車用智能多信息融合安全警示喇叭＊

向堯，李軍政*，2，羅熠，胡顯明，王強，于永波

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術中心，湖南 長沙 410128）

1 前言

隨著汽車保有量和需求量的增加，道路交通安全問題也引起了廣泛關注，汽車在行駛過程中尤其是交通堵塞時，撲鼻使用鳴喇叭的方式來互相警示，因而由鳴喇叭造成的噪聲污染和引發(fā)的安全隱患日益嚴重，亟待解決[1]。通過政策性導向提倡城市用車節(jié)能減排，噪聲排放污染得到一定程度的緩解，但是由此帶來缺少必要警示喇叭[2]的安全隱患也隨之增加。因而噪聲減排與安全隱患增加成為一個難以調(diào)和的矛盾。

通過本項目產(chǎn)品，可以顯著降低城市道路車輛噪聲污染，保證喇叭的警示作用的同時，還延長了喇叭的使用壽命，該產(chǎn)品融合聲、光、色等多路感官信息向路上其他駕駛員傳遞警示信號，在車內(nèi)便能接受到信息，提高汽車道路行駛安全性能，并且集成行車輔助與多媒體娛樂等功能，增加汽車的科技感和駕駛樂趣。

2 整體設計方案

2.1 系統(tǒng)組成

該產(chǎn)品系統(tǒng)主要包括超聲波測距模塊、GPS定位模塊[3]、信號收發(fā)模塊、信號處理模塊、車內(nèi)顯聲模塊等組成部分。

2.2 工作原理

通過超聲波測距模塊和GPS定位模塊，測得兩車之間的距離、相對方位，將其進行數(shù)據(jù)處理后經(jīng)信號發(fā)射模塊發(fā)送出去。周邊車輛通過信號收發(fā)模塊接收到信號后，將源車輛的聲音信號和方位信號進行還原，然后打包向周圍車輛發(fā)送信號，當周圍車輛接受信號并通過數(shù)字信號接收模塊將數(shù)字信號輸入到單片機。單片機將數(shù)字信號處理成對應數(shù)字模擬信號，然后反饋到喇叭模塊以及顯示模塊。接下來根據(jù)信號持續(xù)的時間是否滿足，從而車內(nèi)喇叭發(fā)出聲音，顯示屏上顯示兩車的方位，并可發(fā)出語音提示發(fā)出信號的車輛方位。該產(chǎn)品將喇叭警示信號通過裝置中各模塊傳感信號傳遞到其他車輛的駕駛室內(nèi)，并轉變?yōu)楣?、聲、色等多路感官警示信息，達到降低車外噪聲排放的同時提高安全警示效果。

測試喇叭聲在空氣中傳播最遠距離，然后通過算法將數(shù)字信號轉換成對應的模擬信號，最后實現(xiàn)信號的轉移，讓喇叭模塊發(fā)出聲音。如下圖中A為一輛普通小轎車，r為A鳴喇叭時聲音所能傳遞的范圍半徑，B、C、D、E、F、G為分布在A車周圍的車輛。假設：K為聲損系數(shù)，F(xiàn)B為A所發(fā)出的聲音強度（分貝），則現(xiàn)實場景模擬如圖1所示。

設其中任一輛距離目標車輛X米車輛內(nèi)部喇叭聲音分貝計算公式：

E、F分別在A車的前后，且不在A車喇叭傳播范圍內(nèi)，B、C、D、G都在A車喇叭聲的傳播范圍內(nèi)，由上述公式可計算：

傳遞到B、C、D、G車喇叭聲音分貝數(shù)分別為：

FBb=FB-Lab*K；

FBc=FB-Lac*K；

FBd=FB-Lad*K；

FBg=FB-Lag*K；

圖1 喇叭聲在空氣中傳播場景模擬圖

2.3 系統(tǒng)工作流程

本文設計的智能多信息融合安全警示喇叭工作流程如圖2所示，當司機按下警示喇叭，聲音信號轉化為距離、方位等信號，并發(fā)送到附近其他車輛，其他車輛內(nèi)部警示系統(tǒng)對外來信號進行判斷并執(zhí)行。若為本車自身發(fā)出的警示信號，則不執(zhí)行。若為其他車輛發(fā)出的警示信號，判斷是否在范圍內(nèi)，以及按喇叭的時間是否大于設定時間，若同時滿足，則執(zhí)行鳴喇叭和顯示車輛方位，若沒能同時滿足，則只執(zhí)行顯示車輛方位。

