大型车辆超声波过弯雷达

石小平 唐 刚

（上海海事大学，中国 上海 201306）

0 前言

过弯雷达[1]是提醒驾驶员在转弯时道路交通环境中存在的安全隐患，以便提前做好准备，避免交通事故发生。大型车辆在过弯时由于其前后轮所运行轨迹不一致，会产生一个很大的内轮差[2]，甚至可达到2米，极易形成大型车辆司机的“视觉盲区”，发生交通事故的可能性也越大。

然而，现在汽车的价格也越来越低，这就限制了汽车过弯雷达不能有太高的制造单价，这就要求汽车过弯雷达必须具有价格低廉，结构简单，稳定可靠，操作方便等优势。因此对汽车过弯雷达的信号源要求就特别严格。在对比红外、激光、超声和电涡流等测距方式[3]后，发现超声波测距具有传播时间容易检测，发射强度易控制，易于定向发射，且不受电磁干扰等优势。因此超声波测距[4]作为汽车过弯雷达的测距信号最为理想。

1 测距系统设计

超声波测距的原理是渡越时间法：即S=VT/2，其中V是超声波在该环境下的传播速度（V=331.4m/s，t为摄氏温度值），T 是发送到接受所需时间，S即为测量距离。

系统工作原理是，首先单片机STC89C51RD通过程序控制发射出40Khz（传播效率最好）的方波信号，经超声波发射电路放大后通发射探头发出超声波。超声波经障碍物阻拦后反射回来，再被接收探头接收。然后在接收模块中经放大、滤波处理后形成一个电信号传送于单片机，读出发送到接受之间的时差T，再由系统计算距离S，最后将S送至LED显示输出。图1为超声波测距系统的构成。

图1 超声波测距原理

2 转弯报警值的分析计算

2.1 大型车转弯路径分析

如图2是大货车的转弯路线。没有轮差的转弯应当是前后轮转弯半径是一致的，但大型车在转弯时会有一个很大的内轮差，内轮差即车辆转弯时的前内轮的转弯半径与后内轮的转弯半径之差。图2中所标示的前内轮与后内轮的行进路线形成的区域为最危险区域。所以先要对这段距离做计算。车辆在行驶过程中，对周围物体的碰撞情况可以分成两类：一类，是车辆撞上了静止的物体；另一类，则是撞上移动中的物体。对于静止的物体，当其距离车过近已近进入车辆转弯时的内轮差区域，若驾驶员不采取措施则一定会撞上物体。图2中a段的左边区域表示的是大型车将会撞到的静止物体的部分。超出a段后，在a和b线段所夹的区域内，有物体以一定的速度向前方行驶时，当其比车辆早到达危险区域，则也会发生碰撞事故，因此也应当将这段距离视为危险区域。所以现在就要对静止物体的危险距离a和移动物体的危险距离b做计算，a与b之和就是预警距离。

图2 大型车转弯路径图

2.2 车辆报警值计算

1）静止物体安全距离的计算

物体不进入行驶车辆的内轮差范围内，则不会产生碰撞事故。如图3静止物体安全距离计算图即是等效转弯路径分析，在此将大型车辆转弯时其前轮转弯角度设置为固定值θ，由图可知，车辆在转弯时其前内轮半径R与后内轮半径r之间所夹的区域即是静止物体危险区域。静止物体必须远离行驶车辆S才能避免碰撞上。

图3 静止物体安全距离计算图

如公式1，其中L为车辆前后轴距，θ为车辆前轮的转弯角度（一般车辆转弯角度范围为0≤θ≤40°）。由公式1可知化简为则可知当θ=40°时，S取得最大值。

2）运动物体安全距离的计算

图4是移动物体安全距离的等效计算图，图中A点为汽车位置，B点为距离汽车S的移动物体的起始位置，当时间保持一致时，若移动物体相比汽车后到达C点，那么距离S为安全距离。为简化计算模型，将汽车前轮转向角度设置为定值。由此可以知道汽车转弯半径，其计算公式如公式2所示。

图4 移动物体安全距离计算图

L——大型车辆的前后轴距

d——车辆宽度

w——车道宽度

r——汽车的转弯半径

车辆和移动物体起始位置分别在线段AB两端，由图中可知只要在C点大车车尾较移动物体先通过，则不会发生事。故在该问题中，对于移动物体来说有h>v2t，如公式3所示；对车辆来说有故rsin，如公式4所示。

s——移动物体远离汽车的安全距离

v1——汽车行驶速度

v2——移动物体的移动速度

t——行驶时间

移动物体的安全距离计算时，车辆的参数选择为，轴距L=6米长，d=2米宽大型货车作为目标车辆，道路宽度选择国内标准w=3.5米宽，大型车速度选择为v1=20m/s，移动物体的速度选择为v2=5m/s。移动物体的速度选择速度较快的电瓶车的例（速度越快其发生事故可能性高，作为事故评价依据更可靠）。采用上述方法可求得静止物体的安全距离S=2.16米。移动物体的安全距离S=2.16+1.95可知轴距为6米的卡车和运动物体的报警距离为4.1米。为了确保安全，允许该值有一个小的溢出，因此可将此值设置为报警距离。

3）仿真研究

首先设置系统报警值，这里为方便操作，将预警值设定为4m，因此当进入4m范围内的障碍物应当报警。实验中利用简易的障碍物，分别将其与移动物体的距离设定如表1，利用超声波测距模块模拟车辆运行环境，验证其是否能正常测距和报警，并在报警重置后能否重启工作。试验结果如表1。

表1 试验中系统状态

如上试验可知，当物体在安全区域外移动时，警报没有响起，系统正常工作。当移动物体进入危险区域后，系统发出警报，直至报警手动解除后系统正常运行；当有物体再次进入预警范围后，系统再次报警。试验达到预期目标。

［1］Michael Sivak,Paull.olson,and Kenneth M.Farmer.Radar-measured reaction times of unalerted drivers to brake signals[J].Perceptual and Motor Skills,1982,Volume 55,pages 594-594.

［2］Guan Xin，Wang Jing WU，Gao Zhen hai.Vehicle adaptive cruise control system based on optimal preview acceleration decision making[J].Jounral of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2004，34(2)：189-193.

［3］李晓霞，李百川，侯德藻，等.汽车追尾碰撞预警系统开发研究[J].中国公路学报，2001，14(3)：93-95.

［4］鲍吉龙，应延治，赵洪霞，等.基于DSP技术的汽车防撞雷达[J].微计算机信息，2006，22(2)：188-190.