汽车乘客下车防撞警示装置的设计

邓晶晶 胡治伟 夏诗雨 范悉荣 李卫 许佳帅

摘   要：一种汽车乘客下车防撞警示装置基于北斗+GPS双模定位模块，通过对Arduino开发板的研究，智能控制舵机和语音单元，给出了针对乘客下车安全问题的解决方案。采用的北斗+GPS双模定位模块能够迅速而准确的采集车辆的定位数据，并且实时传输给Arduino主控板从而计算出车速，并给出相应控制指令。这使得汽车乘客下车防撞警示装置在产品功能上具有实时、准确的特点。

关键词：警示系统  下车安全  Arduino开发板  定位模块

中图分类号：U463.6;TP368.1                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0082-03

Abstract： anti-collision device for passengers alighting is based on Beidou+GPS dual-mode positioning module. Combination of Arduino development board， intelligent control of steering gear and voice unit， a solution for passengers alighting safety is given. The Beidou+GPS dual-mode positioning module， which we used is able to accurately collect vehicle positioning data， and transmit it to the Arduino main control board in real time. As a result， to calculate the vehicle speed， and to give the corresponding control instructions.

Key Words： Warning system; Getting off safety; Arduino development board; Positioning module

随着当代社会汽车的拥有量越来越大，驻车时由于开门不当造成的事故备受群众关注，如何保障汽車乘客的下车安全也成为了汽车安全研究的重点项目之一。南京林业大学王刚刚等人通过车门与控制系统，提出了一套开门策略[1]。王陆林等人在重庆理工大学学报中公开了一种基于多普勒雷达的开门防撞机制，该系统也需要对车门进行改装[2]。目前市场上涉及该功能的技术还有调频连续波、毫米波、雷达技术等，但对于目前大量已投入使用的汽车而言，整车回厂改装不切实际，市场需要一种轻便的、价格低廉且独立的系统。本研究小组设计并制作一种独立于车身的汽车乘客下车安全警示装置，通过凸面镜、主控模块以及语音警示单元，解决汽车后排乘客开门与道路旁的行人或机动车发生冲突碰撞的车祸问题，同时提高国民交通安全意识，让广大群众普遍受益。

1  设计思路与方案

1.1 系统简介

基于Arduino的汽车乘客下车防撞警示装置包括凸面镜和电路控制箱，其中电路控制箱包括定位模块、主控模块、舵机、语音模块和喇叭，辅助结构有电源，其中定位模块是北斗+GPS双芯定位模块，主控模块是Arduino板，如图1所示。

系统的运行流程为： 定位模块获取汽车位置信息，将数据传输给主控模块（Arduino板），并由CPU处理数据得到车速，当车速低于10km/h时，Arduino板将发出两项指令，一项指令是舵机通过拉杆将凸角镜镜面拉动150°，镜面将转向乘客，第二项指令是触发语音警示单元播报语音提示;当车速大于10km/h时，Arduino板的控制中心将发出一项指令，舵机通过拉杆将凸角镜镜面拉动150°，装置回归初始状态，以防镜面晃动对后排乘客造成晕车现象影响乘客乘车体验，如图2所示。

1.2 北斗+GPS双模定位模块

汽车乘客下车防撞警示装置中所需要的汽车位置信息由北斗+GPS双模定位模块提供。研究表明，北斗和GPS组合系统在定位精度和稳定性、卫星个数、电离误差方面都优于北斗和 GPS 单系统[3]。所使用模块的型号是ATGM332D-5N-31，其额定电源为3.3～5V。冷启动捕获灵敏度为-148dBm。跟踪灵敏度为-162dBm。内置天线检测及天线短路保护功能。比较而言，此模块的优势如下：

（1）低功耗，连续运行时耗电小于2.5mA;

（2）定位精度高，为2.5m;

（3）板载E2PROM可设置保存波特率等信息;

（4）板载XH414充电电子，加速热启动搜星;

