CN107813782A - 汽车陡坡通过性预判与警示系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明汽车陡坡通过性预判与警示系统及方法，属于汽车安全领域，系统包括测距传感器、舵机、单片机、传动机构、LCD显示模块和蜂鸣器，测距传感器与单片机的输入端相连，舵机、LCD显示模块及蜂鸣器都与单片机的输出端相连；测距传感器的数量为两个，舵机安装在汽车前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机与传动机构固定连接；方法步骤如下：初次坡道数据采集、初次数据处理、初次决策，二次坡道数据采集，二次数据处理，二次决策及反馈与警示，该系统通过对坡道信息的自动采集和单片机对实时数据的分析处理，实现了汽车陡坡通过性的预判和坡道最优通过路径的确定，并将其反馈给驾驶人员，从而避免汽车在陡坡的剐蹭。
Description
技术领域
本发明属于汽车安全领域，具体涉及一种汽车陡坡通过性预判与警示系统及方法。
背景技术
随着我国道路条件的不断改善和汽车保有量的不断增加，安全行驶问题日益突出。因此，如何实现汽车的安全行驶提示及控制将成为人们争相研究的热点。现行的国家道路标准规范规定，普通公路的最大纵坡度为10％，高速公路的最大纵坡度为5％，不同的设计时速的道路要求的坡度不同，最大坡度一般在3％～10％不等。但实际道路环境非常复杂，遇到一些纵坡度较大的特殊路段时，由于绝大部分汽车的接近角与离去角均小于20°，因此汽车很容易直接接触地面，造成车体损伤。
现有的国内外对汽车特殊坡道碰撞的防护方法，主要有基于目测的人为减速、基于缓冲材料的被动式机械防护、基于车载GPS定位的预警系统。这些方法都属于被动防御，主动性差，无法主动对坡道进行提前检测和准确判断。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：在汽车以足够高的平均车速通过陡坡坡道时，由于接近角和离去角过小，经常会发生“触头失效”和“托尾失效”，汽车很容易直接接触地面，造成车体损伤，针对现有技术中存在的这一技术问题，提供了一种汽车陡坡通过性预判与警示系统及方法。
本发明采用如下的技术方案：
本发明提出了一种汽车陡坡通过性预判与警示系统，其特征在于：包括测距传感器、舵机、单片机、传动机构、LCD显示模块及蜂鸣器，所述测距传感器的数量为两个，分别为测距传感器Ⅰ和测距传感器Ⅱ，测距传感器Ⅰ安装在汽车车体顶部，测距传感器Ⅱ安装在传动机构的传动齿轮Ⅰ上；所述舵机安装在汽车前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机与传动机构固定连接；所述单片机的输入端连接测距传感器，单片机的输出端连接舵机、LCD显示模块及蜂鸣器；所述传动机构包括传动齿轮Ⅰ、传动齿轮Ⅱ和连杆，连杆一端与舵机连接，另一端与传动齿轮Ⅰ的中心相连接，传动齿轮Ⅰ和传动齿轮Ⅱ啮合。
进一步，所述测距传感器为激光传感器。
进一步，所述舵机采用SD5数字舵机。
进一步，所述单片机采用STM32单片机。
进一步，所述LCD显示模块的显示屏采用TFT-LCD触摸显示屏。
本发明还提出了一种汽车陡坡通过性预判与警示方法，其特征在于，该方法采用上述的汽车陡坡通过性预判与警示系统，具体包括如下步骤：
Ⅰ)初次坡道数据采集：在汽车上安装测距传感器，测距传感器的数量为两个，分别为测距传感器Ⅰ和测距传感器Ⅱ，测距传感器Ⅰ安装在汽车车体顶部，测距传感器Ⅱ安装在传动机构的传动齿轮Ⅰ上；舵机安装在汽车前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机与传动机构固定连接，舵机带动测距传感器Ⅱ扫描与汽车车体等宽的坡道信息，测距传感器Ⅰ和测距传感器Ⅱ各自采集自身与路面之间的距离信息，并将采集到的距离信息发送给单片机，
Ⅱ)初次数据处理：单片机接收测距传感器向其发送的距离信息并进行滤波降噪处理，通过数据拟合得出从平坦路面到坡道的过渡点，拾取过渡点进行分析，通过公式：
将距离转化为坡度，建立坡道二维模型，其中h为测距传感器Ⅱ距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ和测距传感器Ⅱ间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ与水平线的夹角，ω为舵机的转速，t为舵机的扫描时间，i为传动机构的传动比；
