一種新型汽車內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域障礙物報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

裴雪皓

摘要

針對(duì)車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)由于前后輪轉(zhuǎn)彎半徑不同，存在內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域?qū)β啡松踩斐奢^大威脅且容易發(fā)生車輛刮擦的問題，設(shè)計(jì)了一種新型汽車內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域障礙物報(bào)警裝置。該系統(tǒng)探測(cè)精確，架構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可適于多種類型的車輛。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可有效減少此類事故的發(fā)生，具有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域 報(bào)警裝置 精確探測(cè)

內(nèi)輪差（Difference of Radius Bemeen InnerWheels）是車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)前輪轉(zhuǎn)彎半徑與內(nèi)后輪轉(zhuǎn)彎半徑之差。由于內(nèi)輪差的存在，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，前、后車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡不重合。在行車中如果只注意前輪能夠通過而忘記內(nèi)輪差，就可能造成后內(nèi)輪駛出路面或與其他物體碰撞的事故。目前的內(nèi)輪差危險(xiǎn)區(qū)域警示裝置多數(shù)為車側(cè)攝像頭，擴(kuò)大司機(jī)視野，但當(dāng)司機(jī)不注意時(shí)還是很容易發(fā)生慘劇。少數(shù)采用定位探測(cè)器探測(cè)障礙物的警示裝置都存在警示不精確，警示區(qū)域小等缺點(diǎn)。

所以需要一種比較精確的裝置探測(cè)內(nèi)輪差區(qū)域是否有障礙，并及時(shí)提醒司機(jī)或直接采取制動(dòng)措施。

1 工作原理

（1）要實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)及警示，必須要找出需要警示的危險(xiǎn)區(qū)域，經(jīng)過對(duì)汽車轉(zhuǎn)彎的研究，確定了圖1中陰影區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)警示區(qū)域，并將該區(qū)域細(xì)分為預(yù)警區(qū)域（儀表盤燈閃提醒）以及警告區(qū)域（燈閃鈴響）。利用幾何關(guān)系找出探測(cè)角之間的關(guān)系：2β=α=汽車轉(zhuǎn)向角。

（2）為了實(shí)現(xiàn)劃定的危險(xiǎn)區(qū)域全覆蓋探測(cè)，目前的多個(gè)探測(cè)器并排安裝于車側(cè)的方式并不好，會(huì)造成很多無需探測(cè)的區(qū)域被探測(cè)。因此決定采用探測(cè)器定向探測(cè)的方式，在前輪處布置兩個(gè)探測(cè)90°范圍的探測(cè)器一個(gè)探測(cè)Ⅰ區(qū)（①探測(cè)器），一個(gè)探測(cè)Ⅱ區(qū)（②探測(cè)器），后輪處布置一個(gè)探測(cè)45°（由于前輪轉(zhuǎn)角≤90°，后輪轉(zhuǎn)角為前輪一半，因此后輪45°探測(cè)足矣）范圍的探測(cè)器（③探測(cè)器），這樣Ⅰ區(qū)可被①③同時(shí)探測(cè)到，Ⅱ區(qū)可被②③同時(shí)探測(cè)到。很容易的區(qū)分開了Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。

（3）要實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)就需要用遠(yuǎn)程探測(cè)的儀器，比如雷達(dá)、超聲波探測(cè)器、紅外探測(cè)器等等，經(jīng)過性能比較及篩選決定以超聲波探測(cè)器為主要的探測(cè)障礙物的儀器，并利用紅外探測(cè)器確定是非有人體存在。

（4）為準(zhǔn)確保證2β=α=汽車轉(zhuǎn)向角的關(guān)系，選擇采用高精度舵機(jī)，并用單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向。

（5）郵可克曼轉(zhuǎn)向原理可知汽車轉(zhuǎn)向時(shí)左右輪偏轉(zhuǎn)角度不同，而且危險(xiǎn)區(qū)域僅存在于轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，因此只有轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)探測(cè)器供電。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 探測(cè)器定向探測(cè)部分

只有探測(cè)器的定向探測(cè)才能利用門電路使得障礙物在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)電路接通。必須保證在前輪處的兩個(gè)探測(cè)90°范圍的探測(cè)器一個(gè)探測(cè)Ⅰ區(qū)（①探測(cè)器），一個(gè)探測(cè)Ⅱ區(qū)（②探測(cè)器），后輪處布置一個(gè)探測(cè)45'范圍的探測(cè)器（③探測(cè)器），這樣Ⅰ區(qū)可被①③同時(shí)探測(cè)到，Ⅱ區(qū)可被②③同時(shí)探測(cè)到。

