采用STM32控制的大型車輛雙向示警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

大型車輛由于自身車長(zhǎng)，軸距長(zhǎng)等特點(diǎn)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中前輪與后輪軌跡不重合，形成“內(nèi)輪差”區(qū)域。大型車輛發(fā)生的惡性交通事故中，由于“內(nèi)輪差”引發(fā)的事故占70%以上。針對(duì)大型車輛轉(zhuǎn)彎視覺(jué)盲區(qū)“內(nèi)輪差”問(wèn)題，本設(shè)計(jì)提出一套大型車輛內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域雙向示警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)模擬真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程。主控模塊采用STM32進(jìn)行控制，通過(guò)連接電路、實(shí)驗(yàn)調(diào)試后，該系統(tǒng)可以模擬真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程，并計(jì)算“內(nèi)輪差”危險(xiǎn)區(qū)域，進(jìn)行相關(guān)雙向聲光示警，能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對(duì)有效減少大型車輛“內(nèi)輪差”事故的發(fā)生提供解決方案。

作者簡(jiǎn)介：張皓天（1998— ），碩士生，主要研究方向：先進(jìn)控制和人工智能。

圖1 內(nèi)輪差區(qū)域示意圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 內(nèi)輪差區(qū)域計(jì)算方法

建立車輛內(nèi)輪差模型首先需要明確內(nèi)輪差定義，內(nèi)輪差是車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，前內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑減去后內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑的差值［5］，而內(nèi)輪差區(qū)域則是兩輪轉(zhuǎn)向過(guò)程中前內(nèi)輪與后內(nèi)輪不重合所形成的區(qū)域。內(nèi)輪差的大小主要與以下三個(gè)因素有關(guān)。

● 車長(zhǎng)：即整車的軸距，前軸與后軸的距離。

● 車寬：即前軸或后軸的軸間距。

● 轉(zhuǎn)彎半徑：由車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)所形成的前輪后輪不同的轉(zhuǎn)彎半徑。

給出計(jì)算車輛內(nèi)輪差系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，并標(biāo)明所需參數(shù)。l 為車長(zhǎng)、前輪與后輪的軸距， d 為車身寬度，前軸軸間距，OC、OE、OB、OF分別為四個(gè)輪的轉(zhuǎn)彎半徑。未說(shuō)明參數(shù)后續(xù)計(jì)算中會(huì)另作說(shuō)明。汽車轉(zhuǎn)向模型圖如圖2 所示。

圖2 汽車轉(zhuǎn)向模型圖

內(nèi)輪差計(jì)算推導(dǎo)步驟如下：

1）根據(jù)內(nèi)輪差的定義，內(nèi)輪差m = OD ?OC，所以需要OD 和OC 的數(shù)據(jù)。

2）△ OCD 是直角三角形， 根據(jù)勾股定理，OD2 = OC2+CD2，CD 就是汽車軸距l(xiāng)，所以需要OC的數(shù)據(jù)。

3） 從圖中分析，OC = OB ? BC，BC就是汽車后輪距d ，所以需要OB 的數(shù)據(jù)。

4） △ OAB 是直角三角形，根據(jù)勾股定理，OB2 = OA2 ? AB2，所以需要OA和AB的數(shù)據(jù)。

5） OA就是汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑r，而AB = CD，也就是汽車軸距l(xiāng) ，所以最大內(nèi)輪差m可以計(jì)算得到。根據(jù)前面分析進(jìn)行推導(dǎo)，過(guò)程如下：內(nèi)輪差m 計(jì)算如式（1） 所示。

由公式可以看出，內(nèi)輪差大小與車長(zhǎng)（軸距）、車寬（同軸間距）、轉(zhuǎn)彎半徑（轉(zhuǎn)向角）有關(guān)，三個(gè)因素均與內(nèi)輪差的大小成正相關(guān)。

計(jì)算圓弧面積即可得出內(nèi)輪差區(qū)域面積。

1.2 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)包括STM32 單片機(jī)主控模塊、角度信息反饋模塊、超聲波測(cè)距模塊、聲光報(bào)警模塊以及輔助演示模塊。聲光報(bào)警模塊又分為蜂鳴器模塊和激光投射模塊，輔助演示模塊為紅外循跡模塊。整個(gè)系統(tǒng)模擬了真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中內(nèi)輪差區(qū)的檢測(cè)與報(bào)警。在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，角度信息反饋模塊檢測(cè)車輛轉(zhuǎn)彎信息，主控模塊經(jīng)計(jì)算后控制舵機(jī)精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測(cè)量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報(bào)警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進(jìn)行相關(guān)示警?？傮w的設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)主要由STM32 主控模塊、超聲波測(cè)距模塊、示警模塊和輔助演示模塊構(gòu)成。

2.1 STM32主控模塊

相對(duì)于大學(xué)階段接觸較多的51 系列芯片，STM32系列芯片引腳更多，功能更全面，也更便于開(kāi)發(fā)，本次設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6 作為主控芯片，外部連接聲光報(bào)警模塊、超聲波測(cè)控模塊，并配置紅外循跡模塊。其引腳圖如4 所示。

圖4 STM32F103RCT6引腳圖

主控模塊控制外部連接聲光報(bào)警模塊、超聲波測(cè)控模塊，并配置紅外循跡模塊。

2.2 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距傳感器采用HC-RS04［6］。內(nèi)部電路圖如圖5所示。

