竇同宇，郭玉穎，張建華

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

0 引言

隨著我國機動車保有量的增加，停車問題嚴(yán)峻，停車時車門開啟發(fā)生的碰撞也不在少數(shù)。不少道路都限制通行條件，均屬于機非混行道路[1]。交通法規(guī)規(guī)定，在沒有強制隔離的道路上，非機動車應(yīng)靠右行駛。機動車臨時停車上下客時，應(yīng)該靠在右側(cè)。由此分析，在相對不是很寬的道路上，機動車駕駛員在路邊停車后突然開啟車門，容易與后方過來的行人或機動車發(fā)生碰撞，并且也會引發(fā)不良的后果[2]。針對這一問題，很多汽車公司關(guān)注并致力于解決開門防撞預(yù)警技術(shù)的難題。德國凱毅德公司開發(fā)出一種創(chuàng)新車門“制動系統(tǒng)”[3]；澳大利亞墨爾本“Dooring Alent System”公司，研發(fā)了一款利用聲光報警對交通參與者進行提示的開門防撞預(yù)警裝置[4]。與國外車門開啟防碰撞系統(tǒng)相比，我國民用車載防碰撞系統(tǒng)普及率還是比較低。我國目前常用的是防撞條和防撞墊，雖然這些產(chǎn)品能夠有效降低碰撞時帶來的損失，卻不能承受較大的碰撞沖擊力，適用范圍較小，對后方接近的人和機動車也無法起到提示作用，無法降低因開車門所發(fā)生事故的幾率。

為解決上述問題，本文提出了一種基于Arduino的車門防碰撞裝置，該裝置不僅能主動控制車門開啟角度，還可以對交通參與者進行聲光警示，具有使用便捷、安裝簡單、能耗低，實現(xiàn)快速、高精度的距離測量，降低防撞系統(tǒng)成本，適應(yīng)中國交通向智能化發(fā)展的需要，可有效降低因車門碰撞引起的事故發(fā)生率。

1 硬件設(shè)計

本裝置主要由距離傳感器、角度傳感器、單片機、車門舵機、報警模塊、顯示屏、開關(guān)按鍵及供電單元構(gòu)成。開關(guān)按鍵控制整個裝置的開啟與關(guān)閉，供電單元為單片機和整個設(shè)備提供電能。裝置流程圖如圖1所示。

圖1 裝置流程圖

1.1 單片機模塊

裝置中的單片機型號為Arduino UNO R3擴展電路，采用疊層設(shè)計，引出了UNO R3主板上所有的I/O口，并有板載了兩個LED，復(fù)位按鈕，外部電源接口等[5]，具有強大的擴展能力、兼容性和易用性。可以很容易地將角度傳感器與距離傳感器連接起來，從而控制傳感器對距離與角度進行測算。

1.2 測距模塊

測距模塊單元使用型號為GP2Y0A21YK0F的紅外測距傳感器，距離測算范圍為10～80 cm，供電電壓為4.5～5.5 V[6]。該傳感器采用的是激光三角測量方法，傳感器的測量精度不會受被測物體的材料和環(huán)境的溫度影響，而且成本低廉，短距離測量精度高。在測算車門與障礙物之間的距離時，更加精確，可以直接通過測量電壓值得出車門與障礙物之間的距離。其接線圖如圖2所示。

圖2 測距模塊單元接線圖

激光三角測距是在被測物的上方放置一個半導(dǎo)體激光器，激光器發(fā)射一束激光，經(jīng)過匯聚透鏡組照射到被測表面，因為該表面不可能絕對光滑，所以部分激光會產(chǎn)生漫反射，由于光電檢測器前放置一個透鏡進行成像匯聚，被漫反射的部分激光會在光傳感器上匯聚成一個光斑，當(dāng)被測物發(fā)生位移時，光斑會隨之移動，根據(jù)位移值、入射激光和發(fā)散激光的夾角θ、像距a和物距b等參數(shù)可以求出被測表面的位移值。