圖2 智能多信息融合安全警示喇叭工作原理圖

3 主要模塊設計

3.1 測距定位模塊

該模塊利用超聲波測距傳感器。其基本工作原理為超聲波回波測距原理：給予此超聲波測距模塊一觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當超聲波投射到物體而反射回來時，模塊輸出一回響信號，以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定物體的距離[4]。

該實驗產(chǎn)品選用的超聲波測距模塊可提供 2cm-4.5m的非接觸式距離感測功能，運用精確的時差測量技術，檢測傳感器與目標物之間的距離，精確到小角度，小盲區(qū)。表1為該傳感器電氣參數(shù)。

表1 超聲波測距傳感器電氣參數(shù)

3.2 信號處理模塊

信號轉換模塊構成包括：A/D信號轉換器、微型處理器（單片機）、擬聲器。該實驗產(chǎn)品選用的是STC89C52單片機，其工作電壓：5.5V～3.3V，工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051 的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz，共3 個16 位定時器/計數(shù)器，利用該超聲波測距模塊進行路面喇叭信號接收的模擬仿真[5-6]。

3.3 顯示模塊

該實驗產(chǎn)品選用TFT彩色液晶顯示模塊[7]，其工作電壓為3.3V，模擬場景中喇叭聲反饋形式如圖3所示。

A為信號測定發(fā)射裝置，B、C、D、E車內(nèi)都裝有喇叭擬聲器，最大半徑r為信號有效范圍。其中，r的取數(shù)根據(jù)原車喇叭聲擴散的最大距離而定。

圖3 模擬場景中喇叭聲原理圖

經(jīng)過信號接收、轉換、再由顯示模塊顯示，B車中喇叭擬聲器模塊將A車發(fā)出的反饋信號復原為B車原有的FBb分貝數(shù)，變成清晰安全的喇叭提示聲和擬人語音通報聲，同時顯示屏通過顏色差異的方式顯示道路上車輛的遠近，通過多種方式向目標車傳遞附近車輛相對方位和距離的信息。例如圖4中紅色車輛C，車速較快正在進行超車，A車將獲得警示提示信息，從而提高駕駛員對道路的警示效果。

4 結論

本文在不影響汽車其他設備使用的基礎上對喇叭的功能進行了綠色環(huán)保、安全智能的優(yōu)化。緩解車外噪聲污染排放的同時，提供多路感官信息以提高行車安全警示效果，功能獨立模塊化[8]，與現(xiàn)車無縫兼容連接，既不影響原車使用功能，也易于實現(xiàn)標準化，且兼具多功能拓展性，集成光、聲、色的警示信號顯示，增強汽車科技感，結構簡單，成本低廉，具有較大的現(xiàn)實意義和市場價值。

[1] 李岳林.汽車排放與噪聲控制[M].人民交通出版社,2015.

[2] 高蘭蘭.汽車警示喇叭基本性能測試系統(tǒng)研究[D].哈爾濱理工大學,2013.

[3] 于洪林.郭愛煌.一種基于GPS定位數(shù)據(jù)的測距方法[D]，2011 .

[4] 鄒軼.近距離高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計[D].大連理工大學,2009.

[5] 羅江,戶永清.51單片機多任務機制的實現(xiàn)策略研究[J].四川文理學院學報,2008,(02):82-84.

[6] 凌躍,馬東平.仿真技術——AVSIM-51模擬仿真軟件[J].電機電器技術,1990,(03):24-46.

[7] 毛學軍,沙祥.一種基于MSP430單片機的彩色TFT液晶顯示模塊的應用[J].電子世界,2010,(01):15-17.

[8] 夏明忠,夏以軒,李兵元.軟件模塊化設計和模塊化管理[J].中國信息界,2012,(11):56-59.