趙夢(mèng)彤 張 岱 趙文俊 尹 虎 卜 希

北方工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制學(xué)院交通信息與控制工程系，北京 100144

1 研究背景

隨著目前機(jī)動(dòng)車保有量的不斷上升，私家車的數(shù)量也在不斷攀升，而與此同時(shí)在中國(guó)城市道路機(jī)非混合交通特征顯著的情況下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)駕駛?cè)嘶蛘叱塑嚾擞捎隈{駛習(xí)慣不好或安全意識(shí)不強(qiáng)，停車開門時(shí)不注意觀察車輛后方交通狀況以及后方非機(jī)動(dòng)車避讓不及導(dǎo)致的一系列交通事故，對(duì)車輛和行人造成傷害，甚至造成被撞行人身亡的慘烈事件發(fā)生，尤其易在擁擠的城市和街道發(fā)生[1]。

從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外研究成果來(lái)看，開門防撞系統(tǒng)分為主動(dòng)式開門防撞系統(tǒng)與被動(dòng)式開門防撞系統(tǒng)兩種。其中，主動(dòng)式開門防撞系統(tǒng)目前的研究主要側(cè)重于檢測(cè)車門后方的行人或者非機(jī)動(dòng)車，檢測(cè)方式主要分為超聲波檢測(cè)和紅外檢測(cè)。超聲波檢測(cè)器有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、對(duì)雨、物、雪的穿透能力較強(qiáng)、可在惡劣環(huán)境工作的優(yōu)點(diǎn)；但是超聲波傳播速度受外界的溫度影響較大，對(duì)其測(cè)量精確度有很大的影響，如：曾憲文等人研究的“車輛智能主動(dòng)安全系統(tǒng)中的超聲波測(cè)距”[2]，是通過(guò)超聲波檢測(cè)車輛周圍是否有靜止或者移動(dòng)的障礙物體，然后選擇具體行駛方案和采取緊急有效措施，但是這種方式?jīng)]有考慮到車門后方行人或者非機(jī)動(dòng)車的速度及距離的遠(yuǎn)近，在實(shí)際交通環(huán)境中不能達(dá)到理想的效果。紅外測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、易制和安全；缺點(diǎn)是精度低、測(cè)量距離近、方向性差、抗干擾性能差、不具備實(shí)用性，如王立新等人研究的“汽車開門性危險(xiǎn)級(jí)及分級(jí)預(yù)警”[3]，通過(guò)在車身周圍安裝紅外檢測(cè)器，檢測(cè)后方行人或者非機(jī)動(dòng)車的距離，根據(jù)距離的遠(yuǎn)近，給出不同級(jí)別的預(yù)警信號(hào)，但是這種方式?jīng)]有考慮到后方行人及非機(jī)動(dòng)車的速度，在實(shí)際交通環(huán)境應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)效果不理想。

在國(guó)內(nèi)外研究中，另一種方法是以被動(dòng)的方式提醒后方行人及車輛，有的是在車內(nèi)安裝警示器，在車內(nèi)的人員開車時(shí)，通過(guò)發(fā)出警示聲音來(lái)提醒開車門的人員；或者有的是通過(guò)在車身或者車后安裝警示燈，來(lái)提醒后方來(lái)車或者行人，但是這兩種方法沒(méi)有考慮實(shí)際交通駕駛環(huán)境的復(fù)雜情況，前者沒(méi)有考慮到汽車開門的頻繁性與發(fā)生開門事故的小概率性相矛盾；后者則沒(méi)有考慮到后方來(lái)車的車主并不一定能夠看到警告信息或者看到也來(lái)不及躲開，所以這兩種方法在實(shí)際交通環(huán)境下均難以達(dá)到警示效果。

