張東明，張曉云，楊小波，侯心一

(1. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240; 2. 上海市公安局交通警察總隊 事故防范處，上海 200270)

0 引言

交通事故每年給我國帶來巨大的損失。2014年，全國共發(fā)生各類交通事故196 812起，造成的直接經(jīng)濟損失為107 543萬元[1]。世界衛(wèi)生組織在2015年發(fā)布的《道路安全全球現(xiàn)狀報告》中[2]，列舉了全球道路交通事故中的五大主要危險因素。而道路交通事故的五大主要危險因素，都與駕駛員的安全意識有一定的聯(lián)系。超速、酒駕、未佩戴頭盔、未使用安全帶及行車時使用手機等行為，都是駕駛員安全意識淡薄的表現(xiàn)，在主觀上完全可以避免。因此，良好的駕駛習慣與安全意識可以在很大程度上降低事故發(fā)生的可能性。對一名駕駛員來說，良好習慣的最佳培養(yǎng)時期是兒童時期。兒童時期學習能力強，易于改變，此時所培養(yǎng)的習慣更有可能受用一生，因此，本文設計出一種新型遙控汽車，用于培養(yǎng)兒童的交通安全意識，讓兒童在玩耍的同時培養(yǎng)一個良好的習慣[3]。

1 傳統(tǒng)遙控汽車結(jié)構(gòu)

圖1所示是某品牌遙控玩具汽車的結(jié)構(gòu)爆炸圖。從圖中可以看出，傳統(tǒng)的電動遙控玩具汽車，其結(jié)構(gòu)由4個部分組成，分別是車體外殼、內(nèi)飾層、電機層以及車輪車軸。

圖1 傳統(tǒng)遙控汽車結(jié)構(gòu)圖

對于遙控汽車來說，“電機層”上的各零件最為關鍵。圖2所示是遙控汽車“電機層”細節(jié)圖。為了簡化建模過程，遙控汽車的電機、控制器等零件的外形已做了簡化處理，但各零件所處的位置以及它們之間的連接邏輯均與實物一致。圖2中結(jié)構(gòu)1是電池盒，其作用是放置遙控汽車所需的電池。2是遙控汽車的后輪電機，其作用是為遙控汽車提供前進驅(qū)動力。3為控制器，主要用于接收遙控車遙控手柄發(fā)來的控制信號，并控制電池盒與電機之間電路的通斷。4是安裝在遙控汽車前部的轉(zhuǎn)向電機。該馬達的作用是為遙控汽車的前輪提供轉(zhuǎn)向力(但不提供前進驅(qū)動力)。在轉(zhuǎn)向電機與電池盒之間，同樣放置一個控制器，該控制器可接收來自遙控手柄的信號，并控制前輪左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)[4]。

圖2 遙控汽車“電機層”細節(jié)圖

2 新型遙控玩具車追尾警示系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡介

交通事故中，有一類事故非常危險，即小轎車追尾大貨車的事故。在這類事故中，由于大型貨車底部空間較大，從后方追尾的小轎車極易直接沖進大貨車的底部，對小轎車乘員的傷害往往集中于頭部，且這類事故的死亡率較高。著眼于此類事故，設計了一種搭載于遙控玩具汽車的追尾警示系統(tǒng)。

要達到追尾報警的目的，所設計的系統(tǒng)必須能探測到2個參數(shù)：與前方障礙物的距離以及遙控汽車的行駛速度。本文選用了HC-SR04型超聲波測距模塊。該模塊可以通過發(fā)射與接收超聲波來測量物體的距離[5-6]。 選用了可與單片機相連接的FC-03光電計數(shù)模塊探測行駛速度。在光電計數(shù)模塊上，有兩個相互平行的隙縫。其中一個隙縫可以對外發(fā)出光信號，而另一個隙縫則可以接收到此光信號。當兩隙縫之間的空間每被物體遮擋一次時，模塊上的“D0”引腳即對外發(fā)出一次脈沖。單片機通過記錄“D0”引腳的電平變化，即可達到計數(shù)的目的。

