車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)研究設(shè)計

田欣悅 高佳儀 迪達(dá)爾 阿米娜 李嘉齊

中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

隨著汽車保有量的不斷增加，交通事故也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢，汽車安全問題一直是人們關(guān)注的焦點。近年來，當(dāng)司機(jī)或乘客突然打開車門時，會導(dǎo)致后方障礙物與車門相撞的事故，嚴(yán)重危及公共交通安全。提前預(yù)警可以極大地減少交通事故發(fā)生概率，而目前，涉及防止障礙物與車輛開門發(fā)生碰撞的車門防撞預(yù)警系統(tǒng)，仍存在成本高、有效預(yù)警范圍大、有效預(yù)警時間長等問題。本文將從低成本、高效率的角度出發(fā)，研究車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)。

1 車門開啟瞬間防撞模型的建立

1.1 車門開啟瞬間的碰撞工況分析

日常生活中，我們一般會認(rèn)為正在行駛的車輛存在更高的危險性，對行駛中的車輛總是會提高警惕，更加注意和小心，而忽略了停止的車輛也存在一些危險。

1.1.1 車輛停止時的動態(tài)環(huán)境分析

轎車、電動車、自行車、摩托車等在停止車輛車門突然開啟時，未能做出及時反應(yīng)停車或減速，從而出現(xiàn)與車門相撞；或車內(nèi)人員因未注意外部情況而突然開啟車門，導(dǎo)致車門碰撞到后方障礙物。

1.1.2 車輛停止時的靜態(tài)環(huán)境分析

車輛停止后，車門附近有較矮的靜態(tài)障礙物，例如可以升降的小型路障樁、警示樁、隔離墩等，車內(nèi)人員無法通過后視鏡或車窗觀察到障礙物的存在，從而在開門時碰撞到障礙物。

1.1.3 其他碰撞工況分析

駕駛?cè)藛T或車內(nèi)其他人員缺乏安全意識或有一些不良駕駛行為習(xí)慣等人為因素，導(dǎo)致車門的開啟瞬間與后方的障礙物產(chǎn)生碰撞的可能；在極端天氣情況下，如刮風(fēng)、下雨、霧霾等自然因素車外能見度較低的情形中，車內(nèi)人員無法看清外部環(huán)境，導(dǎo)致車門與周圍障礙物或行人碰撞的可能性發(fā)生等。

本文主要針對后方運動目標(biāo)與車門發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)警，提出車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)。

1.2 車門開啟瞬間防撞模型的建立

模式1:主要針對于兒童及青少年人群。

該類乘客打開車門時間集中分布在3.5～6s，車門開合寬度集中分布在0.8～1.0m。故在該模式下，系統(tǒng)檢測到后方運動物體勻速到達(dá)本車的臨界安全時間t=6s，障礙物距車門臨界安全寬度d=1.0m。

模式2:主要針對青年及中年人群。

該類乘客打開車門時間集中分布在2～3.5s，車門開合寬度集中分布在0.9～1.1m。故在該模式下，系統(tǒng)檢測到后方運動物體勻速到達(dá)本車的臨界安全時間t=3.5s，障礙物距車門臨界安全寬度d=1.1m。

模式3:主要針對老年人群

該類乘客打開車門時間大致分布在3～6s，車門開合寬度集中分布在1.0～1.2m。故在該模式下，系統(tǒng)檢測到后方運動物體勻速到達(dá)本車的臨界安全時間t=6s，障礙物距車門臨界安全寬度d=1.2m。

2 車門開啟瞬間防撞系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)主要分為停車判斷模式、信息捕獲模塊、信息處理模塊、門鎖控制模塊、報警模塊五個模塊，主要通過對車速檢測、周圍環(huán)境分析、車內(nèi)人員是否有下車準(zhǔn)備進(jìn)行判斷分析是否符合車門開啟標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

2.1 速度檢測裝置

該裝置以STC89C52單片機(jī)為控制核心，使用霍爾傳感器作為檢測車輛速度方法的檢測元件，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理[1]，并將車速輸入系統(tǒng)，判斷是否有停車的可能性以及車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)是否開啟。

2.2 周圍環(huán)境檢測分析裝置

2.2.1 信息捕獲模塊

選取線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)毫米波雷達(dá)傳感器，雷達(dá)裝置具有穩(wěn)定的探測性能和良好的環(huán)境適應(yīng)性，可以在各種天氣條件下正常工作。此外，在相同的測量條件下毫米波雷達(dá)發(fā)射功率可以很低，天線部件尺寸小，雷達(dá)的成本低、性價比高，因此，本系統(tǒng)選用毫米波雷達(dá)作為測距傳感器[3]。

根據(jù)車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)需要，射頻前端裝置安裝在車輛后視鏡旁，采用2TX、4RX，主要對后方來車、行人進(jìn)行監(jiān)控。信號發(fā)出器通過毫米波雷達(dá)前端的發(fā)射天線向外發(fā)射所需頻段的毫米波，接收天線接收被后方物體返回的回波信號，對毫米波雷達(dá)前端返回的信號采集，并將雷達(dá)輸出的信號經(jīng)過初步處理。