圖5 超聲波內(nèi)部電路圖圖

超聲波有四個(gè)引腳，分別為供電電壓為5 V 的VCC電源引腳，GND 接地線，TR 觸發(fā)控制信號(hào)輸入，EC回響信號(hào)輸出，其引腳電路圖如圖6 所示。

圖6 超聲波引腳電路圖

超聲波傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量距離作用的同時(shí)，也能夠?qū)崿F(xiàn)判斷距離內(nèi)是否有障礙物功能［7］。本設(shè)計(jì)中超聲波測(cè)距傳感器主要檢測(cè)內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)是否有障礙物存在，若存在障礙物則將信息傳遞給主控模塊，進(jìn)行下一步聲光報(bào)警系統(tǒng)。

2.3 示警模塊

示警模塊包括兩部分：聲音報(bào)警模塊與激光投射模塊，合稱聲光報(bào)警模塊。

2.3.1 聲音示警模塊

聲音示警模塊采用簡(jiǎn)單蜂鳴器即可，此系統(tǒng)中其工作原理為主控芯片接收到超聲波測(cè)距反饋信息，若判斷有障礙物存在，則啟動(dòng)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行聲音示警功能。其電路圖如圖7 所示。

圖7 蜂鳴器電路圖

2.3.2 激光投射模塊

經(jīng)過(guò)選型比較，激光投射模塊選擇RUILIPU（瑞利普）激光霧燈，由主控模塊進(jìn)行控制，根據(jù)計(jì)算結(jié)果投射內(nèi)輪差區(qū)域。激光投射模塊實(shí)物效果圖如圖8 所示。

圖8 激光投射模塊實(shí)物效果圖

2.4 輔助展示模塊

輔助展示模塊為紅外循跡模塊，作用為更好實(shí)現(xiàn)控制車輛轉(zhuǎn)向角度。

為有效控制車輛轉(zhuǎn)向角度，方便直觀體現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中的內(nèi)輪差區(qū)域，也為配合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為模型小車設(shè)計(jì)了紅外循跡模塊功能。

紅外傳感器選擇兩個(gè)ST188，其采用高發(fā)射率紅外光電二極管和高靈敏的光電晶體管組成。

其電路圖如圖9 所示。

圖9 循跡模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)

主程序程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的整體軟件思路設(shè)計(jì)，上電系統(tǒng)初始化，小車正常循跡，檢測(cè)車輛是否轉(zhuǎn)彎，檢測(cè)到轉(zhuǎn)彎則開(kāi)始計(jì)算內(nèi)輪差區(qū)域，將計(jì)算結(jié)果反饋給主控模塊，主控模塊向超聲波模塊發(fā)送指令檢測(cè)內(nèi)輪差內(nèi)是否有障礙物，有障礙物則進(jìn)行聲光示警。沒(méi)有則小車正常循跡，直至有轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)。主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10 所示。

圖10 主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

本次硬件調(diào)試主要先對(duì)先各個(gè)部分分別進(jìn)行功能調(diào)試，然后對(duì)整體進(jìn)行調(diào)試。對(duì)內(nèi)輪差區(qū)域有無(wú)物體分別進(jìn)行調(diào)試、對(duì)循跡模塊進(jìn)行調(diào)試。循跡功能模塊如圖11所示。

內(nèi)輪差有無(wú)物體調(diào)試圖如圖12 所示。

圖11 循跡功能調(diào)試圖

圖12 內(nèi)輪差區(qū)域有無(wú)物體調(diào)試圖

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要是對(duì)各個(gè)程序之間連接問(wèn)題以及計(jì)算處理問(wèn)題進(jìn)行調(diào)試。將程序下載到微控制器里，配合硬件調(diào)試一同進(jìn)行。結(jié)果顯示軟件程序部分沒(méi)有問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

大型車輛交通事故頻頻發(fā)生，而由于內(nèi)輪差造成的交通事故又占多數(shù)，針對(duì)大型車輛轉(zhuǎn)彎視覺(jué)盲區(qū)“內(nèi)輪差”問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套大型車輛內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域雙向示警系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出能夠模擬大型車輛轉(zhuǎn)彎的模型實(shí)物，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬真實(shí)車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中內(nèi)輪差區(qū)域的檢測(cè)與示警。在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，角度信息測(cè)量模塊檢測(cè)車輛轉(zhuǎn)彎信息，主控模塊采用STM32 進(jìn)行控制，經(jīng)計(jì)算后控制投射裝置精確投射內(nèi)輪差區(qū)域，距離信息測(cè)量模塊提供內(nèi)輪差區(qū)域內(nèi)物體的距離信息，反饋給主控模塊經(jīng)判斷后向聲光報(bào)警模塊發(fā)送執(zhí)行信息，進(jìn)行司機(jī)與行人雙向示警。

通過(guò)方案設(shè)計(jì)、器件選型、硬件與軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試，最終完成制作，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，能夠針對(duì)車輛內(nèi)輪差區(qū)域進(jìn)行相關(guān)示警操作。檢測(cè)到內(nèi)輪差區(qū)域有障礙物時(shí)，聲光同提示示司機(jī)與行人，為真實(shí)大型車輛減少內(nèi)輪差事故提供解決方案。
編輯：hfy