Ⅲ)初次决策：利用单片机将坡度分别与汽车的接近角α、离去角β进行比较，判断汽车能否安全通过坡道；同时满足如下关系式：
则判定汽车能够安全通过坡道；
Ⅳ)二次坡道数据采集：经由步骤Ⅲ)判定汽车无法安全通过坡道时，单片机控制舵机运转，舵机通过传动机构驱动测距传感器Ⅱ对整个坡面线扫描，测距传感器Ⅱ采集其自身与路面之间的距离信息，并将采集的距离信息发送给单片机；
Ⅴ)二次数据处理：单片机接收测距传感器Ⅱ向其发送的距离信息并通过公式：
将距离转化为坡度，建立坡道二维模型，其中h为测距传感器Ⅱ距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ和测距传感器Ⅱ间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ与水平线夹角，ω为舵机的转速，t为舵机的扫描时间，i为传动机构的传动比；
Ⅵ)二次决策：单片机将整个坡道的坡度逐一与汽车的接近角α、离去角β进行比较，即将与tanα、tanβ比较得到各点的通过性，对数据进行处理和打包，基于A星算法寻路，得到汽车通过坡道的最优路径，其中h为测距传感器Ⅱ距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ和测距传感器Ⅱ间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ与水平线夹角，ω为舵机的转速，t为舵机的扫描时间，i为传动机构传动比；
Ⅶ)反馈与警示：单片机分别与LCD显示模块、蜂鸣器连接，利用LCD显示模块将汽车能否安全通过的信息输出到LCD显示模块的显示屏上，且汽车无法安全通过时，利用LCD显示模块和蜂鸣器对驾驶人员进行警示。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1)整个汽车陡坡通过性预判与警示系统结构简单，安装调试方便。
2)主动性强，能提前对坡道数据进行准确检测和处理，并通过LCD显示模块和蜂鸣器实现人机信息交互。
3)充分利用激光高方向性、高单色性、高分辨率、高功率等优势，并通过滤波降噪处理提高了激光信号的抗干扰能力。
4)通过单片机、舵机和激光传感器的组合技术，通过两次数据处理和决策实现坡道最优通过路径的确定，有效避免了汽车在陡坡坡道的剐蹭。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明汽车陡坡通过性预判与警示系统结构框图。
图2为本发明汽车陡坡通过性预判与警示系统原理图。
图3为本发明汽车陡坡通过性预判与警示系统结构示意图。
图4为本发明的测距传感器与传动机构位置示意图。
图5为传动机构左视图。
图6为传动机构俯视图。
图中各标记如下：1-测距传感器、101-测距传感器Ⅰ、102-测距传感器Ⅱ、2-舵机、3-单片机、4-传动机构、401-传动齿轮Ⅰ、402-传动齿轮Ⅱ、403-连杆、5-LCD显示模块、6-蜂鸣器。
具体实施方式
为了更清楚地表明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细的叙述。
参阅图1～图6，本发明的汽车陡坡通过性预判与警示系统包括测距传感器1、舵机2、单片机3、传动机构4、LCD显示模块5及蜂鸣器6，所述测距传感器1的数量为两个，分别为测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102，测距传感器Ⅰ101安装在汽车车体顶部，测距传感器Ⅱ102安装在传动机构4的传动齿轮Ⅰ401上；所述舵机2安装在汽车前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机2与传动机构4固定连接；所述单片机3的输入端连接测距传感器1，单片机3的输出端连接舵机2、LCD显示模块5及蜂鸣器6；所述传动机构4包括传动齿轮Ⅰ401、传动齿轮Ⅱ402和连杆403，连杆403一端与舵机2连接，另一端与传动齿轮Ⅰ401的中心相连接，传动齿轮Ⅰ401与传动齿轮Ⅱ402啮合。进一步，测距传感器1为激光传感器，测距传感器1用于检测汽车行驶过程中前方路面与测距传感器1位置之间的距离；舵机2为SD5数字舵机，舵机2的小齿轮部分与传动机构4的传动齿轮402固定连接，舵机2上具有凹槽，单片机3为STM32单片机，单片机3的数据分析计算单元定时采集测距传感器1向其发送的距离信息，并对采集到的距离信息进行分析计算，完成滤波降噪处理和系统误差修正后，求出相应的距离，并输出到LCD显示模块5，同时利用适当的公式运算并与单片机3数据库中相应的车辆通过性指标进行比较处理，确定能否安全通过坡道，进而控制舵机2、LCD显示模块5和蜂鸣器6的工作。