基于Arduino單片機的汽車并線輔助系統(tǒng)設(shè)計

李 明 娟

(濱州學(xué)院 飛行學(xué)院，山東 濱州 256603)

0 引 言

汽車并線輔助系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)(ITS)的一個部分，在這幾年逐漸地進(jìn)入人們的視野中。隨著汽車的普及，并線輔助系統(tǒng)也成為一個不可缺少的選裝配置，該系統(tǒng)可以輔助駕駛員駕駛車輛并線，為駕駛員提供更加可靠地道路車流信息，極大地增加了汽車的道路行駛安全[1]。近年來，對汽車輔助駕駛系統(tǒng)的研發(fā)受到了世界各國的廣泛關(guān)注，日本、德國和美國等國家都針對本國的人口、汽車數(shù)量和實際公路狀況，對汽車輔助駕駛系統(tǒng)包括研發(fā)方向都做了規(guī)劃[2-4]。

兩車碰撞的事故可以劃分成車輛追尾、車輛并線角碰撞和車輛并線側(cè)方向剮蹭3種[5]。由于汽車反光鏡存在著視覺上的盲區(qū)，導(dǎo)致了司機無法實時、正確地獲得相鄰車道中車輛的實時狀態(tài)，所以車輛并線側(cè)方向剮蹭就成為兩車碰撞事件中事故率最高的一種。目前，汽車并線輔助系統(tǒng)在汽車中的裝配比例非常小，新車已配備了汽車并線輔助系統(tǒng)功能的幾乎沒有。另外，現(xiàn)有汽車并線輔助系統(tǒng)只有燈光報警模塊，駕駛員有時會因為光線問題，看不到燈光報警，導(dǎo)致并線輔助系統(tǒng)不夠?qū)嵱肹6-8]。鑒于此，設(shè)計一款具有聲、光警示和方向盤震動的汽車并線輔助系統(tǒng)就顯得尤為必要。

1 系統(tǒng)組成及基本工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由Arduino微處理器、電源模塊、超聲波傳感器發(fā)射和接收模塊、報警模塊組成，其中報警模塊包括LED模塊、震動模塊、蜂鳴器模塊3部分。汽車并線輔助系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 汽車并線輔助系統(tǒng)整體框圖

1.2 基本工作原理

本系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)駕駛員向左或向右撥動轉(zhuǎn)向桿時才開啟汽車并線輔助系統(tǒng)，以防出現(xiàn)盲目報警的情況，從而為駕駛員提供更準(zhǔn)確的信息。當(dāng)駕駛員撥動轉(zhuǎn)向燈桿，系統(tǒng)啟動，根據(jù)撥動轉(zhuǎn)向燈桿的方向開啟該方向的傳感器。主控制中心單片機、傳感器檢測范圍預(yù)先設(shè)定好，單片機在收到傳感器檢測到的后方車輛信號時，便進(jìn)入軟件判斷流程，根據(jù)傳感器判斷的距離進(jìn)行分級和聲光報警。如后方有車隊在另一條車道通過的過程中，通過不停的向主控制器發(fā)送檢測數(shù)據(jù)來提醒駕駛員現(xiàn)在時刻不適合變道，單片機通過檢測數(shù)據(jù)與內(nèi)存的設(shè)定值進(jìn)行對比之后得到準(zhǔn)確的結(jié)果，并實現(xiàn)報警，并根據(jù)距離的等級給駕駛員不同等級的警報。

2 軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1主控制器模塊

該系統(tǒng)選用的單片機為Arduino Mega 2560，選擇該款單片機的原因在于其容易操作和學(xué)習(xí)，價格低廉成本低，可以滿足設(shè)計需要；該單片機最主要的優(yōu)點就是擁有比較多的IO接口，數(shù)量多達(dá)54個，特別適合需要大量IO接口的設(shè)計[9-10]。本系統(tǒng)的設(shè)計需要超聲波傳感器模塊的檢測、報警模塊的輸出，所以Arduino Mega 2560單片機是汽車并線輔助系統(tǒng)的最佳選擇。Arduino 2560單片機針腳圖如圖2所示。

