一种新型汽车内轮差危险区域障碍物报警装置的设计

裴雪皓

摘要

针对车辆在转向时由于前后轮转弯半径不同，存在内轮差危险区域对路人生命安全造成较大威胁且容易发生车辆刮擦的问题，设计了一种新型汽车内轮差危险区域障碍物报警装置。该系统探测精确，架构简单，价格低廉，可适于多种类型的车辆。经验证，该系统可有效减少此类事故的发生，具有良好的社会效益与经济效益。

【关键词】内轮差危险区域 报警装置 精确探测

内轮差（Difference of Radius Bemeen InnerWheels）是车辆转弯时内前轮转弯半径与内后轮转弯半径之差。由于内轮差的存在，车辆转弯时，前、后车轮的运动轨迹不重合。在行车中如果只注意前轮能够通过而忘记内轮差，就可能造成后内轮驶出路面或与其他物体碰撞的事故。目前的内轮差危险区域警示装置多数为车侧摄像头，扩大司机视野，但当司机不注意时还是很容易发生惨剧。少数采用定位探测器探测障碍物的警示装置都存在警示不精确，警示区域小等缺点。

所以需要一种比较精确的装置探测内轮差区域是否有障碍，并及时提醒司机或直接采取制动措施。

1 工作原理

（1）要实现障碍物探测及警示，必须要找出需要警示的危险区域，经过对汽车转弯的研究，确定了图1中阴影区域为危险警示区域，并将该区域细分为预警区域（仪表盘灯闪提醒）以及警告区域（灯闪铃响）。利用几何关系找出探测角之间的关系：2β=α=汽车转向角。

（2）为了实现划定的危险区域全覆盖探测，目前的多个探测器并排安装于车侧的方式并不好，会造成很多无需探测的区域被探测。因此决定采用探测器定向探测的方式，在前轮处布置两个探测90°范围的探测器一个探测Ⅰ区（①探测器），一个探测Ⅱ区（②探测器），后轮处布置一个探测45°（由于前轮转角≤90°，后轮转角为前轮一半，因此后轮45°探测足矣）范围的探测器（③探测器），这样Ⅰ区可被①③同时探测到，Ⅱ区可被②③同时探测到。很容易的区分开了Ⅰ区和Ⅱ区。

（3）要实现障碍物探测就需要用远程探测的仪器，比如雷达、超声波探测器、红外探测器等等，经过性能比较及筛选决定以超声波探测器为主要的探测障碍物的仪器，并利用红外探测器确定是非有人体存在。

（4）为准确保证2β=α=汽车转向角的关系，选择采用高精度舵机，并用单片机控制转向。

（5）邮可克曼转向原理可知汽车转向时左右轮偏转角度不同，而且危险区域仅存在于转向内侧，因此只有转向内侧舵机转动，同时探测器供电。

2 设计方案

2.1 探测器定向探测部分

只有探测器的定向探测才能利用门电路使得障碍物在危险区域内时电路接通。必须保证在前轮处的两个探测90°范围的探测器一个探测Ⅰ区（①探测器），一個探测Ⅱ区（②探测器），后轮处布置一个探测45'范围的探测器（③探测器），这样Ⅰ区可被①③同时探测到，Ⅱ区可被②③同时探测到。

所以①②两个探测器紧靠安装，合起来探测前轮外侧的全部区域，保证时刻与前轮同向。③探测器保证在前轮不转向时其探测区域全部在车内区域。

2.2 探测器转向机构

采用JY901倾角仪安装于方向盘联动轴上，进行姿态角度测量，并且输出方向盘转角A（用正负区分左右转）至单片机，单片机确定左右转后，经过倍数变换α=kA（根据具体车型实验得到确定倍数k）确定前轮转向角a，后轮转角为α/2。单片机控制相应舵机转动。

3 性能研究

将本装置用于不同轴距的车辆进行测试，可得本装置正常工作的轴距上限为3.5米。

图2为轴距3.5m的警示区域图，可见3.5m轴距下，警示区域明显缩减但基本效果影响不大。所以本产品适用于轴距3.5m以下的轿车小型客车等。对于不同型号车辆安装方法一致，安装前实际测量车辆的方向盘转角与前轮转角的倍数k，在程序中赋值后，安装即可使用。

4 装置创新点

（1）警示区域扩大，更加精确警示区域。细分为预警区域（仪表盘灯闪提醒）以及警告区域（灯闪铃响），而且在警告区域出现障碍物时准确判断是非为人体，如果红外探测仪探测到人体，马上采取转动，准确高效。

（2）利用探测器定向探测的探测区域重叠的原理结合门电路设计，无需计算障碍距离，使装置简洁，不易坏，易修理。

（3）利用几何关系，使得只需要前后车轮部分的探测器即可完成危险区域的探测，减少了探测器数量，同时探测精度提高。

（4）安装方便，可直接安装于车上，也可在汽车生产中直接加入汽车底盘。

（5）利用先障碍判断后人体探测，省电而精确，在有人体位于危险区域时直接采取转动措施。

5 应用前景

由于目前此类产品本身不多，而且汽车生产厂家并没有自带任何此类的装置，目前汽车有倒车雷达，前置防撞雷达，唯独在车侧没有任何探测系统，忽略了内轮差的危险区域。大型车辆的内轮差区域容易造成伤害事故，小型汽车也容易出现小孩的交通事故，在车辆转弯时如果不注意也容易出现刮蹭掉漆等情况。

该装置安装方便，性能可靠，综合有预警区域和警示区域，给司机以最大程度的提醒警示，同时结合红外感应对可能出现事故的情况及时处理，将极大程度的提高汽车的安全性能。该装置可广泛安装于各类中小型车辆。

参考文献

[1]厦门理工学院，中国：CN 204472885U[P].

[2]无锡职业技术学院.中国：CN204196773U[P].

[3]江苏新安电器有限公司.中国：CN203766686 U[P].

[4]陈秀宁，施高义等.机械设计课程设计（第三版）[M].浙江大学出版社，2004.

[5]许子阳.汽车底盘结构与拆装[M].北京：北京理工大学出版社，2015.

[6]林家让.汽车构造-底盘篇[M].北京：电子工业出版社，2004.