面向周边行人车辆的大型车辆转弯预警系统

高宁欣 付东方 王涯鑫 乔磊

摘 要：为减少大型车辆右转弯碰撞事故对行人的伤害，设计了一种整合超声波测距原理和激光投影技术为一体的大型车辆转弯预警系统。在大型车辆转弯时，一方面超声波测距仪对车辆转弯半径内侧物体进行测距并与事先设置的安全距离阈值比较，当实际距离小于安全距离时，ECU控制声音播报系统警示驾驶员注意周边车辆及行人以避免事故的发生。另一方面，利用激光投影仪对大型车辆转弯时所需占用的路幅区域进行实时投影，从而警示周边车辆及行人注意躲避危险区域。

关键词：大型车辆；内轮差；超声波测距仪；激光投影仪

第一章 绪论

1.1 研究背景

近年来，由于经济发展和工业运输的需要，大型车辆（包括货车、大客车和专用车辆等）的保有量不断增加，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，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。当前主要的解决方法是加装大视野的后视镜以及播放语音提示周边的行人以及车辆。但是，行人很多时候并不能意识到内轮差的危险性，主观的认为他们能看到大型车辆，大型车辆的驾驶员也能看到他们。也有很多行人即便意识到有内轮差，但并不能准确判定出自己是否处于危险范围，同样导致发生危险事故的后果。

1.2 国内外研究现状

国内外研究人员在改善车辆盲区和碰撞预警的研究上作着不懈的努力，并取得了较大的研究突破，对该领域具有很大的影响和借鉴价值。

三菱集团为了解决重型货车前盲区内行人保护的问题，对行人识别系统[1]进行了研究，将多个摄像头安装在货车前部， 对车前盲区内的行人进行检测，将拍摄到的图像与计算机存储的人体特征库进行比较，确定前方是否有行人。然后采用双目视觉测距的方法测定出大型车辆前面行人的精确位置，并对驾驶员进行报警提醒。美国福特公司和伊顿公司联合研发的Vorad汽车盲区防撞雷达系统。该系统利用分布于车身周围的雷达传感器，探测距离能达到100米。通过微波的发射与接收来探测自车周围的其他车辆，对信号进行分析以判断是否存在碰撞可能，通过声音提示或者红光预警的方式对驾驶员进行提醒。另外，在事故发生前，系统会根据所采集的信息判定是否通过自动刹车装置来进行制动操作。

中国科学院李守晓[2]研究和设计了基于毫米波雷达的盲点检测系统。通过对变道工况的研究和分析，提出利用雷达传感器来进行其他车辆距离的实时测量，进而依据换道安全距离模型对距离信息进行判断，得出是否需要采取措施避免事故发生。此外，针对距离耦合问题提出利用线性调频的方法来进一步改善。同时对实验数据进行了仿真分析。该系统能对与自车邻近的车道进行检测，可获得50m的探测距离。

对大型车辆转弯预警的安全产品研究分析，现在可以查询到的专利主要是以雷达或摄像头等为依托探测视野盲区，这些安全产品单一针对大型车辆驾驶员。而针对周边车辆和行人的警示产品则相对缺乏。因此迫切需要一套既能对驾驶员语音提示预警又能标识转向时危险区域的大型车辆转弯预警系统。

第二章 情景化设计

2.1转弯模型建立

内轮差定义为车辆在转弯过程中内侧前轮和后轮的转弯半径差。在最大转向角的情况下产生最大内轮差，此时车辆左前轮转弯产生的轨迹圆弧半径等于最小转弯半径。如果驾驶员在转弯时没有考虑内轮差，可能发生前轮安全通过然而后轮与行人或车辆碰撞的事故。为了获得车辆右转弯时的安全距离模型，需要计算其最大内轮差。内轮差的示意图如图（1）所示，

图1中的两条虚线为车辆前轮的轨迹，内侧的实线则是后轮的轨迹。阴影区域则就是内轮差的示意区域。

由于车辆在转向时各车轮绕瞬心旋转，此中心位于后轴中心线的延长线上，且左右前轮均以此中心为圆心转动。令转向内侧前轮中心与瞬心的连线与后轴中心线的延长线之间的夹角为α ，转向外侧前轮中心与瞬心的连线与后轴中心线的延长线之间的夹角为β。如图2所示

