基于紅外探測(cè)的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉厚東 余修武 郭睿楊 王煒韜

摘 ?要：經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)汽車在啟停階段的視野盲區(qū)與行駛時(shí)有所不同，具體分析了啟停階段盲區(qū)的分布情況。結(jié)合紅外傳感技術(shù)進(jìn)行了基于紅外探測(cè)的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件程序的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了電路仿真，其結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：汽車盲區(qū);啟停安全;紅外探測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）28-0046-04

Abstract： Through the analysis， it is found that the visual field blind area of the vehicle in the start-stop stage is different from that when driving， and the distribution of the blind area in the start and stop stage is analyzed in detail. Combined with infrared sensing technology， the safety monitoring system of vehicle start-stop blind zone based on infrared detection is designed， including hardware design and software program design， and circuit simulation is carried out. The results show that the design is feasible.

Keywords： car blind area; start-stop safety; infrared detection

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，私家車的數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)。駕駛汽車時(shí)，駕駛員由于車輛的設(shè)計(jì)或其他可能的原因會(huì)存在一定的視野盲區(qū)，而這些視野盲區(qū)在一些情況下會(huì)導(dǎo)致兒童傷害事故[1]，在汽車的正前方，兒童身高小于80cm時(shí)，司機(jī)是看不到的;左右外后視鏡與和內(nèi)后視鏡夾角盲區(qū)大致為寬15cm長(zhǎng)110cm高115cm的空間;在汽車的正后方，兒童身高小于110cm時(shí)，司機(jī)不能通過內(nèi)外后視鏡看到。因此，急需一套有效的汽車輔助系統(tǒng)來避免此類事故。

1 車輛視野盲區(qū)概況

汽車啟停盲區(qū)的類型有以下幾種[2]：前后盲區(qū)、后視鏡盲區(qū)、AB柱盲區(qū)、人為盲區(qū)。如圖1所示。

（1）前盲區(qū)：前盲區(qū)是存在于車輛引擎蓋之前易被忽視的扇形區(qū)域的統(tǒng)稱，車輛的前盲區(qū)普遍存在于各類汽車。汽車前盲區(qū)與車長(zhǎng)、座椅高、車頭形狀等有關(guān)[1]。前盲區(qū)是由視線與汽車引擎蓋交匯所形成的扇形區(qū)域。包括車頭盲區(qū)和左右輪盲區(qū)。左前輪與右前輪旁的視野盲區(qū)是由于汽車兩側(cè)引擎蓋與人的視線交匯后視線所涉及不到的區(qū)域。由于我國(guó)法律規(guī)定汽車使用左舵式，一般來說，左前輪盲區(qū)略小于右前輪盲區(qū)，如圖1、圖2、圖3所示。

（2）后盲區(qū)：后盲區(qū)也是車輛所固有的盲區(qū)，在車輛兩側(cè)車門外側(cè)30°左右的范圍內(nèi)屬于司機(jī)的后視野盲區(qū)的一部分。車尾至地面以及車尾后的部分延伸區(qū)域也屬于后盲區(qū)的一部分。如圖4所示。在汽車啟停時(shí)，后盲區(qū)是造成倒車時(shí)許多碾壓事故的禍源。在該區(qū)域內(nèi)，司機(jī)完全無法通過視覺來判定其安全狀況，這會(huì)帶來極大的安全隱患。

（3）后視鏡盲區(qū)：后視鏡盲區(qū)。為了方便駕駛員不用大范圍移動(dòng)頭部而觀察到車周情況，汽車皆配備有后視鏡以輔助駕駛員觀察附近環(huán)境。但是礙于車輛設(shè)計(jì)和應(yīng)用的限制，后視鏡無法為駕駛員提供完全的車周安全信息。在啟停階段的后盲區(qū)是由于駕駛員視線以及后視鏡視線所不及之處造成的，其具體位置為視線被后備箱遮擋造成的一個(gè)楔形區(qū)域以及后輪后地面與車底盤形成的盲區(qū)[3]。如圖4所示。

（4）AB柱盲區(qū)：汽車的擋風(fēng)玻璃由兩車身框架固定其范圍，這兩個(gè)約束擋風(fēng)玻璃范圍的左右兩柱被稱為A柱和B柱。AB柱盲區(qū)完全由汽車設(shè)計(jì)的AB柱材質(zhì)和大小、形狀、寬度決定，越寬的AB柱越容易導(dǎo)致視野盲區(qū)內(nèi)安全事故的發(fā)生。同理，A、B柱會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)司機(jī)獲取周邊路面環(huán)境信息帶來障礙，是引發(fā)事故的重大誘因。

（5）人為盲區(qū)：在汽車設(shè)計(jì)帶來的以上四種盲區(qū)外，還有人為因素會(huì)改變車輛原有的視野范圍，進(jìn)而增加新的視野盲區(qū)或加大已有盲區(qū)范圍。如：非法改裝車輛后添加的物體、為防曬而設(shè)置的顏色過深的窗紙、缺少擦拭汽車后視鏡和玻璃的良好習(xí)慣、車內(nèi)擺件過多等。這些人為因素是造成部分盲區(qū)的原因同時(shí)也是某些事故不可忽視的致因。人為盲區(qū)的解決依賴于駕駛員素質(zhì)和技術(shù)的提升，同時(shí)可使用安全系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置做到輔助駕駛員的積極作用。

