汽车创新设计大赛

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 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93.1 方案流程图.93.2 方案原理总体说明.103.3 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，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HU

2、D技术.18 3.34 语音报警提示系统.19.3.4 本方案综合优点.203.5 成本预算.20.四 总结.21.一，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

3、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

4、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。图1-

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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。

10、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

11、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。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：货车转弯触发转角传感器，判断向左或向右启动角度感应器，计算内轮

12、差危险区域 车尾雷达探测危险区域 否是否有行人 是对行人的警示：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。 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

13、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

14、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前轮的转向半径后轮的转向半径折腰点的轨迹半径参数方程参数转向角前轮轮距后轮轮距 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，轿车及客车属于此类。2、

15、由于汽车导向仅依靠前轮，假设轿车前轮的转弯路径是圆弧，后轮待定。3、轿车进入弯道后匀速行驶。4、在弯道内行驶的过程中，汽车以恒定的转向角转弯，即方向盘固定在同一个位置上。下面我们用解析几何模型进一步推导内轮差。在前面的推导中，我们认为轿车转弯时前轮后轮的轨迹都是圆弧，但是这样的假设并不严谨。轿车转向时，只有前轮起导向作用，带动后轮偏转；因此汽车以恒定的转向角、恒定的线速度转弯时（），只能确保前轮的轨迹为圆弧，而后轮经车身带动，轨迹需要进一步确定。在这一模型中，我们仅假设前轮的运动轨迹为圆弧，接着推导后轮轨迹。轿车是刚体，即车身不发生任何形状变化。根据刚体运动时的速度分解规律，前轮后轮沿车身方向

16、的分速度相等：图1-5如图2-1所以当轿车以恒定的转向角、恒定的速度转弯时，前后轮的轨迹为同心圆弧。内轮差为两圆半径的差：如图2-2所示，根据几何关系。内轮差也可表示为。同时危险区域面积为 图1-6，当=时，有最大面积为 模型二模型二假设：1、研究对象为车身可以变形的折腰式机组，车身分两段，也就是我们研究的半挂车类型。2、在转弯时机车前轮轮轴与后轮轮轴并非始终平行，前后轮均做圆周运动，两圆圆心重合。3、机车前轮轮轴所在直线与前轮转向半径所在直线重合，后轮轮轴所在直线与后轮转向半径所在直线重合。 由于小汽车前轮的驱动轴和后轮的从动轴始终是平行的，但是对于大型货车或重卡，之前的模型不再适用，我们需

17、要用折腰式模型研究其内轮差。前后轮的轮轴长度相差很小(一般只有左右),因此内轮差可以近似等于前后轮轴中心到转向中心距离的差。内轮差首先将模型简化，假设前轮沿着弯道前进，则前轮的转向半径等于弯道的曲率半径,下面求出此时的内轮差。图4-1代表机车车组。根据假设,当机车进入弯道后前轮和后轮的转向中心都为点,根据圆内几何关系,构成的一个四边形形状保持不变，如图4-1：图1-7因为实际情况下机车的，内轮差随着弯道曲率半径的增大而减小。转向半径越小，内轮差越大，前轮转向半径随转向角的增大而减小。根据复合函数增减性规律，内轮差随转向角的增大而增大；在实际转弯过程中，弯道的曲率半径越小，相应的转向角越大，内轮

18、差也就越大。 而因内轮差所行成的危险区域为三角形的面积：，因为对于半挂车而言，当，在三个式子中，式的值最大，即因内轮差所形成的区域最大，危险面积最大。表2 内轮差的计算类别车型轴距/m最小转弯半径/m 内轮差/m模型1模型2小型车奇瑞QQ2.344.830.61-标致2062.445.030.63-金龙中型客车3.807.840.98-柯斯达3.948.131.02-大型车大货重卡13.80+1.356.73-1.01大运重卡25.95+1.8010.22-1.72通过计算以上内轮差，我们了解到大型车的内轮差最大，又通过上面的式进行比较，它所形成的危险区域面积是最大的。而我们的解决方案就是针对

19、大型车（尤其是半挂车，匀速转弯时）的内轮差区域而言的，可以说，我们的方案能够有效地降低并消除由内轮差产生的不可见区域而带来的影响，这很大程度上保证了交通安全。3.3.2 感应部分原理本设计利用安装在驾驶室内方向盘转轴上的转向传感器来检测感应汽车的转弯。1、传感器的结构与工作原理转向传感器用来检测转向方向盘的角度和汽车转向的方向，为及时的计算内轮差提供信息，它是由两个光电传感器和一个由方向带动的圆形盘组成，圆盘上开有20个通光孔。 图1-8光电式转角传感器的安装位置和结构1转角传感器； 2传感器；3光电元件； 4遮光盘；5轴 6圆盘； 7传感器圆盘当方向盘带动圆盘转动，引起发光二极管发出的光线“

