1、 1 “晶马杯” 第三届汽车创新设计赛 参赛作品 消除“内轮差”隐患 的安全预警系统 指导老师 ：薛龙 ,李骏 小组成员 ：刘敦开、肖强、熊淑云 2 目录 目录 . 2 一、目的意义及设计背景 . 3 二、相关设计现状 . 4 （ 1）大型车辆试装盲区雷达，行人靠近即报警 .5 （ 2）技术眼破解，内轮差杀手 .5 （ 3)西南交大首创“弯道安全警示系统” .6 （ 4）对相关设计现状的分析 .7 三 方案设计图及原理介绍 . 9 3.1 方案流程图 .9 3.2 方案原理总体说明 .10 3.3 各部分原理细则 .10 3.31 内轮差面积的计算 .10 3.32 感应部分原理 .16 1，
2、转弯传感器的结构及工作原理 .16 2，激光雷达的结构及工作原理 .17 3.33 驾驶室内的 HUD 技术 .18 3.34 语音报警提示系统 .19. 3.4 本方案综合优点 .20 3.5 成本预算 .20. 四 总结 .21. 3 一，目的意义及设计背景 随着国民经济不断地增长，中国汽车的行业得到了飞速的发展，我们不可 否认这给我们的生活带来了巨大的便利。然而，在汽车便利人们生活的同时，也带来的一些隐患。我们都有过这样的经历，在路口等红灯时，明明感觉自己站的离转车辆并不是很近，但当车辆经过时，还是会贴过来。这就是由车辆“内轮差”的原因引起的。所谓的内轮差，就是车辆转弯时的前内轮的转弯半
3、径与后内轮的转弯半径之差，即车辆转弯时，前后车轮的运动轨迹不重合。 据统计， 2014 年 1 至 10 月份，无锡市工程运输车辆事故已经死亡 62 人。交警分许，多起涉及工程车的交通事故，都发生在车辆右转弯时。原因是像水泥罐车这种大型工程车的车身都比较长， 尤其是车头转过去以后，还有很长的车身没有转过来，形成了内轮差的视觉盲区，一旦非机动车或行人步入内轮差范围内，就会被后车身拖入车内并遭碾压。受害者大部分是电动车驾驶者，这说明离工程车最近的电动车或自行车没有得到很有效的保护措施来使自己的人身安全得到保障。 提起内轮差，不少市民都一头雾水，但要说起因车辆转弯时距离太近而丧命的交通事故时，不少行
4、人仍不寒而栗。在济南涉及电动车交通事故中，因内轮差诱发的事故达到三成以上。 今年 5 月 23 号 14 时 20 分许，济南市民杜仁良驾驶重型仓栅式货车，在历城区盖世五金市场四号院处由西 向南转弯时，将驾驶电动车同向行驶的康永挂到后碾压，造成康永的当场死亡，而这起事故的根本原因就是由于车辆存在内轮差导致的。 今年 9 月七号 22 时 38 分，一辆工程车在北大街右转驶上通汇桥路时，撞倒了同向直行的一辆电动车，导致电动车上搭载的一名 14 岁女孩坠地受伤。交巡警部门查明，工程车的转弯车速仅为 11 公里每小时如此慢的车速，为啥电动车躲闪不及被撞到呢？ 2014 年 4 月 18 日一位年逾七
5、旬老人，在骑自行车给儿子儿媳送饭途中，不幸被一辆转弯的大货车后轮碾压致死。 2014 年 8 月 13 日 8 点 44 分，官塘桥路由北向南至官驸路 路口处，一辆混凝土车右转时与一辆电动车相撞，导致电动车车主当场死亡。4 图 1-1 右转弯惨剧 因此，为了避免类似的惨剧发生，不幸和骑电动车的市民为了确保安全，千万不要离转弯车太近，遇到大型车更应该远离两米以上。特别是在绿灯时，不要抢先超过正在转弯的机动工程车。更不要在红灯时，超越斑马线停留，那样很容易被转弯车辆的内外轮差卷入车轮。 二、相关设计现状 针对现在频频由内轮差引发的交通事故现状，我们集思广益，进行了一定的思考，查阅了不少相关资料和专
