基于车路协同的重型车辆侧翻预警系统设计

陈 敏，赵志国，，王寒东，王 超，于 飞，钱明达

(1.东南大学机械工程学院;2.淮阴工学院交通工程学院)

1 基于车路协同的重型车辆侧翻预警方案和原理

图1 为基于车路协同的车辆侧翻预警系统框图，该系统由路侧设备、路侧无线发射模块、车载无线接收模块、实时测速模块和预警系统组成。路侧设备负责发送道路信息，主体为无线发射模块;车载单元安装在车内，负责获取路侧设备播发的信息，同时通过车载单元获取车辆自身信息及实时车速，经过计算后获得转向速度限制，与实时车速进行比较，提醒驾驶员是否安全转向，有效地提高弯道处行车安全。

图1 车辆侧翻预警系统原理

图2 为重型车辆侧翻预警原理。

重型车辆侧翻预警原理如下。

(1)测量车辆自身信息:长宽高，重心高度，轮距，轴距等。写入车载单元的为:重心高度hg，轮距B。

(2)基站射频设备放置位置的确定:基站射频设备放置在距离前方转向点50 ～100 m 处。

(3)向基站发射设备中写入道路信息:弯道半径、弯道的倾斜角并通过无线发射模块向外发送。

(4)判断车辆是否进入通信区域，若车辆未进入通信区域，则车载单元保持静默，并不获取弯道信息;若车辆进入了通信区域，则车载单元被触发，准备获取前方道路信息。

(5)车载单元获取前方道路信息。

(6)车载单元提取车辆实时速度信息。

(7)根据已经获取的弯道信息通过以上的数学公式计算临界速度。

(8)将计算得到的临界速度值显示出来，以告知驾驶员。

(9)根据车速比较结果确定是否报警;若车辆速度大于安全速度上限，则立即红灯亮，通过声音进行报警，车辆速度低于安全速度上限10 km/h 以内，则报警取消，只显示黄灯以示提醒;若车辆速度一直低于安全速度上限10 km/h 以上，则绿灯常亮，保持静默。

(10)车辆转向完毕，关闭提醒。

图2 预警原理

2 车辆侧翻临界车速计算

为了简化模型，忽略车辆悬挂的变形和轮胎的柔性变形，将车辆看做刚体的准静态模型。文献分析表明，悬挂车辆与刚性车辆相比，侧翻临界值相差不大，因此本文采用不考虑悬架变形的静力学模型，如图3 所示。图中Fc为离心力;Ff为侧向摩擦力;θ 为道路横向坡度角;B 为汽车的轮距;hg为重心高度;G 为汽车总重力。

按照图3 所示的车辆准静态模型，车辆侧翻力矩小于稳定力矩时，车辆不会发生侧翻，即

图3 重型车辆在弯道上转向时的受力图

若车辆速度大于安全速度上限，则红灯亮，立即通过声音进行报警;车辆速度低于安全速度上限10 km/h 以内，则报警取消，只显示黄灯以示提醒;车辆速度低于安全速度上限10 km/h 以上，则显示绿灯。

3 预警系统软硬件设计

3.1 硬件结构设计

由于每个基站相对应一个固定的弯道，而经过弯道的车辆并不相同。因此路侧设备负责写入固定的弯道半径、弯道的倾斜角等数据，并发送给车载预警系统。每辆车的几何参数各不相同，因此车载设备写入的数据各不相同，包括各个车辆的重心高度、长、宽、高外形参数信息，轴距、前悬、后悬、轮胎参数等几何信息，运行预警算法，并实时检测车速。系统硬件结构如图4 所示。

图4 系统硬件结构框图

3.2 主要元器件选取

(1)系统MCU 的选取。侧翻预警器要求MCU 具有较高的稳定性和低成本的特点，选取STC89C52 作为发射基站和侧翻预警的MCU，STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在线系统可编程Flash 存储器。

(2)系统无线传输芯片的选取。本文采用挪威NordicVLSI 公司出品的一款新型射频收发器件nRF24L01，其功耗很低，在以6 dBm 的功率发射时，工作电流也只有9 mA，而对应接收机的工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电和空闲模式)使节能设计更方便。

(3)测速传感器。测速模块使用HC－020K 测速传感器，是一款宽电压、高分辨率、短响应速度、开关量输出的测速模组。

3.3 软件设计

软件设计主要分为以下几个模块:发送、接收模块，主要为nRF24L01 芯片的程序编写;数据调节模块，主要为按键电路程序编写;实时测速模块，主要为车速的实时检测程序编写;显示模块，LCD1602 和LCD12864 程序编写;预警模块，侧翻临界速度算法的编写，实时车速比较和LED 灯与蜂鸣器程序编写。时序流程如图5 所示。

图5 程序时序流程图

4 系统调试与试验

4.1 系统调试

在硬件调试时，用万用表测量单片机的工作电压及各个管脚的电压是否达到正常工作电压，在烧入程序后，测试每个I/O 端口输出电压，检查I/O 端口与程序控制值是不是一致。当单片机控制模块硬件部分制作好后，调试显示程序，在LCD12864 上显示一个简单的数字，若显示结果正确，表明液晶显示电路和单片机是正确连接的，单片机能正常工作。软件调试包括两方面:一方面是调试程序的语法，另一方面是在电路板上调试功能是否实现。

4.2 调试运行

在车辆未到弯道时路侧设备保持静默，此时发送设备LCD 屏上显示弯道半径R 和弯道的倾斜角θ，分别为100 m和20°。而接受设备LCD 屏上显示当前车速为89 km/h。

在车辆经过路侧设备即将到达弯道时，按下按键K1，发送数据。接收设备接受完数据同时在LCD 屏上显示:“注意!即将进入弯道”，延时3 s，运行预警算法，LCD 屏上显示接收到的弯道数据和计算得到的临界速度。

实时检测车速，如果车速比临界速度小10 km/h 以上，显示绿灯，蜂鸣器静默;如果车速比临界车速小10 km/h 以内，显示黄灯，以示提醒;如果车速比临界车速大，显示红灯，蜂鸣器报警。

20 s 后，假设车辆结束弯道过程，则系统结束报警过程，回到初始状态。

5 结 论

(1)基于车路协同理论，构建了重型车辆侧翻预警系统框架，该系统由路侧设备、路侧无线发射模块、车载无线接收模块、实时测速模块和预警系统组成;

(2)建立了不考虑悬架变形的静力学模型，给出了弯道侧翻临界车速计算方法;

(3)以模型车为研究对象，完成了预警系统的软硬件设计，并进行了系统调试;

(4)试验结果表明，该系统能够比较快速、准确地显示道路信息和临界车速，及时做出预警响应，符合设计要求。

［1］赵志国.重型车辆侧翻预警技术现状及研究进展［J］.黑龙江交通科技，2012，(1):93－94.

［2］赵志国，王冬冬.重型车辆侧翻预警技术研究现状及发展趋势［J］.河北科技大学学报，2013，34(2):108－112，172.

［3］王云鹏.车路智能协同技术发展现状与展望［R］.2009年中国智能交通年会，深圳:中国智能交通协会，2009.

［4］罗京，张冬冬，郭腾峰.大型车辆横向稳定性对公路设计极限平曲线半径取值的影响分析［J］.中国公路学报，2010，23(S2):42－46.