所以①②兩個(gè)探測(cè)器緊靠安裝，合起來探測(cè)前輪外側(cè)的全部區(qū)域，保證時(shí)刻與前輪同向。③探測(cè)器保證在前輪不轉(zhuǎn)向時(shí)其探測(cè)區(qū)域全部在車內(nèi)區(qū)域。

2.2 探測(cè)器轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

采用JY901傾角儀安裝于方向盤聯(lián)動(dòng)軸上，進(jìn)行姿態(tài)角度測(cè)量，并且輸出方向盤轉(zhuǎn)角A（用正負(fù)區(qū)分左右轉(zhuǎn)）至單片機(jī)，單片機(jī)確定左右轉(zhuǎn)后，經(jīng)過倍數(shù)變換α=kA（根據(jù)具體車型實(shí)驗(yàn)得到確定倍數(shù)k）確定前輪轉(zhuǎn)向角a，后輪轉(zhuǎn)角為α/2。單片機(jī)控制相應(yīng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 性能研究

將本裝置用于不同軸距的車輛進(jìn)行測(cè)試，可得本裝置正常工作的軸距上限為3.5米。

圖2為軸距3.5m的警示區(qū)域圖，可見3.5m軸距下，警示區(qū)域明顯縮減但基本效果影響不大。所以本產(chǎn)品適用于軸距3.5m以下的轎車小型客車等。對(duì)于不同型號(hào)車輛安裝方法一致，安裝前實(shí)際測(cè)量車輛的方向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角的倍數(shù)k，在程序中賦值后，安裝即可使用。

4 裝置創(chuàng)新點(diǎn)

（1）警示區(qū)域擴(kuò)大，更加精確警示區(qū)域。細(xì)分為預(yù)警區(qū)域（儀表盤燈閃提醒）以及警告區(qū)域（燈閃鈴響），而且在警告區(qū)域出現(xiàn)障礙物時(shí)準(zhǔn)確判斷是非為人體，如果紅外探測(cè)儀探測(cè)到人體，馬上采取轉(zhuǎn)動(dòng)，準(zhǔn)確高效。

（2）利用探測(cè)器定向探測(cè)的探測(cè)區(qū)域重疊的原理結(jié)合門電路設(shè)計(jì)，無需計(jì)算障礙距離，使裝置簡(jiǎn)潔，不易壞，易修理。

（3）利用幾何關(guān)系，使得只需要前后車輪部分的探測(cè)器即可完成危險(xiǎn)區(qū)域的探測(cè)，減少了探測(cè)器數(shù)量，同時(shí)探測(cè)精度提高。

（4）安裝方便，可直接安裝于車上，也可在汽車生產(chǎn)中直接加入汽車底盤。

（5）利用先障礙判斷后人體探測(cè)，省電而精確，在有人體位于危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)直接采取轉(zhuǎn)動(dòng)措施。

5 應(yīng)用前景

由于目前此類產(chǎn)品本身不多，而且汽車生產(chǎn)廠家并沒有自帶任何此類的裝置，目前汽車有倒車?yán)走_(dá)，前置防撞雷達(dá)，唯獨(dú)在車側(cè)沒有任何探測(cè)系統(tǒng)，忽略了內(nèi)輪差的危險(xiǎn)區(qū)域。大型車輛的內(nèi)輪差區(qū)域容易造成傷害事故，小型汽車也容易出現(xiàn)小孩的交通事故，在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)如果不注意也容易出現(xiàn)刮蹭掉漆等情況。

該裝置安裝方便，性能可靠，綜合有預(yù)警區(qū)域和警示區(qū)域，給司機(jī)以最大程度的提醒警示，同時(shí)結(jié)合紅外感應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)事故的情況及時(shí)處理，將極大程度的提高汽車的安全性能。該裝置可廣泛安裝于各類中小型車輛。

參考文獻(xiàn)

[1]廈門理工學(xué)院，中國(guó)：CN 204472885U[P].

[2]無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院.中國(guó)：CN204196773U[P].

[3]江蘇新安電器有限公司.中國(guó)：CN203766686 U[P].

[4]陳秀寧，施高義等.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（第三版）[M].浙江大學(xué)出版社，2004.

[5]許子陽(yáng).汽車底盤結(jié)構(gòu)與拆裝[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2015.

[6]林家讓.汽車構(gòu)造-底盤篇[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.