基于車路協(xié)同的重型車輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 敏，趙志國(guó)，，王寒東，王 超，于 飛，錢明達(dá)

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院)

1 基于車路協(xié)同的重型車輛側(cè)翻預(yù)警方案和原理

圖1 為基于車路協(xié)同的車輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)由路側(cè)設(shè)備、路側(cè)無線發(fā)射模塊、車載無線接收模塊、實(shí)時(shí)測(cè)速模塊和預(yù)警系統(tǒng)組成。路側(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)發(fā)送道路信息，主體為無線發(fā)射模塊;車載單元安裝在車內(nèi)，負(fù)責(zé)獲取路側(cè)設(shè)備播發(fā)的信息，同時(shí)通過車載單元獲取車輛自身信息及實(shí)時(shí)車速，經(jīng)過計(jì)算后獲得轉(zhuǎn)向速度限制，與實(shí)時(shí)車速進(jìn)行比較，提醒駕駛員是否安全轉(zhuǎn)向，有效地提高彎道處行車安全。

圖1 車輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)原理

圖2 為重型車輛側(cè)翻預(yù)警原理。

重型車輛側(cè)翻預(yù)警原理如下。

(1)測(cè)量車輛自身信息:長(zhǎng)寬高，重心高度，輪距，軸距等。寫入車載單元的為:重心高度hg，輪距B。

(2)基站射頻設(shè)備放置位置的確定:基站射頻設(shè)備放置在距離前方轉(zhuǎn)向點(diǎn)50 ～100 m 處。

(3)向基站發(fā)射設(shè)備中寫入道路信息:彎道半徑、彎道的傾斜角并通過無線發(fā)射模塊向外發(fā)送。

(4)判斷車輛是否進(jìn)入通信區(qū)域，若車輛未進(jìn)入通信區(qū)域，則車載單元保持靜默，并不獲取彎道信息;若車輛進(jìn)入了通信區(qū)域，則車載單元被觸發(fā)，準(zhǔn)備獲取前方道路信息。

(5)車載單元獲取前方道路信息。

(6)車載單元提取車輛實(shí)時(shí)速度信息。

(7)根據(jù)已經(jīng)獲取的彎道信息通過以上的數(shù)學(xué)公式計(jì)算臨界速度。

(8)將計(jì)算得到的臨界速度值顯示出來，以告知駕駛員。

(9)根據(jù)車速比較結(jié)果確定是否報(bào)警;若車輛速度大于安全速度上限，則立即紅燈亮，通過聲音進(jìn)行報(bào)警，車輛速度低于安全速度上限10 km/h 以內(nèi)，則報(bào)警取消，只顯示黃燈以示提醒;若車輛速度一直低于安全速度上限10 km/h 以上，則綠燈常亮，保持靜默。

(10)車輛轉(zhuǎn)向完畢，關(guān)閉提醒。

圖2 預(yù)警原理

2 車輛側(cè)翻臨界車速計(jì)算

為了簡(jiǎn)化模型，忽略車輛懸掛的變形和輪胎的柔性變形，將車輛看做剛體的準(zhǔn)靜態(tài)模型。文獻(xiàn)分析表明，懸掛車輛與剛性車輛相比，側(cè)翻臨界值相差不大，因此本文采用不考慮懸架變形的靜力學(xué)模型，如圖3 所示。圖中Fc為離心力;Ff為側(cè)向摩擦力;θ 為道路橫向坡度角;B 為汽車的輪距;hg為重心高度;G 為汽車總重力。

按照?qǐng)D3 所示的車輛準(zhǔn)靜態(tài)模型，車輛側(cè)翻力矩小于穩(wěn)定力矩時(shí)，車輛不會(huì)發(fā)生側(cè)翻，即

圖3 重型車輛在彎道上轉(zhuǎn)向時(shí)的受力圖

若車輛速度大于安全速度上限，則紅燈亮，立即通過聲音進(jìn)行報(bào)警;車輛速度低于安全速度上限10 km/h 以內(nèi)，則報(bào)警取消，只顯示黃燈以示提醒;車輛速度低于安全速度上限10 km/h 以上，則顯示綠燈。

3 預(yù)警系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于每個(gè)基站相對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的彎道，而經(jīng)過彎道的車輛并不相同。因此路側(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)寫入固定的彎道半徑、彎道的傾斜角等數(shù)據(jù)，并發(fā)送給車載預(yù)警系統(tǒng)。每輛車的幾何參數(shù)各不相同，因此車載設(shè)備寫入的數(shù)據(jù)各不相同，包括各個(gè)車輛的重心高度、長(zhǎng)、寬、高外形參數(shù)信息，軸距、前懸、后懸、輪胎參數(shù)等幾何信息，運(yùn)行預(yù)警算法，并實(shí)時(shí)檢測(cè)車速。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 主要元器件選取