2 熱釋電紅外傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在汽車啟停階段，駕駛員的視野盲區(qū)與正常行駛階段的視野盲區(qū)不同，許多正常行駛中不必考慮的盲區(qū)范圍反而是導(dǎo)致啟停階段盲區(qū)的主要原因，本系統(tǒng)基于以人為本的安全理念，以協(xié)助駕駛員判斷啟停盲區(qū)內(nèi)是否存在人員作為設(shè)計(jì)目的，因此，能對(duì)人體發(fā)出的特殊波長(zhǎng)的紅外線做出響應(yīng)的熱釋電紅外傳感器是本系統(tǒng)的首選[6]。同時(shí)因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要對(duì)底盤盲區(qū)內(nèi)的盲區(qū)安全情況做出判斷，傳統(tǒng)超聲波傳感器不適用于此處盲區(qū)，因此使用熱釋電紅外傳感器來作為探測(cè)器可以準(zhǔn)確對(duì)盲區(qū)內(nèi)安全情況做出判斷。

車周圍盲區(qū)人體監(jiān)測(cè)部分設(shè)計(jì)主要是基于熱釋電紅外傳感技術(shù)安全參數(shù)的監(jiān)測(cè)傳感器，在了解掌握熱釋電紅外傳感器工作原理后，對(duì)熱釋電紅外傳感器進(jìn)行選型。熱釋電紅外傳感器目前已得到成熟的運(yùn)用，在使傳感器小型化和經(jīng)濟(jì)的同時(shí)熱釋電紅外傳感器已可以作為獨(dú)立的功能模塊而被使用。模塊化的紅外傳感器具有方便使用、可靠性高的特點(diǎn)。通過調(diào)查分析可知，紅外傳感器可以僅對(duì)人體做出反應(yīng)且不會(huì)對(duì)其他干擾因素產(chǎn)生影響。且紅外傳感器已高度模塊化，其應(yīng)用和電路設(shè)計(jì)已十分簡(jiǎn)便，其耐久性和實(shí)用性、安全性完全可以滿足啟停階段視野盲區(qū)安全檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。由于物體都會(huì)散發(fā)不同波長(zhǎng)的紅外線，而人體溫度相近散發(fā)的紅外線波長(zhǎng)也近似。通過調(diào)節(jié)熱釋電紅外傳感器模塊上的菲涅爾透鏡即可將投射到熱釋電感應(yīng)源上的紅外線波長(zhǎng)進(jìn)行篩選，從而完成對(duì)人體的專一監(jiān)測(cè)。

通電后，當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)在探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)識(shí)別到監(jiān)測(cè)對(duì)象并改變自身的電平狀態(tài)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到人體時(shí)，高電平開啟并通過輸出端輸出高電平，當(dāng)監(jiān)測(cè)對(duì)象離開時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉高電平輸出且恢復(fù)低電平監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

2.1 熱釋電傳感器選型

紅外傳感器檢測(cè)人體時(shí)，探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的，因此要著重考慮探頭的特性。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的控制模塊，主要參數(shù)見表1。采用LHI778探頭設(shè)計(jì)，具有靈敏度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)該型號(hào)紅外傳感器具有兩種觸發(fā)方式，可重復(fù)觸發(fā)模式與不可重復(fù)觸發(fā)模式，在重復(fù)觸發(fā)模式下模塊每完成一次工作循環(huán)后會(huì)進(jìn)入檢測(cè)模式并在有監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)入監(jiān)測(cè)范圍時(shí)再次觸發(fā)高電平。不可重復(fù)觸發(fā)模式下，熱釋電傳感器模塊將在一次監(jiān)測(cè)完成后自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉，不再進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的真實(shí)需要，采用可重復(fù)觸發(fā)模式即可完成相關(guān)功能要求。

2.2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在使用環(huán)境下，被檢測(cè)對(duì)象（人等）進(jìn)入盲區(qū)范圍。人體所發(fā)出的特殊波長(zhǎng)紅外線被傳感器捕獲，傳感器輸出狀態(tài)改變且單片機(jī)處理器感應(yīng)到電路信號(hào)的變化激活報(bào)警模塊，至此完成一次完整的探測(cè)-處理-報(bào)警過程，如無監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)入盲區(qū)則傳感器保持靜默的低電平輸出，電路不作出反應(yīng)并延時(shí)關(guān)閉。

