基于Arduino單片機的汽車并線輔助系統設計

李 明 娟

(濱州學院 飛行學院，山東 濱州 256603)

0 引 言

汽車并線輔助系統作為智能交通系統(ITS)的一個部分，在這幾年逐漸地進入人們的視野中。隨著汽車的普及，并線輔助系統也成為一個不可缺少的選裝配置，該系統可以輔助駕駛員駕駛車輛并線，為駕駛員提供更加可靠地道路車流信息，極大地增加了汽車的道路行駛安全[1]。近年來，對汽車輔助駕駛系統的研發受到了世界各國的廣泛關注，日本、德國和美國等國家都針對本國的人口、汽車數量和實際公路狀況，對汽車輔助駕駛系統包括研發方向都做了規劃[2-4]。

兩車碰撞的事故可以劃分成車輛追尾、車輛并線角碰撞和車輛并線側方向剮蹭3種[5]。由于汽車反光鏡存在著視覺上的盲區，導致了司機無法實時、正確地獲得相鄰車道中車輛的實時狀態，所以車輛并線側方向剮蹭就成為兩車碰撞事件中事故率最高的一種。目前，汽車并線輔助系統在汽車中的裝配比例非常小，新車已配備了汽車并線輔助系統功能的幾乎沒有。另外，現有汽車并線輔助系統只有燈光報警模塊，駕駛員有時會因為光線問題，看不到燈光報警，導致并線輔助系統不夠實用[6-8]。鑒于此，設計一款具有聲、光警示和方向盤震動的汽車并線輔助系統就顯得尤為必要。

1 系統組成及基本工作原理

1.1 系統組成

該系統主要由Arduino微處理器、電源模塊、超聲波傳感器發射和接收模塊、報警模塊組成，其中報警模塊包括LED模塊、震動模塊、蜂鳴器模塊3部分。汽車并線輔助系統整體框圖如圖1所示。

圖1 汽車并線輔助系統整體框圖

1.2 基本工作原理

本系統設計當駕駛員向左或向右撥動轉向桿時才開啟汽車并線輔助系統，以防出現盲目報警的情況，從而為駕駛員提供更準確的信息。當駕駛員撥動轉向燈桿，系統啟動，根據撥動轉向燈桿的方向開啟該方向的傳感器。主控制中心單片機、傳感器檢測范圍預先設定好，單片機在收到傳感器檢測到的后方車輛信號時，便進入軟件判斷流程，根據傳感器判斷的距離進行分級和聲光報警。如后方有車隊在另一條車道通過的過程中，通過不停的向主控制器發送檢測數據來提醒駕駛員現在時刻不適合變道，單片機通過檢測數據與內存的設定值進行對比之后得到準確的結果，并實現報警，并根據距離的等級給駕駛員不同等級的警報。

2 軟硬件設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1主控制器模塊

該系統選用的單片機為Arduino Mega 2560，選擇該款單片機的原因在于其容易操作和學習，價格低廉成本低，可以滿足設計需要；該單片機最主要的優點就是擁有比較多的IO接口，數量多達54個，特別適合需要大量IO接口的設計[9-10]。本系統的設計需要超聲波傳感器模塊的檢測、報警模塊的輸出，所以Arduino Mega 2560單片機是汽車并線輔助系統的最佳選擇。Arduino 2560單片機針腳圖如圖2所示。

圖2 Arduino 2560單片機針腳圖

本設計選用的模數轉換器為ADC0809。其工作原理是：將得到的編碼進行鎖存后，然后進行詳細譯碼，從所有編碼的信號中選擇一個信號進行A/D轉換。當A/D轉換器開始工作的時候，首先要導出一個3位的地址編碼，并伴隨輸出指示命令ALE=1，然后將前邊保存的地址輸入到ADC0809的地址鎖存器中。這樣，前邊輸出的編譯碼就可以從轉換器中的8路模擬通道輸入到其中的一個對比器中進行詳細比較。當A/D轉變成功后，會將編碼由低電平轉換為高電平，轉換結束，并且將最終結果輸出到Arduino Mega 2560單片機。

2.1.2傳感器模塊

本系統檢測模塊選擇超聲波測距模塊(HC-SR04)，該模塊有超級敏感的環境補償功能，極大地減少了由于環境溫度變化造成的檢測誤差。HC-SR04應用二C的總線和單片機傳輸信號對單片機輸出的二C命令開啟自動接收模式，還可以對其他方向車道上汽車進行檢測，非常簡單，因此該模塊占用單片機的信號資源和輸入、輸出接口的現象極大地減少[11-13]。因此，HC-SR04安裝在汽車并線輔助系統中是較好的選擇。HC-SR04采用非接觸式距離檢測方式，測量距離的精度可以達到3 mm。