转向轮偏转角度可由方向盘转动角度及转向系角传动比（根据不同车型以及方向盘已经偏转的角度共同确定）计算得知。

由于一般转向时，方向盘连续转动，故可拟合出整个转向过程中车辆同侧轮胎的轨迹。在车辆行驶中，由方向盘转角传感器可以测得某一时刻方向盘的转动角度α，方向盘转动的角速度 以及方向盘转动的角加速度 ，由此可知其在一定时间内的转角变化。另外，假定大型车辆轮胎气压为固定值，可以根据汽车载荷情况确定其稳定性因数即K 值大小，在非极低速度（≤10km/h）时，车辆的转弯半径需额外乘以系数（1+KU2） ，U 为当前车速。

又根据车速以及加速度，可以得出车辆在在一定时间内的行驶距离，故可知其占用的理论路幅大小。

2.2 超聲波测距仪总体方案设计

超声波测距仪是由单片机最小系统、超声波探头、数码管显示、蜂鸣器报警模块、按键模块和电源部分组成。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。当距离小于设置距离时，蜂鸣器和指示灯发出声光报警，当距离大于设置距离，停止报警。报警距离可以通过按键设置，按下设置键。设定安全距离为2.5米，在距离车身2.5米以内如果存在行人或车辆，则报警系统会启动同时对大型车辆的驾驶者以及周边的行人车辆进行警示。

2.3 转向内轮差范围标识

根据以上建模的理论研究，我们设计了安装于车辆尾部的激光发射装置用于发射肉眼可见的光束在地面标识出大型车辆转向内轮差。希望通过标识出醒目的危险区域以减小大型车辆在转向过程中发生事故的可能性。该装置主要由一字激光灯，旋转舵机，单片机和电源组成。设定大型车辆的左右转向角度最大各为900°。一字激光灯的转动角度由舵机进行控制。设定左转是顺时针角度，右转是逆时针角度。

整体的工作流程如下：

（1）驾驶者打开转向灯，装置电源接通，装置开始工作。

（2）当转角为正负300°时，舵机转动角度为10°

（3）当转角为正负600°时，舵机转动角度为20°

（4）当转角为正负900°时，舵机转动为30°

当驾驶者往回打方向盘时，舵机转动角度依照上述位置点进行调整，该装置的开关信号可串联与汽车转向灯上，即转向灯打开，装置开始工作，转向灯关闭，装置关闭。

第三章 结语

本文主要利用超声波测距原理和激光投影技术设计一预警系统，可以初步实现对大型车辆周边行人的探测，同时动态虚拟大型车辆转向的内轮差，划出危险区域，实现在大型车辆转向过程中对驾驶员和周边行人、车辆的警示作用。而未涉及盲区内行人检测和跟踪算法的研究。如何获取行人运动轨迹，使行人得到更好的保护，今后可进一步研究探讨。

参考文献：

[1] 文彤，戴姆勒.奔驰重型货车的未来驾驶辅助系统[J].新技术与应用，2007，（10）：38-42.

[2] 李守晓，毕欣，曹云侠.毫米波雷达的汽车盲点检测系统研究与设计[J]. 机械设计与制造，2013，（9）：25-31.

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[4] 韩锋钢：汤中波；方道；苏海浪：杨福清；叶阳奇.把式车辆转弯灯自动控制装置[P].中国专利：CN204296580U，2015-04-29.

[5] 朱先利.车辆安全转弯灯及配套装置[P].中国专利：CN201382346，2010-01-13.

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[7] —卫（2008）转弯的"陷阱"——再谈内轮差.当代汽车，3，99

[8] 张月龙.浅谈汽车内轮差的危害和为此采取的一些安全措施[J].科学导报，2015（11）.

[9] 许洪国. 汽车事故工程[M]. 北京人民交通出版社，2009.1.

[10] 文彤.戴姆勒-奔驰重型货车的未来驾驶辅助系统[J]. 新技术与应用，2007，（10）：38-42.

[11] TruckSim Help. Steering Systems Version 8.01[R]. 2009.

[12] 许颖. 基于模糊理论的车辆防碰撞预警系统研究[D]. 长沙，湖南农业大学，2010.

作者简介：

高宁欣，男，生于1996年9月，汉族，江苏南京人，江苏大学，车辆工程方向。

付东方，男，生于1997年3月，汉族，河南南阳人，江苏大学，车辆工程方向。

乔磊，男，生于1996年12月，汉族，江苏江阴人，江苏大学，车辆工程方向。

王涯鑫，男，生于1997年5月，回族，江苏镇江人，江苏大学，车辆工程方向。

*【基金项目】本文系江苏大学2017年度大学生实践创新训练计划项目，项目编号：201710299030Z