追尾警示系統(tǒng)的設計思路是，在電池盒與電機之間的電路上安裝繼電器，繼電器的通斷由單片機控制。同時，該單片機又與所述超聲波測距模塊以及光電計數(shù)模塊相連接，通過測定的距離值與速度值，來判斷遙控汽車是否即將發(fā)生追尾。當距離值與速度值達到臨界點時，斷開電池盒與電機之間的繼電器，使遙控汽車停止。同時發(fā)出報警聲，提醒兒童(使用者)注意追尾風險。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)追尾警示系統(tǒng)所預期達到的效果及所需要用到的模塊，可對遙控汽車“電機層”做出相應的改進，改進后的“電機層”如圖3所示。圖3中部件1為單片機開發(fā)板，開發(fā)板上包含一個單片機芯片(圖中的長方體凸起)以及從芯片上引出的接口(圖中未畫出)。值得注意的是，單片機開發(fā)板在圖中所示的4個立柱的支撐下，其板面下側(cè)是緊貼電池盒的。為了使結(jié)構(gòu)更加清晰，將電池盒與單片機開發(fā)板分開。部件2為一個繼電器，該繼電器與單片機相連?？稍趩纹瑱C的控制下斷開或接通，由于電池盒、繼電器以及后輪控制器屬于串聯(lián)的關系，因此該繼電器的斷開等效于后輪電機斷電。

1—單片機開發(fā)板；2—繼電器；3—光電計數(shù)模塊；4—超聲波測距模塊圖3 改進后的遙控汽車“電機層”示意圖[7]

部件3是FC-03光電計數(shù)模塊。該模塊實際是被固定在“內(nèi)飾層”下側(cè)的，因此在圖3中屬于“懸空”狀態(tài)。為了使光電計數(shù)模塊能發(fā)揮測量遙控汽車行駛速度的作用，在遙控車后輪車軸上，還設置了一個凸起，使得車軸每轉(zhuǎn)一圈即可遮擋光電計數(shù)模塊的縫隙一次。如圖4所示是光電計數(shù)模塊及車軸凸起細節(jié)圖。當遙控汽車行駛時，車軸凸起將隨車軸一起轉(zhuǎn)動。因此車軸每轉(zhuǎn)一圈，模塊兩縫隙將被遮擋一次。

部件4為超聲波測距模塊。由于該模塊的作用是探測遙控汽車與前方車輛的距離，因此其被放置在電機層最前部。同時，由于超聲波測距模塊工作時要求前方無遮擋，因此遙控汽車的車身前部也應相應的開孔，以便于模塊正常工作。超聲波測距模塊上有兩個圓柱形凸起，其中一個凸起為超聲波發(fā)射端，另一個是超聲波接收端。利用這兩個凸起，模塊即可實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收。

圖4 光電計數(shù)模塊及車軸凸起細節(jié)圖

2.3 參數(shù)確定

對于追尾警示系統(tǒng)，需要確定的重要參數(shù)是，當系統(tǒng)所測量的距離與速度之間滿足什么關系時，會發(fā)生追尾。

考慮到遙控汽車的自動停止距離與遙控汽車自身的特性有關，因此可采用實驗的方法對給定的遙控汽車自動停止距離進行確定。系統(tǒng)中所用到模塊的測量誤差會影響系統(tǒng)的精度，因此首先應對系統(tǒng)的靜態(tài)誤差進行測定。對于光電計數(shù)模塊來說，所需的參數(shù)是兩次遮擋之間的時間差，而非每次遮擋的具體時刻，因此該模塊的測量誤差(延遲誤差)不會對整個系統(tǒng)造成影響。對于超聲波測距模塊，在靜態(tài)情況下測定多組距離值，并與真實值做比較，即可獲知其測量精度。超聲波測距模塊的實驗結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實驗中所選用的超聲波測距模塊測量值比真實值平均<0.16%，由于該誤差率很小，因此可以認為模塊所測量的距離值即為物體間實際的距離值。