2.1.3報警模塊

報警模塊主要由蜂鳴器模塊、震動模塊和燈光模塊三部分組成。在汽車并線或者超車的過程中，若需要警示駕駛員，報警模塊就能收到來自單片機的驅動信號，驅動蜂鳴器模塊發聲、震動模塊震動和燈光模塊由綠燈變為藍燈或者紅燈閃爍。當檢測到與相鄰車道側后方的汽車距離大于提前設定的安全距離時，不做任何報警動作繼續進行再一次的測量，這時駕駛員可以自由變道。當檢測到與相鄰車道側后方的汽車距離小于提前設定的安全距離時，報警模塊開始發出報警信號，即燈亮、聲音、震動報警。根據兩車距離的大小可以分不同的等級報警，即蜂鳴器模塊的發聲頻率和燈光模塊的顏色都不同。(1)安全模式：綠燈亮，無聲音和震動；(2)緩沖模式：藍燈亮，發聲和震動頻率低；(3)危險模式：紅燈亮，發聲和震動頻率高。

2.2 系統軟件設計

基于Arduino汽車并線輔助系統使用模塊化的設計，程序直觀方便易讀，模塊的功能通過不斷地調用子程序模塊來實現。設計的重點是對道路車流數據的采集和檢測，判斷是否有車輛進入盲區與危險報警的子程序。

為了減少誤報率，提高系統的運行流暢度，本設計對道路中車流的狀況進行多次的數據采集。根據接收到的數據信息和預設值進行比較。最后，單片機輸出汽車是否能夠變道的信號到報警系統。

2.2.1汽車并線輔助系統程序設計

軟件部分的設計采用的方法是前后臺多任務，本設計把超聲波檢測程序和報警程序分別寫成兩個部分，并設定低功耗運行模式，這樣能夠降低系統功耗，減少汽車電瓶頻繁放點的次數，增加汽車電瓶的壽命。

系統運行首先是Arduino Mega 2560微型處理器啟動并開始初始化配置[14]。系統總程序流程圖如圖3所示。當檢測到相鄰車道有車輛時，得到檢測的數值，并且將提前設定的安全距離與測量的距離進行對比，當數值進入設定循環值時，進而就能夠判斷出是否需要啟動報警模塊，在視覺、聽覺和觸覺方面給駕駛員做下一步動作，從而做出參考。

圖3 系統總程序流程圖

2.2.2主程序初始化流程

接通系統電源，首先運行定時器的預先設定，然后讓系統停止工作，藍燈閃爍、蜂鳴器報警、震動模塊震動、超聲波模塊實時檢測鄰側道路現場的車輛數據；最后關掉所有報警模塊，并打開綠燈，完成主程序的初始化[15-16]。這時綠色LED燈發光，在這種條件下蜂鳴器和震動模塊不作任何報警動作。主程序初始化流程圖如圖4所示。

3 實物功能測試

3.1 實物功能測試

基于Arduino單片機的汽車并線輔助系統實物圖如圖5所示。模擬道路路況進行實物功能測試，由于實物是根據汽車的尺寸按比例縮小的，所以測試的數據也是按比例縮小。當車輛正常行駛時，本系統不啟動，撥動轉向燈桿，系統啟動并根據燈桿撥動方向啟動該方向的超聲波測距傳感器，若檢測到相鄰車道的后方沒有車輛行駛，LED燈綠燈亮，其它模塊不報警，駕駛員可以自由變道或超車；若相鄰車道有車輛，兩車相距進入緩沖模式，LED燈藍燈亮、蜂鳴器和震動模塊報警頻率低；若相鄰車道有車并且兩車距離進入危險模式，即有車進入視覺盲區，LED燈紅燈亮，蜂鳴器響的頻率高，震動模塊震動明顯，這時不能并線或者超車。

圖4 主程序初始化流程圖

圖5 汽車并線輔助系統實物圖

3.2 測試結果分析

由于現有汽車并線輔助系統只有燈光報警模塊，駕駛員有時會因為光線問題，看不到燈光報警，導致并

線輔助系統不太實用。與現有的汽車并線輔助系統相比，本設計的3種報警模塊同時報警避免了此問題，即不僅有燈光報警模塊，還有蜂鳴器模塊和震動模塊。在實際運行中，各模塊運行穩定和精確。

4 結 語

本設計應用了Arduino Mega2560單片機和HC-SR04超聲波測距模塊，使用自制汽車模型作為系統載體，并將系統安裝在該模型上。通過對系統測試及運行，該設計穩定性高，結果較為精確。該系統還因價位較低，且可靠性較高，易于在市場推廣，能滿足汽車擁有者的需求。需要注意的是，汽車并線輔助系統并不能完全代替駕駛員判斷路況，即使汽車安裝了該系統，駕駛員仍然需要觀察汽車的后視鏡實時關注路況，保證行車安全。

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