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车用盲区侦测搭载 HUD 系统设计
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 潘善政、梁文源等】2017年04月14日 星期五

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造成交通事故的原因很多,主要与交通参与者的素质、车辆机械性能以及道路设施条件有关,有鉴于日常交通道路事故的频发,以致每年车祸伤亡人数不计其数,其中常遇的事出因由,往往归咎于人们行驶交通工具时的疏忽大意,尤以大型货运车等车体较为庞大的运输工具,而导致意外性的罹难事故不断重演,因此设计于大货车行运时所配置的盲区侦测系统,并针对车身各个角度所衍生的死角,能让驾驶的司机即时反应于货车始行道路、路角转弯同时,避免无法直接视察之车身旁侧,大幅提升载运交通的安全性。


及时了解和掌握车况,于安全行车是建立在车况良好的基础上的。为此,车主要及时了解和掌握车况,防范的措施上就能避免意外的发生,本执行计画着重于车辆行驶盲区侦测系统,及结合自制的HUD抬头显示器,做为己身之驾驶大型货运车,周遭车况及间距警示,整合而成全方位的车况安全行进技术。


主要目的为测试大型货运车无可预警的视角,并且涵括于载运货物的连结车身,以超波雷达感测在稳定的范围内探测接近人、事、物,并将感测反应透过HUD(抬头显示器)的方式,立时显示于车前玻璃萤幕屏面,对于货车本身的行驶路程中,能有效的相对避免驾驶者的疏忽,更能降低过路行人者和机慢车骑士的碰撞安全性。


创作动机

现代社会的生活当中,汽机车为人们不可或缺的代步工具,科技的进步给予了人们许多便利的生活关系,然而这看似造就人们日常的互动之利,另一面同时也间接发生了无可挽回的悲剧,时常在新闻播报中随处可见的因由车祸所影响的伤亡。


根据中华民国交通部统计,交通事故主要原因第一首位为「驾驶不当」、其次为「未保持行车安全间距」,进而使得肇事的情形,难以避遇危害,数度的缘由不外乎是人为驾驶粗略所导致形成的。


「车」不论是大型货车或常见轿车甚至是机慢车等,即便自己本身能够以谨慎的心态行驶交通工具,却难预知外来车辆的来往,皆容易面临危险突发状况,虽如骑机车的人和开车的人,都会配戴安全帽及系上安全带和安全气囊保护,这些防护措施倒也不能彻底的完全泯除事故的根源。


在行驶交通工具的过程,以及有效的防护措施,仅是基本上的人身简易配备,若是遭受到相当严重的撞击、辗压,亦是等同于毫无作用,车祸防患于未然的方式,主要掌握者是驾驶员能否注意周遭的情况,一旦任何可能导致车祸发生的迹象,都需要密切注意,即以大型货运车比起一般车的条件更是容易,因此研发此创作架构,为进一步预防车祸险象发生的目的!


工作原理

工作原理及功能

为此特针对于大货车行驶的交通安全性,分别对此类车的整体架构性质,各以其不同于一般普通车与机慢车司机的视觉角,车头与连结 车身的高度差影响关系。


为解决驾驭者行驶的隐忧,同道行驶机慢车和过路行人的安全虞虑,本研究着手于车体结构的缺要,改善大货车易于行驶路途中,无法立即察觉旁车、路人的间距性,设计盲区侦测系统,若车身有旁人、物过于接近,便可将超音波雷达其感测人、物的方向面与距离的数据传输到车上设置的HUD。


同时基于开车时能以视觉的直接面,将配置于货运车上的HUD,随即将接受到的资料显示于玻璃前视萤幕,使得司机在开车过程中,不必另外忧虑于无法直视之其俯角面而导致事故。


主要核心功能

在于不同以往的车辆配备中,行车影像环视系统以影像技术辨识于车前、后方和侧面所搭载的镜头,取得影像方式显示某程度范围内的车况,准确率及稳定性也相对的高。


不过,拥有如同优势的另一方面,也挟带着一项先天的技术障碍,就是要克服气候因素的影响,若是遭遇雨天或浓雾等视线较难以清晰展现时,仅靠被动的镜头察看,则该系统就失去了准确的判断能力。其系统本身将影像为显示全方位广角,小型萤幕机的设置也碍于车内驾驶操作面,及本计画实施研拟方式为以超音波感测行人、物体整合全系统架构的方向面与距离判断,使用控制晶片HT66F70A 8-bit MCU为处理接受和传递讯息,于超音波感测器的侦测、量距及即时性传输数据。


与HUD抬头显示器整合研究的「同步执行」设计形式。所完成的高安全性盲区侦测系统,将车旁的设置限定范围内,延伸可视的角度与其它车辆所处的状况,其距离和位置等,以比拟HUD的形式,显示至车驾驶面前的挡风玻璃,使得驾驶员可直接察看。


作品结构

硬体系统流程


图一 : 硬体系统研究步骤的流程图
图一 : 硬体系统研究步骤的流程图

研究步骤流程图如图一所示,如前所述,演拟完成的大型货运车行驶配置盲区侦测结合HUD系统的应用研究,此系统将包括超音波测距仪的设计,和配置及抬头显示器介面的设计等二个部分,因为HT66F70A 8-bit嵌入式发展板具有完整的周边元件、程式函数库、范例程式,因此可以加速本研究的开发,因此本系统的控制器将采用HT66F70A 8- bit嵌入式发展平台。


