复杂路况下车门智能防撞预警系统

赵梦彤 张 岱 赵文俊 尹 虎 卜 希

北方工业大学电气工程与控制学院交通信息与控制工程系，北京 100144

1 研究背景

随着目前机动车保有量的不断上升，私家车的数量也在不断攀升，而与此同时在中国城市道路机非混合交通特征显著的情况下，经常会出现驾驶人或者乘车人由于驾驶习惯不好或安全意识不强，停车开门时不注意观察车辆后方交通状况以及后方非机动车避让不及导致的一系列交通事故，对车辆和行人造成伤害，甚至造成被撞行人身亡的惨烈事件发生，尤其易在拥挤的城市和街道发生[1]。

从现有的国内外研究成果来看，开门防撞系统分为主动式开门防撞系统与被动式开门防撞系统两种。其中，主动式开门防撞系统目前的研究主要侧重于检测车门后方的行人或者非机动车，检测方式主要分为超声波检测和红外检测。超声波检测器有指向性强、能量消耗缓慢、对雨、物、雪的穿透能力较强、可在恶劣环境工作的优点；但是超声波传播速度受外界的温度影响较大，对其测量精确度有很大的影响，如：曾宪文等人研究的“车辆智能主动安全系统中的超声波测距”[2]，是通过超声波检测车辆周围是否有静止或者移动的障碍物体，然后选择具体行驶方案和采取紧急有效措施，但是这种方式没有考虑到车门后方行人或者非机动车的速度及距离的远近，在实际交通环境中不能达到理想的效果。红外测距的优点是价格低廉、易制和安全；缺点是精度低、测量距离近、方向性差、抗干扰性能差、不具备实用性，如王立新等人研究的“汽车开门性危险级及分级预警”[3]，通过在车身周围安装红外检测器，检测后方行人或者非机动车的距离，根据距离的远近，给出不同级别的预警信号，但是这种方式没有考虑到后方行人及非机动车的速度，在实际交通环境应用时会出现检测效果不理想。

在国内外研究中，另一种方法是以被动的方式提醒后方行人及车辆，有的是在车内安装警示器，在车内的人员开车时，通过发出警示声音来提醒开车门的人员；或者有的是通过在车身或者车后安装警示灯，来提醒后方来车或者行人，但是这两种方法没有考虑实际交通驾驶环境的复杂情况，前者没有考虑到汽车开门的频繁性与发生开门事故的小概率性相矛盾；后者则没有考虑到后方来车的车主并不一定能够看到警告信息或者看到也来不及躲开，所以这两种方法在实际交通环境下均难以达到警示效果。

本作品是通过陀螺仪获取车辆状态，当车辆为静止即车速为0km/h时，通过对开车门前车辆侧后方潜在威胁物体的距离及速度进行计算，由单片机与MATLAB建立的模糊推理模型动态链接库，根据速度及距离判断开启车门是否会发生危险，若会发生危险，则通过发出不同级别的预警信号，及时警示车内人员，从而减少交通事故的发生，提高城市交通安全。

2 系统设计思路

系统设计思路如图1所示，本作品通过陀螺仪获取车辆开启状态，当车辆静止时，超声波检测器开始工作，检测车门附近物体的速度及距离，同时通过单片机处理测量数据，并判断开车门是否会产生危险，如果会造成危险，则会启动警示器报警；如果不会造成危险，则判断车门是否被开启，若车门被开启，就会关闭检测器；若车门没有被开启，则超声波检测器继续循环检测车门后方的物体。

图1 系统设计思路

在实际情况下，车门开启时如果会造成危险，那么车门与被撞车辆或者行人的水平距离是有限的，超声波检测示意图如图2所示，将超声波传感器放置在车辆的后视镜上，利用超声波的测距原理，超声波在一定时间内发射两次超声波信号，计算两次状态下后方来车的距离S1和S2，利用式 （1） 计算其速度。

图2 超声波检测示意图

在常温下，超声波的传播速度为340m/s，但其传播速度V易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。补偿硬件部分由温度传感器和A/D转换组成，温度传感器测出温度，再转换成数字量送入单片机，由软件作补偿。声速的温度近似补偿公式为[4]：V=331.5+0.607T，其中T为环境摄氏温度，V为实际传播速度。

3 系统软硬件模块设计

在本系统中，主要包含硬件部分和软件部分，系统组成结构如图3所示。硬件部分主要包括检测模块、单片机处理模块以及预警模块。检测模块主要包括陀螺仪模块、超声波检测模块和DS18B20温度检测模块三部分，OBD接口模块负责检测车辆行驶状态和车门开启状态，超声波检测模块采用的是HC-SR04模块，有效测距范围是2～4.5m，主要检测车门后方的物体，由于超声波检测模块在空气中传播时会受到外界环境温度的影响，所以需要增加外界环境温度测量模块，对超声波测量的距离数据进行温度补偿；单片机处理模块主要是对检测模块的数据进行接收、处理和发送，通过与MATLAB建立的动态链接库，实现与单片机的通信；预警模块是当单片机判断开车门会有危险时，对车内人员进行提醒，由三种颜色的LED灯和蜂鸣器组成，硬件电路图如图4所示[5-6]。

