面向周邊行人車輛的大型車輛轉彎預警系統(tǒng)

高寧欣 付東方 王涯鑫 喬磊

摘 要：為減少大型車輛右轉彎碰撞事故對行人的傷害，設計了一種整合超聲波測距原理和激光投影技術為一體的大型車輛轉彎預警系統(tǒng)。在大型車輛轉彎時，一方面超聲波測距儀對車輛轉彎半徑內側物體進行測距并與事先設置的安全距離閾值比較，當實際距離小于安全距離時，ECU控制聲音播報系統(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，利用激光投影儀對大型車輛轉彎時所需占用的路幅區(qū)域進行實時投影，從而警示周邊車輛及行人注意躲避危險區(qū)域。

關鍵詞：大型車輛；內輪差；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，由于經濟發(fā)展和工業(yè)運輸?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，大型車輛在過彎時由于其前后輪所運行軌跡不一致，會產生一個很大的內輪差，甚至可達到2米，極易形成大型車輛司機的“

視覺盲區(qū)”，發(fā)生交通事故的可能性也越大。當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，行人很多時候并不能意識到內輪差的危險性，主觀的認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到有內輪差，但并不能準確判定出自己是否處于危險范圍，同樣導致發(fā)生危險事故的后果。

1.2 國內外研究現(xiàn)狀

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

三菱集團為了解決重型貨車前盲區(qū)內行人保護的問題，對行人識別系統(tǒng)[1]進行了研究，將多個攝像頭安裝在貨車前部， 對車前盲區(qū)內的行人進行檢測，將拍攝到的圖像與計算機存儲的人體特征庫進行比較，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，并對駕駛員進行報警提醒。美國福特公司和伊頓公司聯(lián)合研發(fā)的Vorad汽車盲區(qū)防撞雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用分布于車身周圍的雷達傳感器，探測距離能達到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，對信號進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警的方式對駕駛員進行提醒。另外，在事故發(fā)生前，系統(tǒng)會根據(jù)所采集的信息判定是否通過自動剎車裝置來進行制動操作。

中國科學院李守曉[2]研究和設計了基于毫米波雷達的盲點檢測系統(tǒng)。通過對變道工況的研究和分析，提出利用雷達傳感器來進行其他車輛距離的實時測量，進而依據(jù)換道安全距離模型對距離信息進行判斷，得出是否需要采取措施避免事故發(fā)生。此外，針對距離耦合問題提出利用線性調頻的方法來進一步改善。同時對實驗數(shù)據(jù)進行了仿真分析。該系統(tǒng)能對與自車鄰近的車道進行檢測，可獲得50m的探測距離。

對大型車輛轉彎預警的安全產品研究分析，現(xiàn)在可以查詢到的專利主要是以雷達或攝像頭等為依托探測視野盲區(qū)，這些安全產品單一針對大型車輛駕駛員。而針對周邊車輛和行人的警示產品則相對缺乏。因此迫切需要一套既能對駕駛員語音提示預警又能標識轉向時危險區(qū)域的大型車輛轉彎預警系統(tǒng)。

第二章 情景化設計

2.1轉彎模型建立

內輪差定義為車輛在轉彎過程中內側前輪和后輪的轉彎半徑差。在最大轉向角的情況下產生最大內輪差，此時車輛左前輪轉彎產生的軌跡圓弧半徑等于最小轉彎半徑。如果駕駛員在轉彎時沒有考慮內輪差，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。為了獲得車輛右轉彎時的安全距離模型，需要計算其最大內輪差。內輪差的示意圖如圖（1）所示，

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

由于車輛在轉向時各車輪繞瞬心旋轉，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動。令轉向內側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 ，轉向外側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

轉向輪偏轉角度可由方向盤轉動角度及轉向系角傳動比（根據(jù)不同車型以及方向盤已經偏轉的角度共同確定）計算得知。

由于一般轉向時，方向盤連續(xù)轉動，故可擬合出整個轉向過程中車輛同側輪胎的軌跡。在車輛行駛中，由方向盤轉角傳感器可以測得某一時刻方向盤的轉動角度α，方向盤轉動的角速度 以及方向盤轉動的角加速度 ，由此可知其在一定時間內的轉角變化。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，車輛的轉彎半徑需額外乘以系數(shù)（1+KU2） ，U 為當前車速。

又根據(jù)車速以及加速度，可以得出車輛在在一定時間內的行駛距離，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計

超聲波測距儀是由單片機最小系統(tǒng)、超聲波探頭、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器報警模塊、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)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。當距離小于設置距離時，蜂鳴器和指示燈發(fā)出聲光報警，當距離大于設置距離，停止報警。報警距離可以通過按鍵設置，按下設置鍵。設定安全距離為2.5米，在距離車身2.5米以內如果存在行人或車輛，則報警系統(tǒng)會啟動同時對大型車輛的駕駛者以及周邊的行人車輛進行警示。

2.3 轉向內輪差范圍標識

根據(jù)以上建模的理論研究，我們設計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識出大型車輛轉向內輪差。希望通過標識出醒目的危險區(qū)域以減小大型車輛在轉向過程中發(fā)生事故的可能性。該裝置主要由一字激光燈，旋轉舵機，單片機和電源組成。設定大型車輛的左右轉向角度最大各為900°。一字激光燈的轉動角度由舵機進行控制。設定左轉是順時針角度，右轉是逆時針角度。

整體的工作流程如下：

（1）駕駛者打開轉向燈，裝置電源接通，裝置開始工作。

（2）當轉角為正負300°時，舵機轉動角度為10°

（3）當轉角為正負600°時，舵機轉動角度為20°

（4）當轉角為正負900°時，舵機轉動為30°

當駕駛者往回打方向盤時，舵機轉動角度依照上述位置點進行調整，該裝置的開關信號可串聯(lián)與汽車轉向燈上，即轉向燈打開，裝置開始工作，轉向燈關閉，裝置關閉。

第三章 結語

本文主要利用超聲波測距原理和激光投影技術設計一預警系統(tǒng)，可以初步實現(xiàn)對大型車輛周邊行人的探測，同時動態(tài)虛擬大型車輛轉向的內輪差，劃出危險區(qū)域，實現(xiàn)在大型車輛轉向過程中對駕駛員和周邊行人、車輛的警示作用。而未涉及盲區(qū)內行人檢測和跟蹤算法的研究。如何獲取行人運動軌跡，使行人得到更好的保護，今后可進一步研究探討。

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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，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，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，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，車輛工程方向。

*【基金項目】本文系江蘇大學2017年度大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目，項目編號：201710299030Z