一种基于Arduino的车用多向防碰撞装置的设计

寇星源 苟春梅 董静

摘 要：汽车在行驶过程中始终存在一些视觉上的盲区，这些盲区导致驾驶员难以及时准确地发现车辆周围的障碍物，结果造成汽车碰撞、刮擦等事故。本文针对这一问题设计了一种基于Arduino的车用多向防碰撞装置，装置采用超声波模块进行障碍物检测，并通过云台实现多个方向的检测，由此帮助驾驶员在车辆行驶时破除盲区，及时发现障碍物并预防碰撞。

关键词：汽车;Arduino;防碰撞

1 引言

近年来全国各地汽车保有量越来越大，公安部交管局数据显示，截至2019年6月，我国机动车保有量已达3.4亿辆，其中汽车2.5亿辆。保有量不断上升的同时各类汽车碰撞事故的发生也越来越多。尤其是在市区内的低速行车状况下，由于路况拥堵、车位紧张，汽车碰撞、刮蹭等事故更是频发不止。因此如何有效避免此类问题也越来越得到人们的重视。汽车防碰撞系统已有多年的研究，本文在借鉴现有防碰撞系统技术的基础上，引入目前大为火热的开源平台Arduino，选用超声波测距技术，设计了一种基于Arduino的多向防碰撞装置，能够实现车辆在行驶过程中多个方向的防碰撞预警功能。

2整体设计

驾驶员在车内总有一些视觉上的盲区和死角。图1为普通轿车的视觉盲区示意图，当车辆在高速路行驶时，因路况和行驶状态较为单一，前后车辆也易于保持安全车距，因此这些盲区对驾驶员影响不大。但在低速行车时，尤其在市区路况条件下，路况复杂，行驶状态也更加多变，转弯、掉头及倒车等操作增多，这时盲区会直接干扰驾驶员的判断，导致车身侧方、后方与障碍物发生碰撞、刮擦。

针对上述轿车驾驶盲区，本文以破除盲区为出发点，设计了采用超声波测距技术的多向防碰撞装置。如图2所示，该装置包括超声波传感器、Arduino控制板、信息显示屏、及声光报警器四个部分。该装置工作原理为：超声波传感器在Arduino板的触发下发射、接受超声波信号，并将超声波从发射到接收的时长返回给Arduino板，由Arduino板计算得出车辆与障碍物距离并将距离显示在显示屏上，同时Arduino判断该距离是否超过安全距离，如超过安全距离，存在碰撞可能性，则Arduino向声光报警器下发命令，由声光报警器发出报警，提醒驾驶员可能发生碰撞。为同时实现多个方向的障碍物检测，该装置在超声波模块下加装伺服电机，电机在Arduino板的控制下转动，并带动超声波模块在侧方等多方向进行障碍物检测。

3 硬件搭建

该装置硬件包括Arduino板、超声波测距传感器、伺服电机、液晶显示屏、声光报警器件等，具体规格型号如下：

3.1 Arduino开发板

Arduino是当前最受欢迎的电子互动平台之一，它包括硬件Arduino开发板、软件开发环境及Arduino编程语言三大部分。Arduino板有多个不同型号，本文选用Arduino UNO板，其工作电压为5V，采用ATmega328P作为微控制器，同时具有14个数字I/O针脚（其中6个针脚同时可作为PWM输出），6个模拟输入针脚。在本装置中，Arduino通过输入输出针脚与超声波模块、电机及声光报警模块进行连接，实现通讯与控制功能。

3.2 超声波测距传感器

超声波测距原理是通过发送和接收超声波，利用时间差和声波速度，计算出模块和障碍物的距离。本文选用的超声波测距模块为HC-SR04，其测距范围达2cm-450cm，测量精度可达0.3cm。该模块共有4个针脚，包括：VCC、GND、TRIG、及ECHO。工作时，先由Arduino板通过I/O口向TRIG针脚输入触发信号，再由模块自动向外发送8个40KHz的方波，随后模块检测返回信號，并通过ECHO针脚向Arduino板发送一个高电平反馈信号，该高电平持续时间即超声波从发射到返回的时间。Arduino根据该时间进行运算得出车辆与障碍物之间的距离，并进行判断是否超出安全范围。

3.3 电机

本文选用型号为SG90的舵机作为带动超声波模块转动的驱动装置，其空载转速可达0.12sec/60°，扭矩可达1.2到1.4kg/cm。SG90的动作由Arduino通过PWM信号进行控制，在装置中，SG90按照设定角度转动，带动超声波模块对车辆侧方等多个方向进行检测。

3.4 液晶显示屏

液晶显示屏主要用于显示检测后的距离值，本文选用LCD1602作为显示屏。LCD1602具有控制简易、功耗低等优点。LCD1602与Arduino板的连接方式分8位和4位两种，为节省针脚资源，本文采用4位接法。

3.5 声光报警模块

本文利用无源蜂鸣器和发光二极管实现简易的声光报警功能，在完成测距和安全距离判断后，如汽车与障碍物距离超过安全距离，则由Arduino输出相应电平控制蜂鸣器发出报警音，二极管进行闪烁报警。

3.6 硬件接线图，见图3

4 程序设计

根据防碰撞装置的功能设计，Arduino板的工作程序流程如图4所示。该装置的启动由单独开关控制，防碰撞装置启动后就会自动检测车身周围是否有障碍物的存在，并检测计算车身和障碍物之间距离，若小于安全距离，则在显示屏上显示当前障碍物距离，并发出声光报警。若大于安全距离，则不发出告警。

5 结语

本文所设计的防碰撞装置，以开源平台Arduino作为控制单元，以破除驾驶视觉盲区为出发点，采用超声波模块搭配舵机实现了车辆周围多向障碍物的检测，初步完成了车辆在行驶过程中的多向防碰撞预警功能。但该防碰撞装置仍是一个初级样品，如不同车速下安全距离的参数设定等功能尚未考虑在内，有待于进一步改进完善。

新疆交通职业技术学院2018年度院级课题《一种多方向车用防碰撞预警系统的研究及设计》，编号：J-18-05。

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