基于STM32F103的貨車轉彎報警系統設計

張修軍，唐　帥, 熊　昆

(成都大學 信息科學與工程學院，四川 成都　610106)

0　引　言

統計數據顯示，目前全國大貨車占汽車保有量比例為12.28%，但其肇事導致的傷亡人數占交通事故傷亡總數的48.23%[1].其中，因貨車設計不完善、駕駛員右轉存在視線盲區等因素，導致大貨車在路口右轉時發生的交通事故約占30%[2].由于大型貨車在路口轉彎過程中,因內輪差現象而導致駕駛員右轉存在視線盲區而經常發生交通事故.所謂內輪差就是車輛在轉彎過程中存在轉彎內側的后輪軌跡和轉彎內側前輪的軌跡不重疊的現象.對此，本研究設計并開發了一套根據大型貨車速度和轉彎半徑來實現以光線投射為特點且地面危險區域可調的聲光報警系統，可有效解決內輪差導致的貨車安全問題.

1　系統方案設計

本貨車轉彎報警系統的硬件主要由STM32F103主控器、MPU6050六軸傳感器、HAL815霍爾效應傳感器、HB100微波多普勒探測器、HN911L熱釋電人體紅外傳感器、報警模塊及投射模塊組成.MPU6050模塊和HAL815霍爾效應傳感器分別負責采集轉向角度和行駛路程；紅外雙鑒探測模塊主要負責檢測車輛轉彎有無障礙物；投射模塊負責將危險區域投射到地面；報警模塊則負責發出聲光報警；STM32主控模塊接受數據并進行數據處理，將危險區域模擬為與實際內輪差大小相近的區域.系統結構圖如圖1所示.

圖1系統結構框圖

系統工作時，MPU6050六軸傳感器和HAL815霍爾效應傳感器將檢測到的車右轉方位數據與轉速傳給STM32，STM32通過內輪差算法計算出此時內輪差大小與擋板前后移動的距離比例，再通過數據處理程序控制舵機的轉向角度，進而調整可控擋板的前后移動，改變地面投射燈光的范圍.當紅外雙鑒探測器檢測到有障礙物在危險區域內時，則觸發報警系統報警.

2　系統軟件設計

2.1　主程序流程圖

報警系統主程序流程圖如圖2所示.初始化子程序包括STM32片內資源I/O、時鐘信號模塊及各個傳感器的初始化.上電后，首先進入系統初始化，等待各個傳感器進入正常工作狀態，如果MPU6050傳感器檢測到轉彎信號則根據算法設計進行內輪差大小的計算，

最后將內輪差大小以光的形式投射到地面(地面所呈現的光面積為危險區域)，直到轉彎結束停止投射.轉彎時探測器檢測到障礙物，則觸發聲光報警直到未檢測到障礙物結束報警.最后，各傳感器繼續處于正常工作狀態.

圖2主程序流程圖

2.2　內輪差算法

大型貨車在轉彎時，內輪差面積如圖3陰影面積所示，輪差的大小和車輛軸距的長短有關，方向盤打得越少，內輪差越小，反之則內輪差越大，即車輛的軸距越長，內輪差越大[3].為便于估算，假定車輛路邊一定值且距彎道水平處一定值時，均勻轉向(方向盤打一定量，保證車輛沿圓周運動)，轉彎后車尾距彎道水平處2 m，此時車輛轉彎完成.在這種理想狀態下，車輛前輪、后輪均做圓周運動，轉彎完成時，軌跡劃過1/4圓弧，而且R=r+L.

圖3內輪差示意圖

在圖3中建立直角坐標系，各參數定義如下：L為軸距(已知量)，A為汽車開始轉彎初始點，B為汽車轉彎完成終點，r為汽車前輪轉彎半徑，R為汽車后輪轉彎半徑，s為HAL815測出的車輪行駛路程，α為MPU6060測出的轉彎圓心角，則陰影面積S可以估算[4]為：

(1)

s=α·r

(2)

通過式(1)、式(2)可得出內輪差面積S大小.

3　系統硬件設計

3.1　紅外雙鑒探測器設計

紅外雙鑒探測器采用微波與被動紅外相結合進行右轉障礙物判斷，其中微波模塊采用HB100微波多普勒探測器，被動紅外模塊采用HN911L熱釋電人體紅外傳感器[5].該模塊輸出繼電器信號，有2個信號端子，未產生危險信號時2個端子處于連通狀態，產生危險信號時則處于斷開狀態，將2個信號端子分別接到STM32 PA1和PA2這2個I/O口，PA2輸出低電平，PA1設為上拉輸入，連通時PA1為低電平狀態，斷開時處于高電平狀態.STM32通過檢測PA1 I/O口電平狀態來發出信號，控制報警系統實施報警.圖4為信號處理流程圖.

圖4信號處理流程圖

3.2　陀螺儀傳感器設計

陀螺儀傳感器采用MPU6050六軸傳感器模塊，用于車輛右轉數據的采集，外部與STM32 I/O口相連通過IIC通信，傳至STM32將數據進行處理后，得出右轉信號和轉向角度.

