一种基于红外传感器的车道偏离预警器的制作方法

[0001]
本实用新型涉及机车驾驶技术领域，特别涉及一种基于红外传感器


背景技术：

[0002]
车辆在高速直线行驶的情况下，司机因为疲劳驾驶、注意力不集中等原因造成车道偏离原有行驶轨迹，进而引发交通事故的情况频繁发生。而车道偏离系统是驾驶辅助系统的重要组成部分，通过声音等形式来辅助驾驶员减少因车道偏离而引起的道路交通事故，具有重要的现实意义。
[0003]
目前，国内外学者针对车道偏离问题的研究主要分为三个方面，一是基于车道线识别，通过在车辆上安装摄像头对前方道路进行识别，如李福俊等基于改进的hough变换运算识别跟踪车道线，能够实现多种环境道路中车道线的识别和偏移判断。二是基于决策算法判定车辆是否偏离，如秦洪懋基于车辆转向结构参数和驾驶人脸转向特征构建车道偏离的方向控制模型，将驾驶员行为与车辆相应特性相结合，具有误警率低、适应性强等优点。三是主动转向干预，通过对车辆未来行驶方向的预测，判断是否进行转向干预。
[0004]
上述这些车道偏离预警系统侧重于以图像处理的方式检测车辆是否发生偏离，却忽略了对车辆特性的研究，故现行的车道偏离预警方案普遍存在复杂性高、适应性差的缺点。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的目的在于解决背景技术部分存在的问题，从而简单有效的实现车道偏离预警。
[0006]
为实现以上目的，本实用新型采用一种基于红外传感器的车道偏离预警器，包括讯响器、放大器、三极管和安装在车辆方向盘主轴上的红外光电传感器一，方向盘主轴部分区域贴有黑色胶带作为第一黑色轴区，在车辆正向行驶时，所述红外光电传感器一正对该第一黑色轴区；红外光电传感器一的输入端接在所述放大器的正相输入端和电压输出端之间，红外光电传感器一的输出端接在所述放大器的反相输入端和电压输出端之间；所述放大器的输出端接入所述三极管的基极，所述三极管的发射极与所述讯响器连接，所述三极管的集电极接地。
[0007]
进一步地，所述红外光电传感器一的发射管和接收管分别对应第一黑色轴区的边缘，所述第一黑色轴区的长度为圆心角10
°
所对应的弧长。
[0008]
进一步地，所述第一黑色轴区的两侧对称设置有白色轴区，白色轴区的长度为圆心角5
°
所对应的弧长，并将方向盘主轴剩余区域贴有黑色胶带。
[0009]
进一步地，还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电路、第五电阻、发光二极管和电容；
[0010]
所述第一红外传感器包括红外发光二极管和光敏三极管，红外发光二极管的正极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端连
接在红外发光二极管的负极，第二电阻与第三电阻并联，第二电阻的另一端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端分别接入所述放大器的正相输入端和光敏三极管集电极，所述放大器的反相输入端与第一电阻连接，光敏三极管的集电极和发射极之间连接有所述电容，光敏三极管的发射极接入所述放大器的电压输出端，所述放大器的输出端依次与所述第四电阻的一端和第五电阻的一端连接后接入所述三极管的基极，第四电阻的另一端和第五电阻的另一端之间连接有所述发光二极管。
[0011]
进一步地，还包括红外光电传感器二和单片机，所述红外光电传感器一和红外光电传感器二均安装在所述方向盘主轴上且与所述第一黑色轴区的两边缘位置分别对应，所述红外光电传感器一和红外光电传感器二的输出端分别与所述单片机的输入端连接，单片机的输出端与所述讯响器连接。
[0012]
进一步地，所述方向盘主轴上除所述第一黑色轴区之外的部分贴有白色胶带。
[0013]
进一步地，所述单片机的型号为stc89c51。
[0014]
进一步地，所述红外光电传感器一和红外光电传感器二的型号均为txrt500。
[0015]
与现有技术相比，本实用新型存在以下技术效果：由于红外光电传感器发射管在黑色轴区内发射出的红外线会被黑色胶带吸收掉，无法反射回来，因此其输出的是高电平，没有下降沿，讯响器不启动。随着方向盘的转动，若红外光电传感器进入白色轴区，则红外光电传感器的接收管会接收到红外线，其输出为低电平，存在下降沿，讯响器启动，进行车道偏离预警。本方案基于红外光电传感器，并在车辆方向盘主轴周身上贴有黑色胶带和白色胶带，形成黑色轴区和白色轴区，利用红外光电传感器在黑色轴区内发射的红外线会被吸收掉的特定，有效区分车辆当前是否偏离原有行驶轨迹，准确提醒驾驶人员；且本方案无需改变车辆原有电路，成本低廉且实用性较强。
附图说明
[0016]
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述：
[0017]
图1是一种基于红外传感器的车道偏离预警器的电路结构示意图；
[0018]
图2是车辆行驶模型示意图；
[0019]
图3是红外光电传感器一的安装示意图；