6、利。 (1)大型车辆试装盲区雷达，行人靠近即自动 报警 图 1-2 内轮差的形成 5 苏州工业园区交巡大队试点在两家大型运输企业的大型车辆上安装盲区后视探头和雷达侧方位报警器。这种报警器可通过实时影像、雷达报警，让驾驶员在车内就能清楚掌握到右转弯时附近区域的情况，消除渣土车的视觉盲区带来的交通事故隐患。 据介绍，工况较好的车辆都推荐安装后视探头，发动车辆后，眼前的液晶屏自动显示右侧的盲区画面；挂档倒车，安装在尾部的高清探头也将后方画面实时传送至屏幕。而工况较差的车辆，为避免摄像头被污染，则推荐安装雷达报警器，只要有电动车、自行车、行人靠近车身 1.5 米范围内， 驾驶室内报警器就会报警。 并且
7、目前园区范围内所有申请通行证的渣土车都强制安装右转弯提醒蜂鸣器，提示靠近的路人小心避让。下一步，园区交巡警将在辖区推广盲区后视探头和雷达侧方位报警器。 (2)“技术眼”破解 “内轮差”杀手 园区交巡警大队民警经研究，摸索出给大型车辆侧面安装报警雷达的办法：大型车的报警雷达系统安装在车辆右侧，重点监测两个区域：一是车右前方和前轮附近，主要是解决司机的视角盲区，防止前轮伤人；另一个则是车后轮的前方及车后轮，主要解决内轮差，防止后轮伤人。也就是说，给大车侧面装上一双“技术眼”，让司 机能第一时间感受到边上有人，这样就能很大程度上避免和减少事故的发生 .。 我们了解到，安装了报警雷达的车辆，在行进过程
8、中，车辆要左转或右转，当驾驶员拨动转向灯开关后系统即被唤醒启动，相应侧面的倒车雷达探头或摄像头开始工作，时刻探测盲区内的人员和障碍物，当探头距成人 1.7 米时，民警表示，这个距离也是反复实验得到的结果，因为一旦最远距离设置过大，会对正常的相邻的车辆报警，形成误报。根据国外经验，不采用开车即启动的方式是因为当车辆正常进行中会对相邻车辆不断地报警，致使驾驶员产生听觉麻痹，总觉得是“狼来了”，真是的报 警声因混淆而被掩盖，反而得不到重视。相反，当司机拨回转向灯开关后系统休眠。 但只雷达探头的探测范围呈梧桐叶形状，其波束由多个“波瓣”组成，其存在“探测空隙”，按照障碍物距离的危险等级分为 3 档，用
9、缓急不同的声音提示报警，并根据车身不同摆动幅度采用梯形探测距离限制。一般来说， 8 米左右车6 长的车辆采用六只雷达探头。二对条件允许的司机来说，也可同时在侧方安装影响警示系统。“整个安装成本在几百到一千多元，然而他却能司机提供很大帮助，消除内轮差的安全隐患。” (3)西南交大首创“弯道安全警示系统” “ 大货车弯道安 全警示系统”项目指导老师、西南交通大学艺术传播院教授黄涛介绍，该系统利用红外线感应器及 LED 灯等设备进行系统设计，对靠近大货车转弯危险区的车辆和行人进行感应和警示。“ LED 灯将光线投射到大货车的侧位，行人看到光线后容易及时避让。另外，红外线感应器能够迅速感应到货车周边事
10、物，通过红外线感应器，货车司机便可以知道货车旁边是否有人，方便司机作出判断”。图 1-3 弯道安全警示系统 (4)对相关设计现状的分析 以上便是我们能找到的关于内轮差的各种已有的解决方案 ，每个方案都有其特点，大家可以看到如今社会上已经 对内轮差这个问题引起了足够的重视。但是我们认为以上的方案都存在一定的瑕疵。 首先第一个方案关于安装盲区雷达，行人一靠近即报警，我们看到这个系7 统主要还是对货车司机起到了提醒作用，而对于处于内轮差范围内的行人或者其他的障碍物却没有起到一个提醒的作用，这样子效果可能不是那么明显，而且这个系统是货车一启动就开始工作，而且在驾驶室内装有液晶屏，这样子司机要时不时地低