2.2.2 信息處理模塊

雷達(dá)輸出的信號經(jīng)過初步處理后，為得到目標(biāo)的具體信息，設(shè)計的信號處理算法應(yīng)滿足以下需求：模擬信號需要通過A/D模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；Range FFT是為了得到目標(biāo)的距離信息；Doppler FFT是為了得到目標(biāo)的速度信息；由于有多個接收通道，需要做非相關(guān)累加；由于環(huán)境中的干擾目標(biāo)較多，可能會存在虛警現(xiàn)象，需設(shè)計虛警排除算法。基于以上需求設(shè)計的信號處理見圖2所示。

圖2 毫米波雷達(dá)處理信號流程圖

2.3 壓力傳感裝置

車內(nèi)成員動向判斷模塊細(xì)分為兩部分，一個是車內(nèi)乘員的坐姿分析，一個是車內(nèi)把手的開合分析，兩者結(jié)合起來判斷可以減小失誤率。

2.3.1 車內(nèi)乘員的坐姿分析

當(dāng)防撞系統(tǒng)開啟后，首先對車內(nèi)人員的動向做出判斷，選用9個量程為500g的DF9-16型柔性薄膜壓力傳感器內(nèi)置于坐墊中組成傳感器陣列，搭建出一套體壓分布測試系統(tǒng)，獲取不同坐姿下的體壓分布特征，以獲取體壓分布數(shù)據(jù)。坐姿的變化會引起體壓數(shù)值變化與分布特征，尤其是重心變化。根據(jù)體壓分布圖，首先可以判斷出該座位上的成員的性別與大致年齡范圍，成年人的分布圖中有兩個極值點，而兒童的圖中只有一個極值點；相同年齡范圍內(nèi)，男性的體壓數(shù)值整體高于女性；相同性別中，青年的體壓數(shù)值較低于中老年人的數(shù)值[4]。另一方面，坐姿的變化會引發(fā)重心的偏移，從而引起體壓數(shù)值的變化，根據(jù)該變化判斷車內(nèi)人員有無下車趨向。

2.3.2 車內(nèi)把手的開合分析

在車內(nèi)把手上安裝微型測力傳感器，當(dāng)車內(nèi)乘員將手放在車把手上時檢測是否有開門的力，并將信號傳遞給下一模塊。

2.4 預(yù)警裝置及門鎖控制裝置

車內(nèi)門把手安裝預(yù)警裝置，預(yù)警裝置分為聲音預(yù)警和視覺報警。聲音報警采用有源蜂鳴器，當(dāng)系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警條件，通過蜂鳴器發(fā)出預(yù)警聲，提醒駕乘人員此時打開車門會有碰撞的危險。視覺報警是對聲音報警的補充，它可以最大限度地提高駕駛員和乘客的注意力，確保駕駛員和乘客能夠在周圍環(huán)境安全的情況下打開車門。

車門鎖控裝置采用CAN總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。共存在5個CAN節(jié)點，包括中央控制器、左前門控制器、左后門控制器、右前門控制器和右后門控制器。其中，中央控制器在接收到ECU的信號后，將這些信號經(jīng)過CAN傳遞到其他4個控制器[5]。

當(dāng)系統(tǒng)檢測有危險時，聲覺報警、視覺報警、門鎖裝置一同工作，完成整個防撞過程。

3 系統(tǒng)算法設(shè)計

3.1 車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)算法設(shè)計

汽車車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)有五部分，分為停車判斷模塊、信息捕獲模塊、信息處理模塊、門鎖控制模塊、報警模塊，主要通過對車速檢測、周圍環(huán)境分析、車內(nèi)人員是否有下車準(zhǔn)備進(jìn)行判斷分析是否符合車門開啟標(biāo)準(zhǔn)。

Step1：停車判斷模塊對車速進(jìn)行檢測，當(dāng)車速為零，存在停車下車的可能；

Step2：車門防撞預(yù)警系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)感應(yīng)周圍一定范圍內(nèi)有行人和其他車輛存在，并及時判斷障礙物與車門是否有碰撞的可能；

Step3：通過壓力傳感器，確定車內(nèi)成員是否有下車的可能，如有下車可能，車門強(qiáng)制關(guān)閉，并發(fā)出預(yù)警提醒車內(nèi)成員，強(qiáng)制關(guān)鎖3～5秒后，重復(fù)上述判斷，直至汽車周圍安全符合車開啟標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)算法設(shè)計流程圖

3.2 危險因素分析子系統(tǒng)算法設(shè)計

Step1：若t0t，則會有發(fā)生碰撞的可能。

Step2：進(jìn)一步判斷若車輛后方物體與車輛的橫向距離x，若x>d是安全狀態(tài)，不開啟報警；若x

圖4 危險因素分析子系統(tǒng)算法設(shè)計圖

4 總結(jié)

(1)通過對碰撞工況的分析，針對不同人群開門的情況，提出了三種模式。從縱向和橫向兩個角度分析車門碰撞的可能性，縮短了有效預(yù)警時間，使一個系統(tǒng)預(yù)警范圍更加精準(zhǔn)、有效。

(2)本文提出了一套車門開啟瞬間防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案，分別對速度檢測、壓力傳感裝置、預(yù)警裝置等硬件的選取及整體模型的算法進(jìn)行了設(shè)計。