[0020]
图4是红外光电传感器一和红外光电传感器二的安装示意图；
[0021]
图5是另一种基于红外传感器的车道偏离预警器的电路结构示意图；
[0022]
图6是车道偏离预警器的预警流程示意图。
具体实施方式
[0023]
为了更进一步说明本实用新型的特征，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本实用新型的保护范围加以限制。
[0024]
如图1所示，本实施例公开了一种基于红外传感器的车道偏离预警器，包括：讯响器、放大器、三极管和安装在车辆方向盘主轴上的红外光电传感器一，方向盘主轴部分区域贴有黑色胶带作为第一黑色轴区，在车辆正向行驶时，所述红外光电传感器一正对该第一黑色轴区；红外光电传感器一的输入端接在所述放大器的正相输入端和电压输出端之间，红外光电传感器一的输出端接在所述放大器的反相输入端和电压输出端之间；所述放大器
的输出端接入所述三极管的基极，所述三极管的发射极与所述讯响器连接，所述三极管的集电极接地。
[0025]
本方案中将红外光电传感器嵌入式安装在传动轴上，并对传动轴的结构进行适当加固，为了达到更好的报警效果以及更小的噪音干扰，讯响器部分安装在车内，如方向盘上。并通过在车辆方向盘主轴周身上贴有黑色胶带和白色胶带，形成黑色轴区和白色轴区，利用红外光电传感器在黑色轴区内发射的红外线会被吸收掉的特定，有效区分车辆当前是否偏离原有行驶轨迹。
[0026]
需要说明的是，本实施例中的讯响器也可更换为led灯等，以进行报警指示。
[0027]
进一步地，如图1所示，该车道偏离预警器还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电路、第五电阻、发光二极管和电容；
[0028]
所述第一红外传感器包括红外发光二极管和光敏三极管，红外发光二极管的正极与第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端与第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端连接在红外发光二极管的负极，第二电阻与第三电阻并联，第二电阻的另一端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端分别接入所述放大器的正相输入端和光敏三极管集电极，所述放大器的反相输入端与第一电阻连接，光敏三极管的集电极和发射极之间连接有所述电容，光敏三极管的发射极接入所述放大器的电压输出端，所述放大器的输出端依次与所述第四电阻的一端和第五电阻的一端连接后接入所述三极管的基极，第四电阻的另一端和第五电阻的另一端之间连接有所述发光二极管。
[0029]
需要说明的是，车辆行驶模型如图2所示，本实施例首先给出影响设计因素的几个关键数据，参见表1：
[0030]
表1
[0031]
影响设计因素的关键数据
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高速公路主车道宽度 3.75米轿车车身宽度 1.8米车身宽度 2～2.5米轿车方向盘打死偏转角度 450度(一圈半)轿车前轮转向最大角度 32～45度车方向盘直径 38厘米
[0032]
如图2所示，以轿车为例：时速为120km/h，1秒钟行驶距离约为33米。b级轿车的宽度为1.8米，则车道侧宽度小于1米。若ae、cf代表轿车1秒钟行驶的距离为33米，bf＝de小于1米，在如图所示的两个对称三角形中，根据直角三角形勾股定理可知：cb≈cf，ae≈ad，显然cos∠bcf＝cos∠ead≈1，∠bcf≈∠ead≈0
°
。从以上推论中得：方向盘角度稍有偏差就有可能使高速行驶的车辆在1秒内偏离自己的行车轨道。假设方向盘偏转1
°
，根据表中方向盘偏转角度和轿车前轮转向最大角度的关系为10：1，所以此时车轮偏转角度为10
°
，此时车辆已经偏离原轨道，即方向盘偏转的危险角度为10
°
。
[0033]
本方案中通过设置红外光电传感器一和讯响器，并将红外光电传感器一安装在方向盘主轴上，在车辆沿原有轨道正常行驶时，第一红外传感器正对的主轴周身区域贴上黑色胶带，作为所述第一黑色轴区，第一黑色轴区的长度为圆心角10
°
所对应的弧长，红外光电传感器一的发射管和接收管分别对应第一黑色轴区的边缘。如图3所示，方向盘主轴上安
装的红外光电传感器一，其发射管和接受管分别正对着直线cf与dg，黑色胶纸的长度为圆心角10
°
为所对应的弧长，也即图中所示的∠cad所对应的弧长。弧cd长度为：
[0034]
本实施例利用红外光电传感器一发射管在黑色轴区内发射的红外线会被吸收掉的特性，无法反射回来，因此输出的是高电平，没有下降沿，不会启动讯响器。若传感器进入白色区域，即超过方向盘偏转的危险角度10
°
，则接受管会接收到红外线，输出为低电平，有下降沿，因此启动讯响器。整个车身只需安装红外光电传感器，即可识别车辆是否偏离，安装方便，易于推广。
[0035]
进一步地，第一黑色轴区的两侧对称设置有白色轴区，白色轴区的长度为圆心角5