MPU6050模塊是以MPU6050芯片為核心配合必要的外圍器件形成的加速度測量模塊.其中MPU6050芯片整合了3軸陀螺儀和3軸線加速度計，極大地減小了包裝空間，同時避免了加速度計和陀螺儀組合時的軸間差問題，并能夠以400 kHz的速度提供16 bit精度的加速度數據[6].MPU6050模塊電路圖如圖5所示.

圖5MPU6050模塊電路圖

通過讀取MPU6050加速度計輸出值，去除零點漂移，通過自帶的運算處理器計算得到角度(弧度)，并將弧度轉化成度.讀取MPU6050陀螺儀輸出值，去除零點漂移，計算得到角速度，角速度積分計算得到角度值.最后將角度和角速度輸入卡爾曼濾波器進行濾波，經濾波過后，計算得到車輛右轉時的傾角.

3.3　投射模塊設計

本模塊設計思路是通過STM32控制舵機，舵機帶動反光擋板，擋板安裝在頻閃燈的外部可以反射其燈光至地面，最終實現通過調節舵機轉向角度控制地面燈光面積大小.

舵機的轉動位置是靠控制脈沖寬度調制(Pulse width modulation,PWM)信號的占空比來實現的，PWM輸出電路圖如圖6所示.

圖6PWM輸出電路圖

由于接入的電源電壓為7.2 V，需要外圍電壓轉換電路將電源電壓轉換為舵機的6 V工作電壓，本設計采用LM2596電流輸出降壓開關集成穩壓芯片，其具有很好的線性和負載調節特性，可輸出小于37 V的各種電壓，可用僅80 μA的待機電流實現外部斷電，并具有自我保護電路.電流再經過整流二極管進行整流處理，最終向PWM輸出6 V的電壓，通過控制PWM輸出來調節舵機的轉向角度.

舵機通過齒輪與擋板相連接，進而調節擋板的前后移動伸縮，因可控擋板長度為17.2 cm，裝置的安裝高度為2.2～3.0 m，這樣可使投射區域橫向最小寬度為17.2 cm，縱向投射區域長度最小為0 m，所以投射區域面積可以隨意更改，擋板前移則投射區域增大，后移則投射區域減小.投射區域由2個半圓和1個矩形組成，則可以計算出投射區域面積和擋板前后移動的比例關系，再由內輪差的估算方法，算出此時內輪差大小.最后，根據內輪差大小控制擋板前后移動距離，隨著車的右轉投射區域跟著轉動，同時投射范圍不斷改變，最終投射的總范圍與圖3中內輪差區域大小相近，并且投射范圍是一個紅色區域，能警示行人和司機遠離該區域.圖7為投射面積示意圖.

圖7投射面積示意圖

3.4　轉動傳感器設計

系統通過轉動傳感器測出車輪的轉速后，通過STM32內部定時器計時，即可算出貨車在轉彎時行駛的路程.轉動傳感器采用的是Micronase公司的可編程線性霍爾效應傳感器HAL815，其內部IC集成電路板的設計采用了CMOS技術，是一個能夠提供與磁場強度和輸入電壓成比例的輸出電壓的單片式集成電路，可以對旋轉運動的磁鋼進行角度測量.輸出曲線的主要特征參數包括磁場強度范圍、靈敏度、輸出靜壓(B=0時的輸出電壓)及輸出電壓范圍，這些參數均可通過編程板進行編程.傳感器的比例輸出特性意味著輸出電壓與磁感應強度和源電壓是成比例的.HAL815可通過調節源電壓進行編程，編程時采用兩點標定法即直接調整輸出電壓和輸入信號的對應關系.通過對傳感器進行兩點標定，可以補償傳感器、磁鐵和機械位置的安裝誤差，避免了使用機械調節裝置或激光微調裝置進行標定時帶來的高成本.

3.5　聲光報警系統設計

本設計的報警電路部分采用L298N驅動模塊為核心元件，外接揚聲器和頻閃燈.整個報警電路的電源為12 V獨立直流電源，并采用高電平接收方式.圖8為聲光報警系統電路設計框圖.

圖8報警電路設計框圖

4　系統測試

系統在測試時，首先將電源連接到驅動電路的輸入端口，探測器電源輸入端連接到驅動電路的12 V輸出端口，揚聲器與STM32核心板分別連接至驅動電路5 V輸出端口，其余各個模塊分別連接至STM32相應的I/O口，再將對應模塊安放在車身合適位置.系統上電后，探測器進入檢測，陀螺儀傳感器模塊初始化完成，檢測貨車是否轉彎.需要報警時，聲光報警系統發生報警，同時投射系統將危險區域投射到地面.測試結果表明，本貨車轉彎報警系統各項功能運行正常，報警準確且響應快.

5　結　語

本研究采用模塊化設計思想，對貨車轉彎報警系統先進行總框架布局，然后再做模塊化劃分，對各個模塊進行分析與實現，通過理論分析、程序編寫和硬件調試，最終實現了本系統.本系統設計相比其他設計的優點是：采用了紅外雙鑒報警器，被動紅外與微波相結合，既保持了微波探測器的可靠性及與熱源無關的優點，又集合了被動紅外探測器無需照明和亮度要求且可晝夜運行的特點，大大降低了誤報率，同時還設計了投射系統，將危險區域投射到地面，提醒貨車司機及時避讓行人，從而確保行車安全.