车门开启瞬间防撞预警系统研究设计

田欣悦 高佳仪 迪达尔 阿米娜 李嘉齐

中国矿业大学矿业工程学院 江苏徐州 221116

随着汽车保有量的不断增加，交通事故也呈现出多样化的趋势，汽车安全问题一直是人们关注的焦点。近年来，当司机或乘客突然打开车门时，会导致后方障碍物与车门相撞的事故，严重危及公共交通安全。提前预警可以极大地减少交通事故发生概率，而目前，涉及防止障碍物与车辆开门发生碰撞的车门防撞预警系统，仍存在成本高、有效预警范围大、有效预警时间长等问题。本文将从低成本、高效率的角度出发，研究车门开启瞬间防撞预警系统。

1 车门开启瞬间防撞模型的建立

1.1 车门开启瞬间的碰撞工况分析

日常生活中，我们一般会认为正在行驶的车辆存在更高的危险性，对行驶中的车辆总是会提高警惕，更加注意和小心，而忽略了停止的车辆也存在一些危险。

1.1.1 车辆停止时的动态环境分析

轿车、电动车、自行车、摩托车等在停止车辆车门突然开启时，未能做出及时反应停车或减速，从而出现与车门相撞；或车内人员因未注意外部情况而突然开启车门，导致车门碰撞到后方障碍物。

1.1.2 车辆停止时的静态环境分析

车辆停止后，车门附近有较矮的静态障碍物，例如可以升降的小型路障桩、警示桩、隔离墩等，车内人员无法通过后视镜或车窗观察到障碍物的存在，从而在开门时碰撞到障碍物。

1.1.3 其他碰撞工况分析

驾驶人员或车内其他人员缺乏安全意识或有一些不良驾驶行为习惯等人为因素，导致车门的开启瞬间与后方的障碍物产生碰撞的可能；在极端天气情况下，如刮风、下雨、雾霾等自然因素车外能见度较低的情形中，车内人员无法看清外部环境，导致车门与周围障碍物或行人碰撞的可能性发生等。

本文主要针对后方运动目标与车门发生的碰撞进行预警，提出车门开启瞬间防撞预警系统。

1.2 车门开启瞬间防撞模型的建立

模式1:主要针对于儿童及青少年人群。

该类乘客打开车门时间集中分布在3.5～6s，车门开合宽度集中分布在0.8～1.0m。故在该模式下，系统检测到后方运动物体匀速到达本车的临界安全时间t=6s，障碍物距车门临界安全宽度d=1.0m。

模式2:主要针对青年及中年人群。

该类乘客打开车门时间集中分布在2～3.5s，车门开合宽度集中分布在0.9～1.1m。故在该模式下，系统检测到后方运动物体匀速到达本车的临界安全时间t=3.5s，障碍物距车门临界安全宽度d=1.1m。

模式3:主要针对老年人群

该类乘客打开车门时间大致分布在3～6s，车门开合宽度集中分布在1.0～1.2m。故在该模式下，系统检测到后方运动物体匀速到达本车的临界安全时间t=6s，障碍物距车门临界安全宽度d=1.2m。

2 车门开启瞬间防撞系统整体结构设计

车门开启瞬间防撞预警系统主要分为停车判断模式、信息捕获模块、信息处理模块、门锁控制模块、报警模块五个模块，主要通过对车速检测、周围环境分析、车内人员是否有下车准备进行判断分析是否符合车门开启标准。

图1 系统整体设计图

2.1 速度检测装置

该装置以STC89C52单片机为控制核心，使用霍尔传感器作为检测车辆速度方法的检测元件，经过单片机数据处理[1]，并将车速输入系统，判断是否有停车的可能性以及车门开启瞬间防撞预警系统是否开启。

2.2 周围环境检测分析装置

2.2.1 信息捕获模块

选取线性调频连续波(LFMCW)毫米波雷达传感器，雷达装置具有稳定的探测性能和良好的环境适应性，可以在各种天气条件下正常工作。此外，在相同的测量条件下毫米波雷达发射功率可以很低，天线部件尺寸小，雷达的成本低、性价比高，因此，本系统选用毫米波雷达作为测距传感器[3]。

根据车门开启瞬间防撞预警系统需要，射频前端装置安装在车辆后视镜旁，采用2TX、4RX，主要对后方来车、行人进行监控。信号发出器通过毫米波雷达前端的发射天线向外发射所需频段的毫米波，接收天线接收被后方物体返回的回波信号，对毫米波雷达前端返回的信号采集，并将雷达输出的信号经过初步处理。