图3 系统组成结构图

图4 系统硬件模块电路图

软件部分主要是利用MATLAB中的fuzzy logic toolbox，建立了一个由车门离后方车辆或者行人的距离 （distance） 和后方车辆和行人的速度 （speed） 为输入量，以不同的警示级别（warning） 为输出量组成的模糊推理模型，如图5所示，通过对警示级别与距离和速度的关系研究，我们选用MATLAB fuzzy logic toolbox中gbellmf作为距离 （distance） 和速度 （speed） 的隶属度函数，选取trapmf作为警示级别 （warning） 的隶属度函数。同时还建立了模糊控制的规则，我们将输入量speed和distance的区间范围都分为三级，speed分为slow （慢） 、average （中） 、fast （快） ；distance分为close （近） 、middle （中） 、far （远） 。warning一共分为三级：weak （弱） ，OK （中） ，urgent （强） ，分别代表了警示级别由低到高[7]。

利用建立的规则，很容易得到Distance、speed和warning三者之间的关系，如图6所示。

图5 模糊控制模型示意图

图6 distance、speed、warning三者关系

通过模糊控制模型，设定了t1和t2两个预警参数值，当warning＜ t1时，为三级预警，这表示当后方的非机动车通过时，即使当车内人员和驾驶员开车门，后方的机动车会有足够的时间停车和改变行驶方向，相撞的可能性较低；当t1＜ warning＜ t2时，为二级预警，这表示当后方的非机动车通过时，即使当车内人员和驾驶员开车门，后方的机动车会有时间停车和改变行驶方向，相撞的可能性较高；当warning＞t2时，为一级预警，这表示当后方的非机动车通过时，如果车内人员和驾驶员开车门，后方的机动车都会与车门有相撞，相撞的可能性很高。

通过MATLAB把建立的模糊推理模型转化成动态链接库，同时与单片机建立连接，从而组成了一个完整的分级预警系统。

4 实验测试

在本次测试实验中，由于选取的超声波检测器的有效测距范围是在2～4.5m，所以我们选取在汽车的后视镜处和车尾处放置超声波检测器进行测试，通过检测车门后方的行人及车辆，并获取它们的距离和速度。根据单片机处理之后的物体距离和速度，判断是否会产生危险，若会产生危险，则给出不同级别的预警信号：三级预警，红灯亮，蜂鸣器响声慢速；二级预警，蓝灯和红灯亮，蜂鸣器响声中速；一级预警，蓝灯、黄灯、红灯亮，蜂鸣器响声急促。超声波传感器安装示意如图7所示。

图7 超声波传感器安装示意图

通过实验验证，当非机动车/机动车通过车门后方，该系统能够实现在开车门前，对车内人员预警的功能且根据后方非机动车速度以及距离的不同，预警等级也不同且蜂鸣器与LED灯响应符合设定。

5 创新特色

利用陀螺仪模块，获取车辆状态，一定程度上减少了该系统在车辆行驶过程中的误报率。加入超声波测速环节，增加了对后方车辆或者行人的速度判断，增加了预警的可靠性。增加温度补偿环节，增加了测量的精度。利用速度和时间的关系，建立了模糊推理模型，完善了分级预警，使得危险程度更加直观。

6 应用前景

随着城市机动车的保有量不断增加，城市发生交通事故的频率也在不断提高，而在这些交通事故中，经常会出现驾驶人或者乘车人由于驾驶习惯不好及安全意识不强，在两侧开门时将车辆或者行人撞倒在地，对车辆和行人造成伤害，甚至造成被撞行人身亡的惨烈事件发生，尤其易在拥挤的城市和街道发生。本文针对现有方法无法根本解决开车门事故的缺陷，从超声波原理和参数出发，建立了一个可应用于城市道路的主动式开门防撞系统，其中行人或非机动车可看作为此系统中的“障碍物”，在机动车驾驶员将车停好后，超声波检测装置将向车的后方及左右斜后方进行检测并回传给接收电路进行判断再传入报警系统，并且由于超声波传播受外界温度影响，加入了一个温度补偿环节，对测量距离进行补偿，大大降低了由外界环境温度造成的误差，从而降低了驾驶员因开车门与行人碰撞的概率，进而减少了道路交通事故发生的概率，对于提高道路交通安全有着比较重要的作用，具有一定的应用前景。

在后续的开发中，我们设想将单片机换为功能更加完善的型号，使整个系统不再是一个独立的系统，而是整个车载系统的集成。届时，该系统可以完成现有的车载MP3、导航、倒车雷达等功能，更能与机动车中控系统相连，当系统检测到开启车门会产生危险时则自动关闭车锁，避免交通事故的发生。

[1] 许乐群.汽车开门防碰撞及警示系统[P].中国，CN201077568U，2006-01.

[2] 曾宪文，万沛霖，彭东林. 车辆智能主动安全系统的超声波测距[J].汽车科技，2003，1 （10） ，9-10.

[3] 王立新，陆帅，葛阳洋，等. 汽车开门性危险级及分级预警[J].南京理工大学，2015.

[4] 赵小强，赵连玉.超声波测距系统中的温度补偿[J].组合机床与自动化加工技术，2008（12）：62-64.

[5] 麦锦文.超声波技术在汽车防撞系统设计的应用[J].装备制造技术，2010（6）.

[6] 汪帆.基于单片机的超声波测距系统的设计与实现[M].武汉：武汉长江工商学院，2012.

[7] 张正伟，冯志华.基于MATLAB 的 FUZZY 控制器的设计和仿真[J].苏州大学学报 （工科版） ，2004，2 （24） .