20、通”或“断”，产生于圆盘转动角度成比例的数字信号；通过判断两个光电传感器信号的相位差来判断转动方向。转向盘转角传感器用于检测转向盘是否位于中间位置及转向盘可能的偏转方向、偏转角度和偏转速度。在电控悬架中，电子控制单元可根据车速传感器信号和转型盘转角传感器信号，判断汽车转向时侧向力的大小和转向的方向，从而适时得到汽车的角度来计算出内轮差的范围。 图2-0转弯传感器安装位置2.激光雷达探测器的结构及特点与现有的技术不同的是在我们的设计中，雷达探测器的安装部位不是在车身，而是安装于车身的尾部两个转角处，因为其探测区域范围是一个立体防范空间，可以覆盖60至90的水平辐射角，控制面积可达几十到几百平方米

21、。这样的话就避免了在车身同时安装多个雷达，节约了成本。图2-1激光雷达图2-2激光雷达安装与普通微波雷达相比激光雷达由于使用了激光束，工作频率较微波高了许多，其主要特点有：（1）分辨率高激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1nard,可以同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.1米，速度分辨率能达到10米每秒以内。（2）体积小、质量轻通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统的质量数以吨计，光天线口径就达几米甚至十几米，而激光雷达就要轻便、灵巧得多，架设拆收都很简便。维修方便，操纵容易，价格低廉。（3）低空探测性能好微波雷达由于存在各种地物回波的影响，低空存在一定区域的盲

22、区。刚好车身的高度是属于低空范围，而对于激光雷达来说，只有被照射的目标才会产生反射，完全不存在地物回波的影响，因此可以“零高度”工作，低空探测性能较微波雷达强多了。（4）隐蔽性好、抗有源干扰能力强由于雷达装置是要安装在汽车车身外部，很容易受到外界的干扰，而自然界中能对激光雷达起作用的信号源不多，因此，激光雷达抗有源干扰的能了很强，适于在日益复杂的环境中工作33.3驾驶室内的HUD显示技术我们都知道有些事故往往就是司机在低头的一瞬间酿成，同时针对前几个方案的不足，我们在显示器方面选择了车辆状态投影技术平视显示器。这个技术来自于战斗机的驾驶舱设计，我们的选择优点就在于司机不需要低头就能看到他所需要

23、的重要信息，避免注意力中断以及丧失对状态意识的掌握。这种HUD系统既方便同时更重要的是很大程度上提高了驾车员行驶的安全性。并且，HUD只有当你眼睛聚焦到那里的时候才会注意到它，HUD显示不会在行驶中干扰司机的视线，正常驾驶眼睛注意观察路况就好，这时候人的眼睛就看不到HUD的内容，HUD处于“隐形状态”，但其实它还在那里，只是我们的眼睛注意不到，这样就保证了驾驶员的眼睛一直观注路况。它充分利用了人眼的智能对焦功能。这项HUD显示技术还有一个独到的优点在于它不受光线的影响，无论是在白天还是晚上，只要自己想观察车身的状况，影像的清晰度完全不受影响而且屏幕的亮度是可以随意调节的，可以按照自身的需求设置

24、亮度。图2-3HUD投影在转弯时，当有障碍物处于内轮差范围之内，雷达探测器和摄像头同时工作，计算车身与障碍物的距离，通过中央处理器将影像传送至驾驶室内，司机眼睛聚集到前方挡风玻璃上便可以看到红色或绿色的影像，红色代表汽车不能在不接触障碍物的情况下安全转身，这时就需要司机重新转弯；如果出现绿色界面表示汽车能安全转弯，并且司机这时候也可以根据HUD显示的实时与障碍物的距离实现安全转弯。 3.3.4语音报警提示装置从现有的技术我们不难发现，当有障碍物进入内轮差危险区域内，位于驾驶室内的司机能得到及时的提醒，但终究还是没能很好的避免惨剧，因为面临危险的行人或电动机车员并没有意识到自己的危险，甚至到最后

25、一刻他们也处于茫然状态，这说明我们还是要从事故的受害者出发，让他们变被动为主动，只有让他们意识到自己的危险，让他们自己采取主观行动，主动远离危险。从这个角度上，我们设计了语音提醒报警装置，当雷达探测到有障碍物进入危险区域内，及时的进行语音提示，这样从两方面着手，既在提醒司机的同时，也提醒了我们广大机车市民3.4本方案的综合优点相对于前面介绍的几种现有的方案，我们的设计从引发事故的本质出发，从由于内轮差频频引发的惨剧的现象我们可以发现，避免事故发生的根本还是在于被受害者。我们在使司机得到提醒的同时，也要让行人或者电动车变被动为主动。让他们意识到危险的存在显得至关重要。而我们的方案正是很好的体现了这一点，更加全面的做到了这点，同时利用语音提示，很好地解决了方案三中在晴天光照很强的情况下人的肉眼根本无