本作品是通過(guò)陀螺儀獲取車輛狀態(tài)，當(dāng)車輛為靜止即車速為0km/h時(shí)，通過(guò)對(duì)開車門前車輛側(cè)后方潛在威脅物體的距離及速度進(jìn)行計(jì)算，由單片機(jī)與MATLAB建立的模糊推理模型動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，根據(jù)速度及距離判斷開啟車門是否會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，若會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)，則通過(guò)發(fā)出不同級(jí)別的預(yù)警信號(hào)，及時(shí)警示車內(nèi)人員，從而減少交通事故的發(fā)生，提高城市交通安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如圖1所示，本作品通過(guò)陀螺儀獲取車輛開啟狀態(tài)，當(dāng)車輛靜止時(shí)，超聲波檢測(cè)器開始工作，檢測(cè)車門附近物體的速度及距離，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)處理測(cè)量數(shù)據(jù)，并判斷開車門是否會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，如果會(huì)造成危險(xiǎn)，則會(huì)啟動(dòng)警示器報(bào)警；如果不會(huì)造成危險(xiǎn)，則判斷車門是否被開啟，若車門被開啟，就會(huì)關(guān)閉檢測(cè)器；若車門沒(méi)有被開啟，則超聲波檢測(cè)器繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)車門后方的物體。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在實(shí)際情況下，車門開啟時(shí)如果會(huì)造成危險(xiǎn)，那么車門與被撞車輛或者行人的水平距離是有限的，超聲波檢測(cè)示意圖如圖2所示，將超聲波傳感器放置在車輛的后視鏡上，利用超聲波的測(cè)距原理，超聲波在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)射兩次超聲波信號(hào)，計(jì)算兩次狀態(tài)下后方來(lái)車的距離S1和S2，利用式 （1） 計(jì)算其速度。

圖2 超聲波檢測(cè)示意圖

在常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，但其傳播速度V易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大。補(bǔ)償硬件部分由溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換組成，溫度傳感器測(cè)出溫度，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，由軟件作補(bǔ)償。聲速的溫度近似補(bǔ)償公式為[4]：V=331.5+0.607T，其中T為環(huán)境攝氏溫度，V為實(shí)際傳播速度。

3 系統(tǒng)軟硬件模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，主要包含硬件部分和軟件部分，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。硬件部分主要包括檢測(cè)模塊、單片機(jī)處理模塊以及預(yù)警模塊。檢測(cè)模塊主要包括陀螺儀模塊、超聲波檢測(cè)模塊和DS18B20溫度檢測(cè)模塊三部分，OBD接口模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)車輛行駛狀態(tài)和車門開啟狀態(tài)，超聲波檢測(cè)模塊采用的是HC-SR04模塊，有效測(cè)距范圍是2～4.5m，主要檢測(cè)車門后方的物體，由于超聲波檢測(cè)模塊在空氣中傳播時(shí)會(huì)受到外界環(huán)境溫度的影響，所以需要增加外界環(huán)境溫度測(cè)量模塊，對(duì)超聲波測(cè)量的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；單片機(jī)處理模塊主要是對(duì)檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和發(fā)送，通過(guò)與MATLAB建立的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信；預(yù)警模塊是當(dāng)單片機(jī)判斷開車門會(huì)有危險(xiǎn)時(shí)，對(duì)車內(nèi)人員進(jìn)行提醒，由三種顏色的LED燈和蜂鳴器組成，硬件電路圖如圖4所示[5-6]。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)硬件模塊電路圖

軟件部分主要是利用MATLAB中的fuzzy logic toolbox，建立了一個(gè)由車門離后方車輛或者行人的距離 （distance） 和后方車輛和行人的速度 （speed） 為輸入量，以不同的警示級(jí)別（warning） 為輸出量組成的模糊推理模型，如圖5所示，通過(guò)對(duì)警示級(jí)別與距離和速度的關(guān)系研究，我們選用MATLAB fuzzy logic toolbox中g(shù)bellmf作為距離 （distance） 和速度 （speed） 的隸屬度函數(shù)，選取trapmf作為警示級(jí)別 （warning） 的隸屬度函數(shù)。同時(shí)還建立了模糊控制的規(guī)則，我們將輸入量speed和distance的區(qū)間范圍都分為三級(jí)，speed分為slow （慢） 、average （中） 、fast （快） ；distance分為close （近） 、middle （中） 、far （遠(yuǎn)） 。warning一共分為三級(jí)：weak （弱） ，OK （中） ，urgent （強(qiáng)） ，分別代表了警示級(jí)別由低到高[7]。

利用建立的規(guī)則，很容易得到Distance、speed和warning三者之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 模糊控制模型示意圖

圖6 distance、speed、warning三者關(guān)系

通過(guò)模糊控制模型，設(shè)定了t1和t2兩個(gè)預(yù)警參數(shù)值，當(dāng)warning＜ t1時(shí)，為三級(jí)預(yù)警，這表示當(dāng)后方的非機(jī)動(dòng)車通過(guò)時(shí)，即使當(dāng)車內(nèi)人員和駕駛員開車門，后方的機(jī)動(dòng)車會(huì)有足夠的時(shí)間停車和改變行駛方向，相撞的可能性較低；當(dāng)t1＜ warning＜ t2時(shí)，為二級(jí)預(yù)警，這表示當(dāng)后方的非機(jī)動(dòng)車通過(guò)時(shí)，即使當(dāng)車內(nèi)人員和駕駛員開車門，后方的機(jī)動(dòng)車會(huì)有時(shí)間停車和改變行駛方向，相撞的可能性較高；當(dāng)warning＞t2時(shí)，為一級(jí)預(yù)警，這表示當(dāng)后方的非機(jī)動(dòng)車通過(guò)時(shí)，如果車內(nèi)人員和駕駛員開車門，后方的機(jī)動(dòng)車都會(huì)與車門有相撞，相撞的可能性很高。