所述传动机构4包括传动齿轮Ⅰ401、传动齿轮Ⅱ402和连杆403，连杆403一端插入舵机2的凹槽，另一端与传动齿轮Ⅰ401的中心相连接，传动齿轮Ⅰ401与传动齿轮Ⅱ402啮合，从而实现舵机2与测距传感器Ⅱ102之间的传动，并通过齿轮齿数控制改变传动比，从而调节转动速度。所述LCD显示模块5的显示屏采用TFT-LCD触摸显示屏，LCD显示模块5安装于汽车仪表盘旁边，将单片机3中的数据分析计算单元处理后的距离和通过性信息，通过LCD显示模块5的显示屏向驾驶人员提醒和警示。所述蜂鸣器6安装于汽车驾驶室内，当单片机3中数据分析计算判定陡坡坡道无法安全通过时，向驾驶人员发出语音提示报警。
该汽车陡坡通过性预判与警示系统处于工作状态时，舵机2带动测距传感器Ⅱ102扫描与汽车车体等宽的坡道信息，测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102各自采集自身与路面之间的距离信息，并将采集到的距离信息发送给单片机3，单片机3的数据分析计算单元定时采集以上距离信息，进行滤波降噪处理和系统误差修正，分析计算出相应的距离，并输出到LCD显示模块5。将计算结果与单片机3的数据库中相应的车辆通过性指标进行比较处理，当确定无法安全通过时，单片机3控制舵机2工作，舵机2通过传动机构4使测距传感器Ⅱ102进行整个坡面线扫描，进而选择最优通过路径，同时将无法安全通过的信息输出到LCD显示模块5和蜂鸣器6，向汽车驾驶人员提出警示；当确定能够安全通过时，将该信息输出到LCD显示模块5，对驾驶人员进行提醒。
实施例一
下面详细阐述该汽车陡坡通过性预判与警示系统的工作流程：
系统安装：
测距传感器1与单片机3的输入端相连，舵机2、LCD显示模块5以及蜂鸣器6均与单片机3的输出端相连；测距传感器1的数量为两个，分别为测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102，测距传感器Ⅰ101安装在车身覆盖件的车顶盖前端，测距传感器Ⅱ102位于底盘覆盖件前端并安装在传动机构4的传动齿轮Ⅰ401上；舵机2固定在汽车底盘覆盖件前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机2依次通过传动齿轮402、连杆403与测距传感器Ⅱ102相连；
初次坡道数据采集：
汽车的接近角α、离去角β，舵机2的转速ω，测距传感器Ⅱ102距路面高度h，测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102间的水平距离ΔX，测距传感器Ⅰ101与水平线夹角θ均为固定值，且上述各个参数值与汽车的车型相关，单片机3实时采集的信息有测距传感器Ⅰ101与路面的距离S1，测距传感器Ⅱ102与坡面的距离S2，舵机2的扫描时间t，i为传动机构4的传动比；
初次数据处理：
单片机3的数据分析计算单元定时采集测距传感器1的距离信息，并进行滤波降噪处理和系统误差修正，通过数据拟合得出从平坦路面到坡道的过渡点，拾取过渡点进行分析，通过公式：
将距离转化为坡度，建立坡道二维模型，其中h为测距传感器Ⅱ102距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ101与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ102与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ101与水平线的夹角，ω为舵机2的转速，t为舵机2的扫描时间，i为传动机构4的传动比；
初次决策：
利用单片机3的数据分析计算单元将坡度分别与汽车的接近角α、离去角β进行比较，判断汽车能否安全通过坡道；同时满足如下关系式：
则判定汽车能够安全通过坡道；
二次坡道数据采集：
当判定汽车无法安全通过坡道时，则单片机3控制舵机2开始工作，舵机2通过传动机构4驱动测距传感器Ⅱ102对整个坡面线扫描，测距传感器Ⅱ102采集其自身与路面之间的距离信息，并将采集的距离信息发送给单片机3；
二次数据处理：单片机3接收测距传感器Ⅱ102向其发送的距离信息并通过公式：