圖3是斜射式激光三角法的光路圖。激光器軸線與被測表面的法線成一定角度，向被測物表面發(fā)射一束激光，激光照射點為P，經(jīng)過漫反射和透鏡Q的匯聚作用，激光在感光芯片上匯聚成一個光斑，光斑位置為 D。被測物表面發(fā)生位移后，激光入射角度不變，激光照射物體表面的位置變?yōu)镻′，在感光芯片上匯聚光斑位置隨著物體表面位置改變而改變，此時的位置為D′。設(shè)P′Q=a;D′Q=b。

圖3 斜射型激光三角法

利用三角形幾何關(guān)系可得

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1.3 舵機控制模塊

該裝置通過單片機輸出數(shù)字信號控制舵機，舵機型號為SG90 9G，工作扭矩為0.156 8 N·m，使用電壓為5 V。該舵機為模擬舵機，即需要不斷向舵機發(fā)送PWM信號讓舵機保持在一個指定的旋轉(zhuǎn)角度[8]，使車門以安全的角度開啟。

1.4 聲光報警模塊

聲光報警模塊包括兩部分：一是車內(nèi)報警，蜂鳴報警器型號為LZQ-3D,工作電壓為3.3 V，用以對機動車駕駛員進行提醒；二是車外報警，LED警示燈工作電壓為5 V，用以對其他駕駛員或行人進行示警。

1.5 顯示屏與電池模塊

該裝置中利用的顯示屏型號為LCM2004A，用以顯示角度傳感器所測算的車門開啟安全角度；電池型號為18650的兩節(jié)鋰電池，適用于Arduino GSM移動電源，用以為單片機及整個裝置提供電能。

2 程序設(shè)計

圖4是單片機中的控制流程。首先由安裝在車輛前翼子板的距離傳感器測算車輛與障礙物之間的距離，將測算的數(shù)據(jù)反饋到單片機中，單片機判斷所測算的距離是否大于車門最大開啟距離，如果大于，則系統(tǒng)不工作，手動開啟車門；如果小于，則單片機計算車門所能開啟的最大安全角度，控制安裝在車門合頁處的角度傳感器與舵機，將車門開啟到對應(yīng)安全角度，并在顯示屏上顯示車門所開啟的安全角度。同時，位于駕駛室內(nèi)的LED燈亮起，進行車內(nèi)報警，安裝于前翼子板處的蜂鳴器報警，對其他駕駛員或行人進行車外報警。

圖4 程序設(shè)計流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試與測試

根據(jù)該裝置電路原理圖和工作流程圖，將程序輸入到各部分系統(tǒng)模塊，并焊接組裝，之后對其調(diào)試。將焊接組裝好的實物系統(tǒng)安裝在實踐機動車車門上，分別在車門開啟最大角度內(nèi)外放置障礙物或行人，并調(diào)試超聲波測距模塊。將手放在機動車前翼子板外側(cè)適當(dāng)距離，觀察舵機是否能控制車門開啟，開啟角度是否在安全范圍內(nèi)，觀察顯示屏是否顯示正確的車門開啟安全角度，蜂鳴器是否正常對駕駛員進行示警，LED警示燈是否能正常開關(guān)。

4 結(jié)論

通過以上分析、設(shè)計，在沒有強制隔離、機非混行的道路上臨時停車上下客, 或在狹小空間內(nèi)停車時，本裝置可以做到有效避免車門開啟與障礙物、行人發(fā)生的碰撞，并具有以下特點：

1)該裝置采用距離傳感器測算車輛與障礙物之間的距離，角度傳感器與舵機配合工作控制車門開合角度，當(dāng)車輛附近有障礙物時，保證車門可以安全開啟，防止因車門開啟角度不當(dāng)，造成車門與其他交通參與者碰撞；

2)該裝置在舵機控制車門安全開啟的基礎(chǔ)上，同時增加了聲光示警裝置，車內(nèi)警示提醒駕駛員主動控制車門開啟，車外警示提醒其他交通參與者注意避讓，達到互相警示的效果，從而減少因開車門所產(chǎn)生的事故發(fā)生率；

3)該裝置不需改裝車體，對車型大小不設(shè)限制，可以安裝在轎車、SUV上，也可以安裝在客貨運車輛上，適用范圍廣。