通過(guò)MATLAB把建立的模糊推理模型轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，同時(shí)與單片機(jī)建立連接，從而組成了一個(gè)完整的分級(jí)預(yù)警系統(tǒng)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，由于選取的超聲波檢測(cè)器的有效測(cè)距范圍是在2～4.5m，所以我們選取在汽車的后視鏡處和車尾處放置超聲波檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)車門后方的行人及車輛，并獲取它們的距離和速度。根據(jù)單片機(jī)處理之后的物體距離和速度，判斷是否會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，若會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，則給出不同級(jí)別的預(yù)警信號(hào)：三級(jí)預(yù)警，紅燈亮，蜂鳴器響聲慢速；二級(jí)預(yù)警，藍(lán)燈和紅燈亮，蜂鳴器響聲中速；一級(jí)預(yù)警，藍(lán)燈、黃燈、紅燈亮，蜂鳴器響聲急促。超聲波傳感器安裝示意如圖7所示。

圖7 超聲波傳感器安裝示意圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)非機(jī)動(dòng)車/機(jī)動(dòng)車通過(guò)車門后方，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在開車門前，對(duì)車內(nèi)人員預(yù)警的功能且根據(jù)后方非機(jī)動(dòng)車速度以及距離的不同，預(yù)警等級(jí)也不同且蜂鳴器與LED燈響應(yīng)符合設(shè)定。

5 創(chuàng)新特色

利用陀螺儀模塊，獲取車輛狀態(tài)，一定程度上減少了該系統(tǒng)在車輛行駛過(guò)程中的誤報(bào)率。加入超聲波測(cè)速環(huán)節(jié)，增加了對(duì)后方車輛或者行人的速度判斷，增加了預(yù)警的可靠性。增加溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，增加了測(cè)量的精度。利用速度和時(shí)間的關(guān)系，建立了模糊推理模型，完善了分級(jí)預(yù)警，使得危險(xiǎn)程度更加直觀。

6 應(yīng)用前景

隨著城市機(jī)動(dòng)車的保有量不斷增加，城市發(fā)生交通事故的頻率也在不斷提高，而在這些交通事故中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)駕駛?cè)嘶蛘叱塑嚾擞捎隈{駛習(xí)慣不好及安全意識(shí)不強(qiáng)，在兩側(cè)開門時(shí)將車輛或者行人撞倒在地，對(duì)車輛和行人造成傷害，甚至造成被撞行人身亡的慘烈事件發(fā)生，尤其易在擁擠的城市和街道發(fā)生。本文針對(duì)現(xiàn)有方法無(wú)法根本解決開車門事故的缺陷，從超聲波原理和參數(shù)出發(fā)，建立了一個(gè)可應(yīng)用于城市道路的主動(dòng)式開門防撞系統(tǒng)，其中行人或非機(jī)動(dòng)車可看作為此系統(tǒng)中的“障礙物”，在機(jī)動(dòng)車駕駛員將車停好后，超聲波檢測(cè)裝置將向車的后方及左右斜后方進(jìn)行檢測(cè)并回傳給接收電路進(jìn)行判斷再傳入報(bào)警系統(tǒng)，并且由于超聲波傳播受外界溫度影響，加入了一個(gè)溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，對(duì)測(cè)量距離進(jìn)行補(bǔ)償，大大降低了由外界環(huán)境溫度造成的誤差，從而降低了駕駛員因開車門與行人碰撞的概率，進(jìn)而減少了道路交通事故發(fā)生的概率，對(duì)于提高道路交通安全有著比較重要的作用，具有一定的應(yīng)用前景。

在后續(xù)的開發(fā)中，我們?cè)O(shè)想將單片機(jī)換為功能更加完善的型號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)不再是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，而是整個(gè)車載系統(tǒng)的集成。屆時(shí)，該系統(tǒng)可以完成現(xiàn)有的車載MP3、導(dǎo)航、倒車?yán)走_(dá)等功能，更能與機(jī)動(dòng)車中控系統(tǒng)相連，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到開啟車門會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)時(shí)則自動(dòng)關(guān)閉車鎖，避免交通事故的發(fā)生。

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