圖2 Arduino 2560單片機針腳圖

本設(shè)計選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為ADC0809。其工作原理是：將得到的編碼進(jìn)行鎖存后，然后進(jìn)行詳細(xì)譯碼，從所有編碼的信號中選擇一個信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器開始工作的時候，首先要導(dǎo)出一個3位的地址編碼，并伴隨輸出指示命令A(yù)LE=1，然后將前邊保存的地址輸入到ADC0809的地址鎖存器中。這樣，前邊輸出的編譯碼就可以從轉(zhuǎn)換器中的8路模擬通道輸入到其中的一個對比器中進(jìn)行詳細(xì)比較。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)變成功后，會將編碼由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束，并且將最終結(jié)果輸出到Arduino Mega 2560單片機。

2.1.2傳感器模塊

本系統(tǒng)檢測模塊選擇超聲波測距模塊(HC-SR04)，該模塊有超級敏感的環(huán)境補償功能，極大地減少了由于環(huán)境溫度變化造成的檢測誤差。HC-SR04應(yīng)用二C的總線和單片機傳輸信號對單片機輸出的二C命令開啟自動接收模式，還可以對其他方向車道上汽車進(jìn)行檢測，非常簡單，因此該模塊占用單片機的信號資源和輸入、輸出接口的現(xiàn)象極大地減少[11-13]。因此，HC-SR04安裝在汽車并線輔助系統(tǒng)中是較好的選擇。HC-SR04采用非接觸式距離檢測方式，測量距離的精度可以達(dá)到3 mm。

2.1.3報警模塊

報警模塊主要由蜂鳴器模塊、震動模塊和燈光模塊三部分組成。在汽車并線或者超車的過程中，若需要警示駕駛員，報警模塊就能收到來自單片機的驅(qū)動信號，驅(qū)動蜂鳴器模塊發(fā)聲、震動模塊震動和燈光模塊由綠燈變?yōu)樗{(lán)燈或者紅燈閃爍。當(dāng)檢測到與相鄰車道側(cè)后方的汽車距離大于提前設(shè)定的安全距離時，不做任何報警動作繼續(xù)進(jìn)行再一次的測量，這時駕駛員可以自由變道。當(dāng)檢測到與相鄰車道側(cè)后方的汽車距離小于提前設(shè)定的安全距離時，報警模塊開始發(fā)出報警信號，即燈亮、聲音、震動報警。根據(jù)兩車距離的大小可以分不同的等級報警，即蜂鳴器模塊的發(fā)聲頻率和燈光模塊的顏色都不同。(1)安全模式：綠燈亮，無聲音和震動；(2)緩沖模式：藍(lán)燈亮，發(fā)聲和震動頻率低；(3)危險模式：紅燈亮，發(fā)聲和震動頻率高。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于Arduino汽車并線輔助系統(tǒng)使用模塊化的設(shè)計，程序直觀方便易讀，模塊的功能通過不斷地調(diào)用子程序模塊來實現(xiàn)。設(shè)計的重點是對道路車流數(shù)據(jù)的采集和檢測，判斷是否有車輛進(jìn)入盲區(qū)與危險報警的子程序。

為了減少誤報率，提高系統(tǒng)的運行流暢度，本設(shè)計對道路中車流的狀況進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較。最后，單片機輸出汽車是否能夠變道的信號到報警系統(tǒng)。

2.2.1汽車并線輔助系統(tǒng)程序設(shè)計

軟件部分的設(shè)計采用的方法是前后臺多任務(wù)，本設(shè)計把超聲波檢測程序和報警程序分別寫成兩個部分，并設(shè)定低功耗運行模式，這樣能夠降低系統(tǒng)功耗，減少汽車電瓶頻繁放點的次數(shù)，增加汽車電瓶的壽命。