11、头去看液晶屏，明显对司机的注意力有很大的分散作用。 对于第二个方案，是装有技术眼，但同样的这个方案也存在一定的不足。该系统也是对于司机起到了提醒的作 用，对于行人或者障碍物的提醒和警示作用也没有到位。第二个该系统启动的前提条件是司机拨动了转向开关，那么这样子的话有一定程度依赖与司机的驾驶习惯，有可能司机有时候转弯时却没有拨动转向开关，那么该系统就不会被激活。所以该方案存在比较大的主观因素。 那么对于第三个方案，该方案是西南交大的学生发明的，这个方案我们认为存在的不足主要是 LED 灯的问题，我们知道在晴天的时候，光照比较强，那么这个时候将 LED 灯投射到马路上可能就看不到了，虽然货车又一定的
12、影子在路面上，可万一影子的范围比内轮差的范围还要小呢？那么这个时 候 LED灯同样也没有起到作用。 以上是我们对于相关设计现状的分析，找出了一些存在的不足，针对于这些不足，我们有一套我们的设计方案。 8 三、方案流程图及原理介绍 3.1 根据我们的设计思路，该方案的流程图如下： 是 触发转角传感器，判断向左或向右 车尾雷达探测 危险区域 货车转弯 启动角度感应器，计算内轮差危险区域 是否有行人 否 驾驶室内警示 方案一：利用 HUD 方案二：安装简 系统将危险区域的 单的警示装置，例 影像投射到前挡风 如蜂鸣器或者语音 玻璃 提醒 对行人的警示 ：车侧身安装的蜂鸣器和语音提醒（危险请远离）开始
13、工作，晚上时可以用 LED 灯将危险区域投射到马路上，让行人更直观看到。 9 3.2 方案的总体说明 以 下 是 我 们 的 方 案 设 计 图图 1-4 整体方案设计图 当挂车开始拐弯时（左转或者右转），安装在挂车方向盘上的角度测试仪开始工作（ 一般货车方向盘转过的角度和轮胎转过的角度比例为 11： 1），通过已经储存在内的内轮差的计算模型，计算出内轮差的大小。安装在车身尾部的雷达探测仪的 探测范围与内轮差的区域相当，当行人或者电动车进入内轮差的危险区域范围之内，即在雷达的探测范围之内，汽车就会实行报警装置 。进行语音提示（危险区域，请注意），提醒行人或电动车立即远离车身，与此同时，安装在雷
14、达探测仪下方的摄像头进行工作，进行拍照，运用最新的 HUD 技术，将拍摄到的情况投射到货车前面玻璃。司机就可以很直观地看到内轮差的情况，以便做出很好的判断 。 3.3 各部分原理细则 3.3.1 内轮差面积的计算 为了从探知“内轮差”产生原因从而达到防范此类事故的发生并给与警示行人的目的， 需要通过一定的数 学方法计算出各种型号汽车在转弯时的内轮差。由于现实中各种其他因素干扰，如路面状况等次要因素，现仅把该现象简化为理想模型，忽略次要因素。通过基本的观察与假设，我们发现： 转弯车辆是以内侧10 后轮为支点进行移动的，前后车轮划过的区域其实是不同的。车身越长，转弯幅度越大，形成的轮差就会越大。故经过简化，影响内轮差主要因素为车身长度和转弯角度。 符号说明 符号 意义 单位 Ar 前轮的转向半径 m Cr 后轮的转向半径 m Br 折腰点的轨迹半径 m 参数方程参数 rad 转向角 rad AL 前轮轮距 m CL 后轮轮距 m 本设计中， 对于不同结构的车辆 刚性和非刚性汽车 我们应该用何种不同模型来反映和计算内轮差。并且如何改进模型，我们考虑司机转弯时的驾驶细节，使模型更贴合实际。计算不同车型的内轮差。 模型一 模型一假设： 1、研究对象为具有刚性的 汽车，车身为一整体、不可变形。通常情况下，