°
所对应的弧长，并将方向盘主轴剩余区域贴有黑色胶带。
[0036]
具体地，如图3所示，首先列出图3中的主要参数：由之前计算可知，方向盘偏转10
°
即为危险角度，但在实际行驶过程中，若在方向盘向左或者向右偏转了10
°
之后才报警，已经没有意义，因为此时的车辆已经偏离原有轨迹1m之远，所以将两边设计的报警角度各缩小为5
°
，也即图中的∠cad＝10
°
，∠cak＝∠dak＝5
°
，∠bac＝∠dae＝5
°
。
[0037]
方向盘偏转过10
°
之后可能就是司机进行正常转向或变道操作，此时不应该报警，则再在ei与bh之后的所有轴区贴上黑色胶带。
[0038]
进一步地，上述实施例公开的车道偏离预警器虽然可有效识别车辆行驶是否偏离车道，但是却无法识别车辆的偏转方向，在车辆进行正常转向或者变道操作时，传感器会先进入白色轴区，此时车道偏离预警器会先进行报警，等到第一红外传感器进入黑色区域之后才停止报警。而且在车辆完成转向或变道之后复位方向盘时，车道偏离预警器仍先报警再停止报警。为了解决上述实施例方案中，车辆在正常转向操作或复位时仍报警的问题，需要能识别车辆偏转方向的功能，因此，本实施例中设置了红外光电传感器一、红外光电传感器二和单片机，红外光电传感器一和红外光电传感器二均安装在所述方向盘主轴上且与所述第一黑色轴区的两边缘位置分别对应，所述红外光电传感器一和红外光电传感器二的输出端分别与所述单片机的输入端连接，单片机的输出端与所述讯响器连接。
[0039]
具体地，红外光电传感器一和红外光电传感器二的型号均为txrt500，单片机的型号为stc89c51。
[0040]
进一步地，如图5所示，安装有两个红外传感器的车道偏离预警器的电路结构与图1类似，但在接收反馈信息(高低电平)时，取消原有的三极管的设计，改用单片机，将两个电路的输出端分别接入单片机的两个输入端，单片机的输出端接在讯响器上。
[0041]
其中，汽车每次转向只能往一个方向，单片机采用异或运算可以同时考虑两个传感器的信号，单片机的作用是用于接收报警信号，区分正常与异常的转向行为，判断偏向的方向，允许驾驶员通过手动调节报警信息，以免由于误差导致的正常转向报警情况。
[0042]
如图4所示，即在cf、be两边各安装一个红外光电传感器，并利用单片机通过异或操作来实现报警，如图6所示，即红外光电传感器一和红外光电传感器二都处于黑色或白色区域时，讯响器不报警，如果红外光电传感器一和红外光电传感器二处于不同的区域即一个光电传感器处于黑色轴区，另一个光电传感器处于白色轴区，讯响器报警。通过单片机进行简单的异或操作即可得知偏转的方向。
[0043]
本实施例公开的另一种基于红外传感器的车道偏离预警器与上述的预警器原理大致相似，但是使用了双传感器设计并引入单片机，使功能更加的丰富以及人性化。为了保证功能的一致性、稳定性，两个传感器的电路设计仍然沿用第一种设计方案中的电路，但在最后接收反馈信息(高低电平)时，取消原有的三极管的设计，改用单片机，将两个电路的输出端分别接入单片机的两个输入端，单片机的输出端接在讯响器上。单片机的功能包括接收报警信号，区分正常与异常的转向行为，判断偏向的方向，允许驾驶员通过手动调节报警信息，以免由于误差导致的正常转向报警情况。
[0044]
优选地，本实施例中还包括语音播报芯片，语音播报芯片的输入端与所述单片机输出端连接，在单片机判断出车辆的偏转方向时，可通过语音播报芯片来提醒司机偏转方向。
[0045]
需要说明的是，首先根据实验验证，车辆在进行转向操作时最高时速不能超过30km/h，则方向盘的角速度约为20
°
/s，加入延时判断500ms，500ms内方向盘转的角度为10
°
。此时两个传感器均可在延时时间500ms内同时进入白色区域，报警器不启动；若车辆是非正常偏离，方向盘的角速度较慢，两个传感器不能在延时时间内同时进入白色区域，则启动报警器。
[0046]
因此，如图4所示，只要在车辆沿原有轨迹正常行驶时，方向盘处于原始状态时，两只传感器正对着的轴区贴上黑色胶条，其他地方全部贴上白色胶条即可。本实施例主要是为了保证正常转向或转向后复位时不启动报警器。
[0047]
需要说明的是，本实施例中在方向盘主轴上安装了两个红外光电传感器，能够识别出车辆是左偏还是右偏，能够在车辆进行正常转向和转向后复位时不进行报警，但相较于上述安装一个红外光电传感器的方案，成本稍高。
[0048]
在实际应用中，本方案相较于传统采用图像传感器进行图像处理方式检测车辆是否发生偏离相比，本方案采用红外光电传感器，取材方便且微功耗，成本低廉，在不影响系统准确性的前提下节省了大量成本。而且本方案只需通过红外光电传感器即可检测出方向盘主轴的变化角度，在运行时几乎不受天气、湿度、路况等诸多外界复杂因素的影响。
[0049]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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