大型車輛內(nèi)輪差危險區(qū)域雙向示警系統(tǒng)設計*

*本項目獲得“2020全國大學生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽·創(chuàng)新實踐項目組”遼寧省一等獎、東北賽區(qū)二等獎、國家級三等獎。

指導教師：汪語哲、謝春利。

作者簡介：張皓天(1998— )，碩士生，主要研究方向：先進控制和人工智能。

摘 要：大型車輛由于自身車長，軸距長等特點在轉彎過程中前輪與后輪軌跡不重合，形成“內(nèi)輪差”區(qū)域。大型車輛發(fā)生的惡性交通事故中，由于“內(nèi)輪差”引發(fā)的事故占70%以上。針對大型車輛轉彎視覺盲區(qū)“內(nèi)輪差”問題，本設計提出一套大型車輛內(nèi)輪差危險區(qū)域雙向示警系統(tǒng)的設計方案。整個系統(tǒng)模擬真實車輛轉向過程。主控模塊采用STM32進行控制，通過連接電路、實驗調試后，該系統(tǒng)可以模擬真實車輛轉向過程，并計算“內(nèi)輪差”危險區(qū)域，進行相關雙向聲光示警，能夠達到預期目標，對有效減少大型車輛“內(nèi)輪差”事故的發(fā)生提供解決方案。

圖1 內(nèi)輪差區(qū)域示意圖

1   系統(tǒng)總體設計方案

1.1 內(nèi)輪差區(qū)域計算方法

建立車輛內(nèi)輪差模型首先需要明確內(nèi)輪差定義，內(nèi)輪差是車輛轉向過程中，前內(nèi)輪轉彎半徑減去后內(nèi)輪轉彎半徑的差值^[5]，而內(nèi)輪差區(qū)域則是兩輪轉向過程中前內(nèi)輪與后內(nèi)輪不重合所形成的區(qū)域。內(nèi)輪差的大小主要與以下三個因素有關。

●   車長：即整車的軸距，前軸與后軸的距離。

●   車寬：即前軸或后軸的軸間距。

●   轉彎半徑：由車輛轉彎時所形成的前輪后輪不同的轉彎半徑。

給出計算車輛內(nèi)輪差系統(tǒng)簡化模型，并標明所需參數(shù)。l 為車長、前輪與后輪的軸距， d 為車身寬度，前軸軸間距，OC、OE、OB、OF分別為四個輪的轉彎半徑。未說明參數(shù)后續(xù)計算中會另作說明。汽車轉向模型圖如圖2 所示。

圖2 汽車轉向模型圖

內(nèi)輪差計算推導步驟如下：

1)根據(jù)內(nèi)輪差的定義，內(nèi)輪差m = OD ?OC，所以需要OD 和OC 的數(shù)據(jù)。

2)△ OCD 是直角三角形， 根據(jù)勾股定理，OD2 = OC2+CD2，CD 就是汽車軸距l(xiāng)，所以需要OC的數(shù)據(jù)。

3) 從圖中分析，OC = OB ? BC，BC就是汽車后輪距d ，所以需要OB 的數(shù)據(jù)。

4) △ OAB 是直角三角形，根據(jù)勾股定理，OB2 = OA2 ? AB2，所以需要OA和AB的數(shù)據(jù)。

5) OA就是汽車最小轉彎半徑r，而AB = CD，也就是汽車軸距l(xiāng) ，所以最大內(nèi)輪差m可以計算得到。根據(jù)前面分析進行推導，過程如下：內(nèi)輪差m 計算如式(1) 所示。

前輪轉彎半徑OD 由勾股定理推導得出，如式(2)所示。

同理，計算得到OC，則內(nèi)輪差m 求解模型如式(3)所示。

由公式可以看出，內(nèi)輪差大小與車長（軸距）、車寬（同軸間距）、轉彎半徑（轉向角）有關，三個因素均與內(nèi)輪差的大小成正相關。

計算圓弧面積即可得出內(nèi)輪差區(qū)域面積。

1.2 本系統(tǒng)設計方案

本設計包括STM32 單片機主控模塊、角度信息反饋模塊、超聲波測距模塊、聲光報警模塊以及輔助演示模塊。聲光報警模塊又分為蜂鳴器模塊和激光投射模塊，輔助演示模塊為紅外循跡模塊。整個系統(tǒng)模擬了真實車輛轉向過程中內(nèi)輪差區(qū)的檢測與報警。在車輛轉向過程中，角度信息反饋模塊檢測車輛轉彎信息，主控模塊經(jīng)計算后控制舵機精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進行相關示警?？傮w的設計方案如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)方案圖

2   系統(tǒng)硬件設計

硬件部分設計主要由STM32 主控模塊、超聲波測距模塊、示警模塊和輔助演示模塊構成。

2.1 STM32主控模塊

相對于大學階段接觸較多的51 系列芯片，STM32系列芯片引腳更多，功能更全面，也更便于開發(fā)，本次設計采用STM32F103RCT6 作為主控芯片，外部連接聲光報警模塊、超聲波測控模塊，并配置紅外循跡模塊。其引腳圖如4 所示。

