越得到人們的重視。汽車防碰撞系統(tǒng)已有多年的研究，本文在借鑒現(xiàn)有防碰撞系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入目前大為火熱的開源平臺Arduino，選用超聲波測距技術(shù)，設(shè)計了一種基于Arduino的多向防碰撞裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛在行駛過程中多個方向的防碰撞預(yù)警功能。

2整體設(shè)計

駕駛員在車內(nèi)總有一些視覺上的盲區(qū)和死角。圖1為普通轎車的視覺盲區(qū)示意圖，當(dāng)車輛在高速路行駛時，因路況和行駛狀態(tài)較為單一，前后車輛也易于保持安全車距，因此這些盲區(qū)對駕駛員影響不大。但在低速行車時，尤其在市區(qū)路況條件下，路況復(fù)雜，行駛狀態(tài)也更加多變，轉(zhuǎn)彎、掉頭及倒車等操作增多，這時盲區(qū)會直接干擾駕駛員的判斷，導(dǎo)致車身側(cè)方、后方與障礙物發(fā)生碰撞、刮擦。

針對上述轎車駕駛盲區(qū)，本文以破除盲區(qū)為出發(fā)點，設(shè)計了采用超聲波測距技術(shù)的多向防碰撞裝置。如圖2所示，該裝置包括超聲波傳感器、Arduino控制板、信息顯示屏、及聲光報警器四個部分。該裝置工作原理為：超聲波傳感器在Arduino板的觸發(fā)下發(fā)射、接受超聲波信號，并將超聲波從發(fā)射到接收的時長返回給Arduino板，由Arduino板計算得出車輛與障礙物距離并將距離顯示在顯示屏上，同時Arduino判斷該距離是否超過安全距離，如超過安全距離，存在碰撞可能性，則Arduino向聲光報警器下發(fā)命令，由聲光報警器發(fā)出報警，提醒駕駛員可能發(fā)生碰撞。為同時實現(xiàn)多個方向的障礙物檢測，該裝置在超聲波模塊下加裝伺服電機(jī)，電機(jī)在Arduino板的控制下轉(zhuǎn)動，并帶動超聲波模塊在側(cè)方等多方向進(jìn)行障礙物檢測。

3 硬件搭建

該裝置硬件包括Arduino板、超聲波測距傳感器、伺服電機(jī)、液晶顯示屏、聲光報警器件等，具體規(guī)格型號如下：

3.1 Arduino開發(fā)板

Arduino是當(dāng)前最受歡迎的電子互動平臺之一，它包括硬件Arduino開發(fā)板、軟件開發(fā)環(huán)境及Arduino編程語言三大部分。Arduino板有多個不同型號，本文選用Arduino UNO板，其工作電壓為5V，采用ATmega328P作為微控制器，同時具有14個數(shù)字I/O針腳（其中6個針腳同時可作為PWM輸出），6個模擬輸入針腳。在本裝置中，Arduino通過輸入輸出針腳與超聲波模塊、電機(jī)及聲光報警模塊進(jìn)行連接，實現(xiàn)通訊與控制功能。

3.2 超聲波測距傳感器

超聲波測距原理是通過發(fā)送和接收超聲波，利用時間差和聲波速度，計算出模塊和障礙物的距離。本文選用的超聲波測距模塊為HC-SR04，其測距范圍達(dá)2cm-450cm，測量精度可達(dá)0.3cm。該模塊共有4個針腳，包括：VCC、GND、TRIG、及ECHO。工作時，先由Arduino板通過I/O口向TRIG針腳輸入觸發(fā)信號，再由模塊自動向外發(fā)送8個40KHz的方波，隨后模塊檢測返回信號，并通過ECHO針腳向Arduino板發(fā)送一個高電平反饋信號，該高電平持續(xù)時間即超聲波從發(fā)射到返回的時間。Arduino根據(jù)該時間進(jìn)行運(yùn)算得出車輛與障礙物之間的距離，并進(jìn)行判斷是否超出安全范圍。

3.3 電機(jī)

本文選用型號為SG90的舵機(jī)作為帶動超聲波模塊轉(zhuǎn)動的驅(qū)動裝置，其空載轉(zhuǎn)速可達(dá)0.12sec/60°，扭矩可達(dá)1.2到1.4kg/cm。SG90的動作由Arduino通過PWM信號進(jìn)行控制，在裝置中，SG90按照設(shè)定角度轉(zhuǎn)動，帶動超聲波模塊對車輛側(cè)方等多個方向進(jìn)行檢測。

3.4 液晶顯示屏

液晶顯示屏主要用于顯示檢測后的距離值，本文選用LCD1602作為顯示屏。LCD1602具有控制簡易、功耗低等優(yōu)點。LCD1602與Arduino板的連接方式分8位和4位兩種，為節(jié)省針腳資源，本文采用4位接法。

3.5 聲光報警模塊

本文利用無源蜂鳴器和發(fā)光二極管實現(xiàn)簡易的聲光報警功能，在完成測距和安全距離判斷后，如汽車與障礙物距離超過安全距離，則由Arduino輸出相應(yīng)電平控制蜂鳴器發(fā)出報警音，二極管進(jìn)行閃爍報警。

3.6 硬件接線圖，見圖3

4 程序設(shè)計

根據(jù)防碰撞裝置的功能設(shè)計，Arduino板的工作程序流程如圖4所示。該裝置的啟動由單獨(dú)開關(guān)控制，防碰撞裝置啟動后就會自動檢測車身周圍是否有障礙物的存在，并檢測計算車身和障礙物之間距離，若小于安全距離，則在顯示屏上顯示當(dāng)前障礙物距離，并發(fā)出聲光報警。若大于安全距離，則不發(fā)出告警。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的防碰撞裝置，以開源平臺Arduino作為控制單元，以破除駕駛視覺盲區(qū)為出發(fā)點，采用超聲波模塊搭配舵機(jī)實現(xiàn)了車輛周圍多向障礙物的檢測，初步完成了車輛在行駛過程中的多向防碰撞預(yù)警功能。但該防碰撞裝置仍是一個初級樣品，如不同車速下安全距離的參數(shù)設(shè)定等功能尚未考慮在內(nèi)，有待于進(jìn)一步改進(jìn)完善。

新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2018年度院級課題《一種多方向車用防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的研究及設(shè)計》，編號：J-18-05。

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