(1)系統(tǒng)MCU 的選取。側(cè)翻預(yù)警器要求MCU 具有較高的穩(wěn)定性和低成本的特點(diǎn)，選取STC89C52 作為發(fā)射基站和側(cè)翻預(yù)警的MCU，STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8K 在線系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。

(2)系統(tǒng)無線傳輸芯片的選取。本文采用挪威NordicVLSI 公司出品的一款新型射頻收發(fā)器件nRF24L01，其功耗很低，在以6 dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA，而對(duì)應(yīng)接收機(jī)的工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。

(3)測(cè)速傳感器。測(cè)速模塊使用HC－020K 測(cè)速傳感器，是一款寬電壓、高分辨率、短響應(yīng)速度、開關(guān)量輸出的測(cè)速模組。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)模塊:發(fā)送、接收模塊，主要為nRF24L01 芯片的程序編寫;數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)模塊，主要為按鍵電路程序編寫;實(shí)時(shí)測(cè)速模塊，主要為車速的實(shí)時(shí)檢測(cè)程序編寫;顯示模塊，LCD1602 和LCD12864 程序編寫;預(yù)警模塊，側(cè)翻臨界速度算法的編寫，實(shí)時(shí)車速比較和LED 燈與蜂鳴器程序編寫。時(shí)序流程如圖5 所示。

圖5 程序時(shí)序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

在硬件調(diào)試時(shí)，用萬用表測(cè)量單片機(jī)的工作電壓及各個(gè)管腳的電壓是否達(dá)到正常工作電壓，在燒入程序后，測(cè)試每個(gè)I/O 端口輸出電壓，檢查I/O 端口與程序控制值是不是一致。當(dāng)單片機(jī)控制模塊硬件部分制作好后，調(diào)試顯示程序，在LCD12864 上顯示一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字，若顯示結(jié)果正確，表明液晶顯示電路和單片機(jī)是正確連接的，單片機(jī)能正常工作。軟件調(diào)試包括兩方面:一方面是調(diào)試程序的語法，另一方面是在電路板上調(diào)試功能是否實(shí)現(xiàn)。

4.2 調(diào)試運(yùn)行

在車輛未到彎道時(shí)路側(cè)設(shè)備保持靜默，此時(shí)發(fā)送設(shè)備LCD 屏上顯示彎道半徑R 和彎道的傾斜角θ，分別為100 m和20°。而接受設(shè)備LCD 屏上顯示當(dāng)前車速為89 km/h。

在車輛經(jīng)過路側(cè)設(shè)備即將到達(dá)彎道時(shí)，按下按鍵K1，發(fā)送數(shù)據(jù)。接收設(shè)備接受完數(shù)據(jù)同時(shí)在LCD 屏上顯示:“注意!即將進(jìn)入彎道”，延時(shí)3 s，運(yùn)行預(yù)警算法，LCD 屏上顯示接收到的彎道數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的臨界速度。

實(shí)時(shí)檢測(cè)車速，如果車速比臨界速度小10 km/h 以上，顯示綠燈，蜂鳴器靜默;如果車速比臨界車速小10 km/h 以內(nèi)，顯示黃燈，以示提醒;如果車速比臨界車速大，顯示紅燈，蜂鳴器報(bào)警。

20 s 后，假設(shè)車輛結(jié)束彎道過程，則系統(tǒng)結(jié)束報(bào)警過程，回到初始狀態(tài)。

5 結(jié) 論

(1)基于車路協(xié)同理論，構(gòu)建了重型車輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)框架，該系統(tǒng)由路側(cè)設(shè)備、路側(cè)無線發(fā)射模塊、車載無線接收模塊、實(shí)時(shí)測(cè)速模塊和預(yù)警系統(tǒng)組成;

(2)建立了不考慮懸架變形的靜力學(xué)模型，給出了彎道側(cè)翻臨界車速計(jì)算方法;

(3)以模型車為研究對(duì)象，完成了預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試;

(4)試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠比較快速、準(zhǔn)確地顯示道路信息和臨界車速，及時(shí)做出預(yù)警響應(yīng)，符合設(shè)計(jì)要求。

［1］趙志國(guó).重型車輛側(cè)翻預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.黑龍江交通科技，2012，(1):93－94.

［2］趙志國(guó)，王冬冬.重型車輛側(cè)翻預(yù)警技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(2):108－112，172.

［3］王云鵬.車路智能協(xié)同技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［R］.2009年中國(guó)智能交通年會(huì)，深圳:中國(guó)智能交通協(xié)會(huì)，2009.

［4］羅京，張冬冬，郭騰峰.大型車輛橫向穩(wěn)定性對(duì)公路設(shè)計(jì)極限平曲線半徑取值的影響分析［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2010，23(S2):42－46.