系統(tǒng)運行首先是Arduino Mega 2560微型處理器啟動并開始初始化配置[14]。系統(tǒng)總程序流程圖如圖3所示。當(dāng)檢測到相鄰車道有車輛時，得到檢測的數(shù)值，并且將提前設(shè)定的安全距離與測量的距離進(jìn)行對比，當(dāng)數(shù)值進(jìn)入設(shè)定循環(huán)值時，進(jìn)而就能夠判斷出是否需要啟動報警模塊，在視覺、聽覺和觸覺方面給駕駛員做下一步動作，從而做出參考。

圖3 系統(tǒng)總程序流程圖

2.2.2主程序初始化流程

接通系統(tǒng)電源，首先運行定時器的預(yù)先設(shè)定，然后讓系統(tǒng)停止工作，藍(lán)燈閃爍、蜂鳴器報警、震動模塊震動、超聲波模塊實時檢測鄰側(cè)道路現(xiàn)場的車輛數(shù)據(jù)；最后關(guān)掉所有報警模塊，并打開綠燈，完成主程序的初始化[15-16]。這時綠色LED燈發(fā)光，在這種條件下蜂鳴器和震動模塊不作任何報警動作。主程序初始化流程圖如圖4所示。

3 實物功能測試

3.1 實物功能測試

基于Arduino單片機的汽車并線輔助系統(tǒng)實物圖如圖5所示。模擬道路路況進(jìn)行實物功能測試，由于實物是根據(jù)汽車的尺寸按比例縮小的，所以測試的數(shù)據(jù)也是按比例縮小。當(dāng)車輛正常行駛時，本系統(tǒng)不啟動，撥動轉(zhuǎn)向燈桿，系統(tǒng)啟動并根據(jù)燈桿撥動方向啟動該方向的超聲波測距傳感器，若檢測到相鄰車道的后方?jīng)]有車輛行駛，LED燈綠燈亮，其它模塊不報警，駕駛員可以自由變道或超車；若相鄰車道有車輛，兩車相距進(jìn)入緩沖模式，LED燈藍(lán)燈亮、蜂鳴器和震動模塊報警頻率低；若相鄰車道有車并且兩車距離進(jìn)入危險模式，即有車進(jìn)入視覺盲區(qū)，LED燈紅燈亮，蜂鳴器響的頻率高，震動模塊震動明顯，這時不能并線或者超車。

圖4 主程序初始化流程圖

圖5 汽車并線輔助系統(tǒng)實物圖

3.2 測試結(jié)果分析

由于現(xiàn)有汽車并線輔助系統(tǒng)只有燈光報警模塊，駕駛員有時會因為光線問題，看不到燈光報警，導(dǎo)致并

線輔助系統(tǒng)不太實用。與現(xiàn)有的汽車并線輔助系統(tǒng)相比，本設(shè)計的3種報警模塊同時報警避免了此問題，即不僅有燈光報警模塊，還有蜂鳴器模塊和震動模塊。在實際運行中，各模塊運行穩(wěn)定和精確。

4 結(jié) 語

本設(shè)計應(yīng)用了Arduino Mega2560單片機和HC-SR04超聲波測距模塊，使用自制汽車模型作為系統(tǒng)載體，并將系統(tǒng)安裝在該模型上。通過對系統(tǒng)測試及運行，該設(shè)計穩(wěn)定性高，結(jié)果較為精確。該系統(tǒng)還因價位較低，且可靠性較高，易于在市場推廣，能滿足汽車擁有者的需求。需要注意的是，汽車并線輔助系統(tǒng)并不能完全代替駕駛員判斷路況，即使汽車安裝了該系統(tǒng)，駕駛員仍然需要觀察汽車的后視鏡實時關(guān)注路況，保證行車安全。

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