（1）程序框圖如圖5。

（2）單片機(jī)匯編

IWT1： PUSH ACC

PUSH PSW

SETB RSO

SETB P10

MOV R4，#06H

Loop4 MOV R3，#08H

Loop3 MOV R3，#0c8H

Loop2 MOV R1，#0FAH

Loop1：DJWZ R1，Loop1

DJWZ R2，Loop2

DJWZ R3，Loop3

DJWZ R4，Loop4

CLR P1.0

CLR RSO

POP PSW

POP ACC

RETI

（3）硬件組成

通過前文對(duì)啟停階段盲區(qū)的分布的探索，需設(shè)定6個(gè)熱釋電紅外線傳感器、1個(gè)蜂鳴器（駕駛室內(nèi)）。由于本系統(tǒng)采用汽車點(diǎn)火模塊供電，因此不另設(shè)電池設(shè)備，不設(shè)置電池模塊使該裝置減少駕駛員使用成本和學(xué)習(xí)成本。本系統(tǒng)的模型框圖如圖6。

（4）熱釋電紅外傳感器電路設(shè)計(jì)

HC-SR501熱釋電紅外傳感器接報(bào)警指示燈與蜂鳴器應(yīng)用接線圖如圖7所示。

圖7中，引腳1為正電源接入端，引腳2為高低電平輸出口，引腳3為電源負(fù)極接口，H為可重復(fù)觸發(fā)，L為不可重復(fù)觸發(fā)，CDS為光敏控制。

由555定時(shí)電路、穩(wěn)壓器、電阻、電容等組成汽車電子點(diǎn)火器電路。本電路主要是利用汽車上的+12V電源，給汽車進(jìn)行電子點(diǎn)火。+12V電壓經(jīng)IC1（7089）三端穩(wěn)壓器輸出9V電壓，作為IC2（555）的供電源。555和R1、R2、C2等組成一個(gè)無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。一旦得電便起振，其振蕩頻率為f=1.44/（R2+2R1）C2。555（IC2）輸出的振蕩脈沖經(jīng)R3限流加至VT1的基極，經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)升壓變壓器T，在點(diǎn)火線圈上產(chǎn)生約1500的點(diǎn)火電壓，它在高壓放電時(shí)的火花距離可達(dá)12？滋m。

（5）系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

汽車點(diǎn)火需開關(guān)S閉合，與此同時(shí)經(jīng)過分壓產(chǎn)生5V的電壓輸送至AT89c51單片機(jī)的P3.3外部中端口，啟動(dòng)中斷程序，經(jīng)過P1.0輸出高電平啟動(dòng)紅外熱釋電傳感器HC-SR501，啟動(dòng)時(shí)間為2分鐘。若在此期間距離車輛規(guī)定范圍內(nèi)檢測(cè)到有人則通過蜂鳴器和燈報(bào)警，提醒駕駛員。如圖8所示。

（6）電路仿真

汽車點(diǎn)火系統(tǒng)啟動(dòng)后開關(guān)（左側(cè)）閉合。汽車處于預(yù)備報(bào)警狀態(tài)，單片機(jī)輸出高電平（仿真模擬時(shí)間為10s），在10s內(nèi)若有人在汽車周圍， 紅外熱釋電檢測(cè)到兒童體溫（有兒童在汽車周圍），輸出高電平，模擬為右側(cè)接地開關(guān)斷開。與單片機(jī)高電平經(jīng)與門后輸出高電平。三極管基極收到高電平信號(hào)，啟動(dòng)三極管，蜂鳴器隨即報(bào)警（圖9）。

3 結(jié)論與展望

設(shè)計(jì)基于紅外熱釋電探測(cè)的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用是提高啟停盲區(qū)內(nèi)的安全性能并減少事故發(fā)生的可能性，進(jìn)而提高整體汽車運(yùn)行性能和效率。本文完成了對(duì)基于紅外熱釋電的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究及電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要研究成果如下：

（1）探索了啟停階段盲區(qū)的特點(diǎn)，了解啟停階段盲區(qū)與行駛中盲區(qū)的不同并研究了啟停階段盲區(qū)的分布狀況。

（2）構(gòu)思并設(shè)計(jì)了一套基于紅外探測(cè)的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將熱釋電紅外模塊與汽車點(diǎn)火模塊（供電）、單片機(jī)信號(hào)處理模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊共同組成基于紅外探測(cè)的汽車啟停盲區(qū)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）對(duì)本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了電路模擬并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化完善了本系統(tǒng)。結(jié)果顯示本次電路設(shè)計(jì)合理、電路邏輯正常，能滿足預(yù)期要求的設(shè)計(jì)功能。

基于紅外熱釋電傳感器進(jìn)行的研究，所考慮的監(jiān)測(cè)因素是人體和動(dòng)物所釋放出的特定波長(zhǎng)的紅外熱釋電。不同的傳感器有其獨(dú)特的適用范圍，如超聲波、激光、圖形傳感器在不同環(huán)境下都可以起到監(jiān)測(cè)盲區(qū)內(nèi)安全狀況的作用。未來可將眾多不同功能的傳感器集成到某一個(gè)系統(tǒng)中，在任何情況下皆可完成對(duì)盲區(qū)內(nèi)安全情況的監(jiān)測(cè)，這樣就可以解決單一類型傳感器可能在某種特定天氣或物理環(huán)境下失效而影響檢測(cè)效果的問題，將極大的提高汽車的自動(dòng)化水平和盲區(qū)內(nèi)的安全性能。

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