（5）北斗、GPS两块芯片交替运转，当其中一块芯片出现故障或者停止运转时，另外一块芯片会接替工作，重新感应汽车速度，提高系统工作的准确率。

ATGM332D-5N-31北斗+GPS双模定位模块通电启动后，不断输出定位数据到Arduino板，为Arduino板获取车辆实时速度提供定位数据支持。

2  系统设计

汽车乘客下车防撞警示装置主要由凸面镜、电路控制箱和外接电源三大部分构成。安装在轿车的内侧B柱上，镜面与车壁呈60°夹角，为乘客提供后方路况镜像，同时进行语音播报提醒，解决汽车后排乘客开门与道路旁的行人或机动车发生冲突碰撞的车祸问题。实物图如图3所示。

2.1 结构设计

汽车乘客下车防撞警示装置的结构包括凸面镜和电路控制箱。

所述凸面镜底部为半球凹槽，通过一端为球形的杠杆与电路控制箱相连，半球凹槽与杠杆的球状端相扣，形成一个360°可转动的机械臂，镜面转动角度的调节由伺服马达带动丝杠转动，以丝杠带动镜面逆时针转动150°时，镜面的位置为初始位置。该凸面镜是根据不同车型设计得出的尺寸大小和曲率;当凸面镜的距离和尺寸相同时，镜面的曲率半径越小，镜面反映的视界越大;当镜面的曲率半径相同时，镜面的尺寸越大，镜面反映的视界越大。

电路控制箱外壳为方体，材料采用橡胶制品，韧性强，有软度无棱角，对老人孩子无潜在伤害隐患，同时如果出现产品从车壁上脱落的情况也不会对人体有很大伤害。其次，橡胶制品又有一定硬度，足以支撑产品的总质量。电路控制箱内部包含Arduino Nano板、北斗+GPS双芯定位模块、9g舵机和语音模块。

2.2 硬件介绍和电路控制

本装置的硬件部分主要有定位模块、Arduino主控模块、伺服马达、语音模块、镜像装置。

定位模块通过端口接入主控模块Arduino Nano开发板的数字接口12。Arduino开发板用于接收处理定位模块的数据并控制其他硬件。一方面，Arduino 的D3端口将控制信号传输到伺服马达pulse接口，伺服马达5v连5v，以实现机械臂运动带动镜像装置。另一方面，语音模块MY2480—16P，5号引脚（D5）接Arduino的D10，喇叭正极接Arduino的D11，喇叭负极接Arduino的D12，vcc連5v，地接地，以实现语音指令的传输。

装置选用9g舵机，质量小且体积小，用于控制凸面镜角度的变化。语音模块通过触点控制来报警提示。镜面采用亚克力材料，合理计算其曲率为R120，与车壁成60°角[4]。镜像装置采用3D打印底座技术（见图5），分为底座和传动杆为两个部分，两者连接处可转动（底座圆面直径：7cm，支撑杆长度：4cm）。

3  实验结果与分析

汽车乘客下车防撞装置的安装如图6所示。将装置中的广角镜置于车辆的B柱内车壁处，左右各安装一个控制系统，其中一个控制系统内含语音播报模块。广角镜作用于绿色区域;灰色区域为盲区。细节安装如左上部分所示，镜面与车壁呈60°夹角，1为车壁;2为控制系统;3为广角镜;4为汽车前排座椅靠背。

图7为装置的后视图，广角镜1与控制系统2。车壁与前排座椅靠背间距13cm;车顶与镜面中心之间的距离为24cm。镜面装置可作用范围如阴影区域所示。

本文阐述的汽车乘客下车防撞警示装置是采用北斗GPS双模和Arduino技术， 在不破坏汽车原有机械与电控系统主体结构的基础之上，研究开发了一套集自动化控制、提示、安全无死角于一体的完整的系统。该装置具有结构简单、安装方便、性价比高等特点，为轿车后排乘客的下车安全提供了保障。

参考文献

[1] 王刚刚，单伶杰，陈小正.车辆开门防撞系统的设计与研究[J].木工机床，2015（4）.

[2] 王陆林，刘贵如，王海.一种低成本的车辆开门防撞预警系统[J].重庆理工大学学报，2015，29（12）.

[3] 魏二虎，刘学习，刘经南.北斗+GPS组合单点定位精度评价与分析[J].测绘通报，2017（5）：1-5.

[4] 邵凯亮.基于几何光学分析的双曲率后视镜的优化方案设计[J].时代汽车，2017（16）.