将距离转化为坡度，建立坡道二维模型，其中h为测距传感器Ⅱ102距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ101与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ102与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ101与水平线夹角，ω为舵机2的转速，t为舵机2的扫描时间，i为传动机构4的传动比；
二次决策：单片机3将整个坡道的坡度逐一与汽车的接近角α、离去角β进行比较，即将与tanα、tanβ比较得到各点的通过性，对数据进行处理和打包，基于A星算法寻路，得到汽车通过坡道的最优路径，其中h为测距传感器Ⅱ102距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ101与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ102与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ101和测距传感器Ⅱ102间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ101与水平线夹角，ω为舵机2的转速，t为舵机2的扫描时间，i为传动机构4的传动比；
人机交互：
单片机3分别与LCD显示模块5、蜂鸣器6连接，利用LCD显示模块5将汽车能否安全通过的信息输出到LCD显示模块5的显示屏上，且汽车无法安全通过时，利用LCD显示模块5和蜂鸣器6对驾驶人员进行警示。
以上为该发明的一代机实施例，二代机可在此技术基础上，采用激光雷达代替激光测距传感器1，以期达到提高系统动态测量精度和完善最优路径规划的目的。
该系统将各个器件或模块有机的集成、整合成一个整体，需要强调的是，上述各个器件或模块就单体而言，其实现各自应实现功能的具体结构在现有技术中已经存在，各个器件和/或模块进行工作处理时所涉及的协议、软件或程序也在现有技术中已经存在，本领域人员已充分知晓，正如上述所述，本发明并不是对各个器件和/或模块的单体做何改进，因此并不涉及软件的内容，而是提出一种如何将各器件和/或模块有机的集成、整合成一个整体，即提供了一种构造方案。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.汽车陡坡通过性预判与警示系统，其特征在于：包括测距传感器(1)、舵机(2)、单片机(3)、传动机构(4)、LCD显示模块(5)及蜂鸣器(6)，所述测距传感器(1)的数量为两个，分别为测距传感器Ⅰ(101)和测距传感器Ⅱ(102)，测距传感器Ⅰ(101)安装在汽车车体顶部，测距传感器Ⅱ(102)安装在传动机构(4)的传动齿轮Ⅰ(401)上；所述舵机(2)安装在汽车前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机(2)与传动机构(4)固定连接；所述单片机(3)的输入端连接测距传感器(1)，单片机(3)的输出端连接舵机(2)、LCD显示模块(5)及蜂鸣器(6)；所述传动机构(4)包括传动齿轮Ⅰ(401)、传动齿轮Ⅱ(402)和连杆(403)，连杆(403)一端与舵机(2)连接，另一端与传动齿轮Ⅰ(401)的中心相连接，传动齿轮Ⅰ(401)和传动齿轮Ⅱ(402)啮合。
2.根据权利要求1所述的汽车陡坡通过性预判与警示系统，其特征在于：所述测距传感器(1)为激光传感器。
3.根据权利要求1所述的汽车陡坡通过性预判与警示系统，其特征在于：所述舵机(2)采用SD5数字舵机。
4.根据权利要求1所述的汽车陡坡通过性预判与警示系统，其特征在于：所述单片机(3)采用STM32单片机。
5.根据权利要求1所述的汽车陡坡通过性预判与警示系统，其特征在于：所述LCD显示模块(5)的显示屏采用TFT-LCD触摸显示屏。
6.汽车陡坡通过性预判与警示方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-5中任意一项所述的汽车陡坡通过性预判与警示系统，具体包括如下步骤：