2.2.2 信息处理模块

雷达输出的信号经过初步处理后，为得到目标的具体信息，设计的信号处理算法应满足以下需求：模拟信号需要通过A/D模块将其转换为数字信号；Range FFT是为了得到目标的距离信息；Doppler FFT是为了得到目标的速度信息；由于有多个接收通道，需要做非相关累加；由于环境中的干扰目标较多，可能会存在虚警现象，需设计虚警排除算法。基于以上需求设计的信号处理见图2所示。

图2 毫米波雷达处理信号流程图

2.3 压力传感装置

车内成员动向判断模块细分为两部分，一个是车内乘员的坐姿分析，一个是车内把手的开合分析，两者结合起来判断可以减小失误率。

2.3.1 车内乘员的坐姿分析

当防撞系统开启后，首先对车内人员的动向做出判断，选用9个量程为500g的DF9-16型柔性薄膜压力传感器内置于坐垫中组成传感器阵列，搭建出一套体压分布测试系统，获取不同坐姿下的体压分布特征，以获取体压分布数据。坐姿的变化会引起体压数值变化与分布特征，尤其是重心变化。根据体压分布图，首先可以判断出该座位上的成员的性别与大致年龄范围，成年人的分布图中有两个极值点，而儿童的图中只有一个极值点；相同年龄范围内，男性的体压数值整体高于女性；相同性别中，青年的体压数值较低于中老年人的数值[4]。另一方面，坐姿的变化会引发重心的偏移，从而引起体压数值的变化，根据该变化判断车内人员有无下车趋向。

2.3.2 车内把手的开合分析

在车内把手上安装微型测力传感器，当车内乘员将手放在车把手上时检测是否有开门的力，并将信号传递给下一模块。

2.4 预警装置及门锁控制装置

车内门把手安装预警装置，预警装置分为声音预警和视觉报警。声音报警采用有源蜂鸣器，当系统分析数据达到预警条件，通过蜂鸣器发出预警声，提醒驾乘人员此时打开车门会有碰撞的危险。视觉报警是对声音报警的补充，它可以最大限度地提高驾驶员和乘客的注意力，确保驾驶员和乘客能够在周围环境安全的情况下打开车门。

车门锁控装置采用CAN总线型网络拓扑结构。共存在5个CAN节点，包括中央控制器、左前门控制器、左后门控制器、右前门控制器和右后门控制器。其中，中央控制器在接收到ECU的信号后，将这些信号经过CAN传递到其他4个控制器[5]。

当系统检测有危险时，声觉报警、视觉报警、门锁装置一同工作，完成整个防撞过程。

3 系统算法设计

3.1 车门开启瞬间防撞预警系统算法设计

汽车车门开启瞬间防撞预警系统有五部分，分为停车判断模块、信息捕获模块、信息处理模块、门锁控制模块、报警模块，主要通过对车速检测、周围环境分析、车内人员是否有下车准备进行判断分析是否符合车门开启标准。

Step1：停车判断模块对车速进行检测，当车速为零，存在停车下车的可能；

Step2：车门防撞预警系统开启，系统感应周围一定范围内有行人和其他车辆存在，并及时判断障碍物与车门是否有碰撞的可能；

Step3：通过压力传感器，确定车内成员是否有下车的可能，如有下车可能，车门强制关闭，并发出预警提醒车内成员，强制关锁3～5秒后，重复上述判断，直至汽车周围安全符合车开启标准。

图3 车门开启瞬间防撞预警系统算法设计流程图

3.2 危险因素分析子系统算法设计

Step1：若t0t，则会有发生碰撞的可能。

Step2：进一步判断若车辆后方物体与车辆的横向距离x，若x>d是安全状态，不开启报警；若x

图4 危险因素分析子系统算法设计图

4 总结

(1)通过对碰撞工况的分析，针对不同人群开门的情况，提出了三种模式。从纵向和横向两个角度分析车门碰撞的可能性，缩短了有效预警时间，使一个系统预警范围更加精准、有效。

(2)本文提出了一套车门开启瞬间防撞预警系统设计方案，分别对速度检测、压力传感装置、预警装置等硬件的选取及整体模型的算法进行了设计。