整合全系统之架构


图二 : 具盲区侦测系统的 HUD连结架构图
图二 : 具盲区侦测系统的 HUD连结架构图

超音波感测器随着用途和元件的差异有不同的驱使性质,大致上用来侦测物体的运动速度、短距离的量测、以及判断物体有无等, 是属于一种非接触型的感测元件,超音波感测器可区分为发射和接收器,两者皆同样具有「压电效应」。


对超音波发射器而言,主要是将电气讯号转换成压力的讯号去压缩周围空气;而这些受压缩的空气将会压缩接收器上的压电超音波测障系统材料,并产生「压电效应」,进而将压力讯号转换成电的讯号,至此以图二表达本系统架构的展现示意图。


程式设计之规划


图三 : 盲区侦测系统之 HUD 设计流程图
图三 : 盲区侦测系统之 HUD 设计流程图

整合全系统的控制流程如图三所示,屏除原先能直接简洁的显示之外,其HUD基本含有的出行驶时间、水温、时速、转速、超速警示、 油耗和电压等功能,同时在置于HUD此一配备中,设计超音波测距模组的连结,把大型货运车侦测车头前与车身侧旁的行人、骑士等事物,感测所在方向及间距数值结合HUD抬头直接显示至萤幕,是为新颖的晋升安全侦测系统方式。


测试方法

拟境分析


图四 : 大货车的内轮差轨迹示意图
图四 : 大货车的内轮差轨迹示意图

因大型货车般之车体较为庞大的车型,如同图四的大货车之内轮差轨迹示意图,在车头的部分甚高于小客车、机慢车及行人等,和驾驶位左右侧的车体框架关系,就成为了死角区,在后连结货物车部分,除侧边后视镜之反照可视角以外,几乎为死角区。


此外,绝大多数车子的前后轮行进轨迹不同,前轮可随方向盘左右转动,后轮则固定不变,只能往前滚动。直线行进时,前后轮都往同个方向滚动;一旦转弯了,前轮所走的路径,就和后轮不一样,而后轮行进时所多出来的范 围,就此产生内轮差。


行驶环境的条件


图五 : 大货车侧面的驾驶可视角示意图
图五 : 大货车侧面的驾驶可视角示意图

比拟图五的侧面之大货车可视角示意图,在正常静止状态下,人的双眼视野可达210度,但两边的70度是看不见的,即「天生的视野死角」,真正能够看清楚的只有中间的70度。大型车(如工程车、砂石车、大型公车等)视野死角众多,若是过于靠近或跟随于侧旁是相当危险的情形,易因内轮差关系而发生事故,甚至小客车也是不可轻易忽视的。


测试结果说明

一般而言,愈是大型的车子,内轮差比也就愈大,加上驾驶者透过车内后视镜及车窗外的左右两侧后视镜往后看,就会有视觉盲点存在,而那个视觉盲点通常又和内轮差相互重叠。因此,当大货车等大型车子于切换车道或道路转弯时,在侧后方的内轮差范围内刚好又有行人、机慢车或其他车子,就很有可能出现 擦撞的意外事故。



图六 : 大货车的可视角与死角拟境图
图六 : 大货车的可视角与死角拟境图

因此于搭设超音波感距模组,除必须于如图六的死角处配置作为感应,更应当考量过弯形成的内轮差区域点设置,如此当过弯时侧旁有小客车、机慢车及行人等,进入内轮差一定程度上的警示领域之下,便可立即使HUD 显示通知货车司机以做出相对应的避险。


现在汽车安全的概念,已经从被动减少碰撞造成伤亡的范畴,演进到主动避免车辆碰撞事故发生机会的阶段,另一方面,超音波雷达的优点在于对雨、雪、雾的穿透能力强,衰减小,而且测距原理简单、制作方便、成本低,也因此运用都普勒原理的超音波雷达,侦测距离小于4公尺,角度范围可达60 度。


(作者潘善政1、梁文源2、胡博景3、吴政南4、陈长佑5为树德科技大学电脑与通讯系1教授及2-5学生)


参考文献

[1] 中华民国交通部事故分析: http://www.freeway.gov.tw/Publish.aspx?cnid=51 6&p=128


[2] 超音波居离感测器之专利分析: http://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/85214/ 1/5.pdf


[3] 超音波之控制原理: http://eshare.stust.edu.tw/EshareFile/2010_4/2010_4_f89b9bdf.pdf


[4] HUD–抬头显示器: http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8A%AC%E9%A0%AD%E9%A1%AF%E7%A4%BA%E5%9 9% A8


[5] 盲点侦测系统专题研讨: http://blog.xuite.net/gm9013355/blog/51633688-B SW%3FBLIS%3F%E7%9B%B2%E9%BB%9E% E5%81%B5 %E6%B8%AC%E7%B3%BB%E7% B5%B1%E5%B0%88%E9%A1%8C%E5%A0% B1%E5%91%8A


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