表1 超聲波測距模塊測量結(jié)果與實際結(jié)果對比 mm

實驗中遙控汽車在系統(tǒng)作用下會自動停止，利用慢鏡頭分析的方法，測定遙控汽車在自動停止階段所經(jīng)歷的時間以及駛過的距離。通過分析實驗視頻可以得出，實驗中所使用的遙控汽車正常運行速度v=0.81m/s，從小車開始停止到小車完全停止用時0.24s，這段時間內(nèi)小車駛過的距離為100mm。因此，對于實驗中所使用的遙控汽車，在正常行駛的情況下，當檢測到遙控車與前方障礙物的距離不足100mm時，應及時發(fā)出報警聲提示兒童(使用者)，并斷開繼電器。

當然，對于不同品牌及類型的遙控玩具汽車，其需要預留的追尾警示距離是不同的，具體數(shù)值應視玩具車本身的特性而定。

3 新型遙控玩具車轉(zhuǎn)彎減速警示系統(tǒng)

3.1 警示系統(tǒng)簡介

在實際交通事故中，路口是事故多發(fā)地段之一。由于路口存在著多個方向行駛的汽車，交通情況往往比較復雜。因此，養(yǎng)成路口轉(zhuǎn)彎減速的習慣尤為重要。從兒童交通安全意識培養(yǎng)的角度來看，轉(zhuǎn)彎減速這一情況有必要進行警示與提醒。因此，為遙控汽車設計了一個轉(zhuǎn)彎減速警示系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)彎減速警示系統(tǒng)中選用了ADXL345型加速度感應模塊，該模塊可以測定空間內(nèi)x、y、z方向上的加速度值(其中x、y為水平方向，z為豎直方向)[8-9]，并將測量結(jié)果傳送至單片機。遙控汽車在行駛過程中，若不經(jīng)減速突然轉(zhuǎn)彎，則在轉(zhuǎn)彎過程中會在水平面上產(chǎn)生一個較大的加速度。加速度感應模塊通過采集這一加速度，即可獲知遙控汽車的轉(zhuǎn)彎情況。當模塊測得轉(zhuǎn)彎加速度過大時，單片機立即斷開電池盒與后輪電機之間的繼電器，使遙控汽車停止前進，并發(fā)出報警。

3.2 模塊安裝位置的確定

遙控汽車在轉(zhuǎn)彎過程中，車體上不同位置轉(zhuǎn)彎加速度是不同的。因此，將加速度感應模塊布置在遙控汽車上的不同位置，在同一次轉(zhuǎn)彎下測得的加速度值也不同。

圖5 遙控汽車轉(zhuǎn)彎底盤示意圖

4 結(jié)語

本文著眼于兒童交通安全意識的培養(yǎng)，利用超聲波測距模塊、光電計數(shù)模塊以及加速度感應模塊，設計了一種新型的遙控汽車。該遙控汽車可在接近其他物體、急速轉(zhuǎn)彎等情況下發(fā)出警報并提示使用者“注意安全”。所設計的新型遙控汽車具有以下優(yōu)點：

1) 所設計的追尾警示系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)彎減速警示系統(tǒng)，可搭載于傳統(tǒng)遙控汽車。

2) 系統(tǒng)中所使用到的模塊，其體積與質(zhì)量都很小，這使得系統(tǒng)的加入幾乎不改變玩具車的外形，遙控汽車的美觀性得到了保障。

3) 所設計的系統(tǒng)是利用單片機編程實現(xiàn)的，廠商可以根據(jù)所生產(chǎn)產(chǎn)品的特性，自行設定相關參數(shù)，靈活性較強。兒童在使用過程中，系統(tǒng)的報警可以讓兒童對相關的危險情況有一定的認識，培養(yǎng)其交通安全意識，有利于兒童培養(yǎng)受益一生的好習慣。