Ⅰ)初次坡道数据采集：在汽车上安装测距传感器(1)，测距传感器(1)的数量为两个，分别为测距传感器Ⅰ(101)和测距传感器Ⅱ(102)，测距传感器Ⅰ(101)安装在汽车车体顶部，测距传感器Ⅱ(102)安装在传动机构(4)的传动齿轮Ⅰ(401)上；舵机(2)安装在汽车前端且处于与汽车底盘最低点同一水平面的位置上，舵机(2)与传动机构(4)固定连接，舵机(2)带动测距传感器Ⅱ(102)扫描与汽车车体等宽的坡道信息，测距传感器Ⅰ(101)和测距传感器Ⅱ(102)各自采集自身与路面之间的距离信息，并将采集到的距离信息发送给单片机(3)，
Ⅱ)初次数据处理：单片机(3)接收测距传感器(1)向其发送的距离信息并进行滤波降噪处理，通过数据拟合得出从平坦路面到坡道的过渡点，拾取过渡点进行分析，通过公式：
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将距离转化为坡度，建立坡道二维模型，其中h为测距传感器Ⅱ(102)距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ(101)与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ(102)与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ(101)和测距传感器Ⅱ(102)间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ(101)与水平线的夹角，ω为舵机(2)的转速，t为舵机(2)的扫描时间，i为传动机构(4)的传动比；
Ⅲ)初次决策：利用单片机(3)将坡度分别与汽车的接近角α、离去角β进行比较，判断汽车能否安全通过坡道；同时满足如下关系式：
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则判定汽车能够安全通过坡道；
Ⅳ)二次坡道数据采集：经由步骤Ⅲ)判定汽车无法安全通过坡道时，单片机(3)控制舵机(2)运转，舵机(2)通过传动机构(4)驱动测距传感器Ⅱ(102)对整个坡面线扫描，测距传感器Ⅱ(102)采集其自身与路面之间的距离信息，并将采集的距离信息发送给单片机(3)；
Ⅴ)二次数据处理：单片机(3)接收测距传感器Ⅱ(102)向其发送的距离信息并通过公式：
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将距离转化为坡度，建立坡道二维模型，其中h为测距传感器Ⅱ(102)距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ(101)与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ(102)与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ(101)和测距传感器Ⅱ(102)间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ(101)与水平线夹角，ω为舵机(2)的转速，t为舵机(2)的扫描时间，i为传动机构(4)的传动比；
Ⅵ)二次决策：单片机(3)将整个坡道的坡度逐一与汽车的接近角α、离去角β进行比较，即将与tanα、tanβ比较得到各点的通过性，对数据进行处理和打包，基于A星算法寻路，得到汽车通过坡道的最优路径，其中h为测距传感器Ⅱ(102)距路面高度，S1为测距传感器Ⅰ(101)与路面的距离，S2为测距传感器Ⅱ(102)与坡面的距离，ΔX为测距传感器Ⅰ(101)和测距传感器Ⅱ(102)间的水平距离，θ为测距传感器Ⅰ(101)与水平线夹角，ω为舵机(2)的转速，t为舵机(2)的扫描时间，i为传动机构(4)的传动比；
Ⅶ)反馈与警示：单片机(3)分别与LCD显示模块(5)、蜂鸣器(6)连接，利用LCD显示模块(5)将汽车能否安全通过的信息输出到LCD显示模块(5)的显示屏上，且汽车无法安全通过时，利用LCD显示模块(5)和蜂鸣器(6)对驾驶人员进行警示。
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- 2017-11-29 CN CN201711226917.3A patent/CN107813782B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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