圖4 STM32F103RCT6引腳圖

主控模塊控制外部連接聲光報警模塊、超聲波測控模塊，并配置紅外循跡模塊。

2.2 超聲波測距模塊

超聲波測距傳感器采用HC-RS04^[6]。內(nèi)部電路圖如圖5所示。

圖5 超聲波內(nèi)部電路圖圖

超聲波有四個引腳，分別為供電電壓為5 V 的VCC電源引腳，GND 接地線，TR 觸發(fā)控制信號輸入，EC回響信號輸出，其引腳電路圖如圖6 所示。

圖6 超聲波引腳電路圖

超聲波傳感器能夠實現(xiàn)測量距離作用的同時，也能夠實現(xiàn)判斷距離內(nèi)是否有障礙物功能^[7]。本設計中超聲波測距傳感器主要檢測內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)是否有障礙物存在，若存在障礙物則將信息傳遞給主控模塊，進行下一步聲光報警系統(tǒng)。

2.3 示警模塊

示警模塊包括兩部分：聲音報警模塊與激光投射模塊，合稱聲光報警模塊。

2.3.1 聲音示警模塊

聲音示警模塊采用簡單蜂鳴器即可，此系統(tǒng)中其工作原理為主控芯片接收到超聲波測距反饋信息，若判斷有障礙物存在，則啟動蜂鳴器驅動電路，進行聲音示警功能。其電路圖如圖7 所示。

圖7 蜂鳴器電路圖

2.3.2 激光投射模塊

經(jīng)過選型比較，激光投射模塊選擇RUILIPU（瑞利普）激光霧燈，由主控模塊進行控制，根據(jù)計算結果投射內(nèi)輪差區(qū)域。激光投射模塊實物效果圖如圖8 所示。

圖8 激光投射模塊實物效果圖

2.4 輔助展示模塊

輔助展示模塊為紅外循跡模塊，作用為更好實現(xiàn)控制車輛轉向角度。

為有效控制車輛轉向角度，方便直觀體現(xiàn)汽車轉向過程中的內(nèi)輪差區(qū)域，也為配合本系統(tǒng)設計要求，為模型小車設計了紅外循跡模塊功能。

紅外傳感器選擇兩個ST188，其采用高發(fā)射率紅外光電二極管和高靈敏的光電晶體管組成。

其電路圖如圖9 所示。

圖9 循跡模塊電路圖

3   系統(tǒng)軟件主程序設計

主程序程序設計是系統(tǒng)的整體軟件思路設計，上電系統(tǒng)初始化，小車正常循跡，檢測車輛是否轉彎，檢測到轉彎則開始計算內(nèi)輪差區(qū)域，將計算結果反饋給主控模塊，主控模塊向超聲波模塊發(fā)送指令檢測內(nèi)輪差內(nèi)是否有障礙物，有障礙物則進行聲光示警。沒有則小車正常循跡，直至有轉彎出現(xiàn)。主程序軟件設計流程圖如圖10 所示。

圖10 主程序軟件設計流程圖

4   系統(tǒng)調試

4.1 硬件調試

本次硬件調試主要先對先各個部分分別進行功能調試，然后對整體進行調試。對內(nèi)輪差區(qū)域有無物體分別進行調試、對循跡模塊進行調試。循跡功能模塊如圖11所示。

內(nèi)輪差有無物體調試圖如圖12 所示。

圖11 循跡功能調試圖

圖12 內(nèi)輪差區(qū)域有無物體調試圖

4.2 軟件調試

軟件調試主要是對各個程序之間連接問題以及計算處理問題進行調試。將程序下載到微控制器里，配合硬件調試一同進行。結果顯示軟件程序部分沒有問題。

5   結語

大型車輛交通事故頻頻發(fā)生，而由于內(nèi)輪差造成的交通事故又占多數(shù)，針對大型車輛轉彎視覺盲區(qū)“內(nèi)輪差”問題，設計一套大型車輛內(nèi)輪差危險區(qū)域雙向示警系統(tǒng)。設計出能夠模擬大型車輛轉彎的模型實物，整個系統(tǒng)設計模擬真實車輛轉向過程中內(nèi)輪差區(qū)域的檢測與示警。在車輛轉向過程中，角度信息測量模塊檢測車輛轉彎信息，主控模塊采用STM32 進行控制，經(jīng)計算后控制投射裝置精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進行司機與行人雙向示警。

通過方案設計、器件選型、硬件與軟件的設計與調試，最終完成制作，實現(xiàn)了預期目標，能夠針對車輛內(nèi)輪差區(qū)域進行相關示警操作。檢測到內(nèi)輪差區(qū)域有障礙物時，聲光同提示示司機與行人，為真實大型車輛減少內(nèi)輪差事故提供解決方案。

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（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2021年第2期，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）