电动自行车防追尾紧急避险制动的研究设计

电动自行车防追尾紧急避险制动的研究
设计
摘要：通过对道路安全的考虑和对电动汽车及摩托车等观察，为了降低电动自行车因追尾而造成交通事故频率，今对事故多发传统型电动自行车进行创新改进，设计并实现基于Arduino控制板控制的车头、车尾改进的防追尾紧急避险制动装置。

搭配51单片机、L298n 电机驱动模块、超声波测距传感器、红外传感器等组成简易模型系统。

进行调试，最终实现在电动自行车上安装简易防追尾紧急避险制动装置模型。

关键词：Arduino；传感器；电动自行车安全
Abstract:through the consideration of road safety and observation of electric cars and motorcycles, in order to reduce the electric bicycle accidents caused by crash frequency, today accident accident traditional electric bicycle innovation improvement, design and implementation based on the Arduino control front, the rear improved collision emergency safety braking device. With 51 single-chip microcomputer, L298n motor drive module, ultrasonic ranging sensor, infrared sensor and other simple model system. Conduct debugging, and finally realize the installation of simple anti-collision emergency safety brake device model on the electric bicycle.
Key words:Arduino; sensor; electric bicycle safety
引言
近年来，电动自行车交通事故也是层出不穷，驾驶人员和行人的安全都存在较大隐患。

电动自行车作为在非机动车道内行驶的车辆，而非机动车辆恰好人流量大，那么可以认为是事故高发率的原因之一，所以其制动性能优劣直接关系到骑行者以及行人的生命财产安全。

因此，电动自行车防追尾紧急避险制动的研究车辆安全行驶的重要保障。

非机动车交通事故频发，其中追尾事故占比超50%，为降低此类交通事故而通过观察汽车避险等装置，利用Arduino原理及一些简单零件设备对日常电动自行车改进设计防追尾紧急避险装置。

利用Arduino芯片控制器控制舵机和毫米波雷达的监控反馈，通过声光传感器来构建一个简单的系统来实现这个改进[1]。

本文基于Arduino控制板设计紧急避险制动电动自行车模型的系统方案，来实现电动自行车正常行驶过程中防追尾紧急避险装置[2]。

1.模型总体构架
1.主要构成
Arduino智能小车模型，它是由车底板、控制主板、电子模块和车轮组成。

除标准件，其他组成材料为PVC，优点使用方便、经济实惠、无污染。

1.车体结构
智能小车的制动原理是通过超声波、红外传感器来检测小车前方是否出现障碍物，并给予Arduino控制板信息，再由电机驱动控制直流电机的运转[3]。

基本结构主要包括以下几部分:
(1)传感器循迹模块:设计超声波传感器与红外传感器两部分组成；当被检测物体出现在检测范围内，制动安全距离s小于规定设置时超声波和红外线通过反射至接收器，启动语音播报实现对障碍物进行有效识别及提醒，实现循迹；
(2）直流电机模块:通过设置占空比的方波改变舵机转过的角度大小，由于舵机力矩大，响应速度快的特点，被用于模型小车的转向装置中[4]；
(3）电机驱动模块:通过系统传递的控制信号和专用电路提供驱动来控制电机常规运转；
(4）Arduino控制板模块:全小车模型的控制中心，型号为51单片机；
(5）电源模块:提供直流电机稳定运行的能量来源。

1.硬件连接
通过几个主要模块控制小车的运动方式，传感器循迹模块；直流电机模块；电机驱动模块；以及Arduino控制板模块和电源模块。

3.1电源模块
对小车电池电压设置在6V左右，并对电池损耗和维持稳压情况进行测试，使用低压差稳压芯片来测试。

为避免对单片机干扰造成较大误差，采用分开供电的模式。

3.2Arduino控制板模块
单片机是小车的控制中心，设计单片机系统使模型小车平稳运行，在设计过程中考虑调试扩展的需要加入单片机系统中，按要求将全部IO口引出，并调试集成LED显示、蜂鸣器等外围组件模块[5]。

为确保系统稳定供电，设置合适的单片机电源供能。

3.3超声波传感器和红外传感器
设计中采用超声定位接收器和红外一体式发射接收器，在外接的电路检测电路电阻的大小的前提下，来确定模型与障碍物之间的距离。

整个模型通过接收反射的红外光波长和超声波接收时间来警报和制动，进而提前规避障碍物。

3.4直流电机模块
模型小车转向的控制由舵机机构来实现，由舵盘、直流电机、位置反馈电位计、减速齿轮组、控制电路等几部分组成。

系统模块的工作原理，由控制电路板
传输控制信号来控制模型电机转动，由模型电机转动来带动齿轮组转动。

同时位
置反馈电位计会被带动，即时输出电压信号，控制电路板接收到信号来决定电机
的转动方向和速度，实现对目标进行控制。

通过改变电机的工作电压大小来改变
电机的转速快慢，电压越高，其转速越快；电压越低，其转速越慢[6]。

3.5后轮电机驱动模块
后轮小车驱动采用L298N电机驱动模块来实现基本操作
1.模型车运动方式控制
本次设计的防追尾警报系统以ABS控制系统、Arduino单片机为核心构架，
通过软件控制来实现运动控制。

由红外接收和发射电路、信号调节电路、中央控
制器、键盘和状态指示电路组成总遥控器。

遥控器用于调整和接收外部红外信号，同时转换为电信号。

在检测、整形和放大后，CPU以8位为单位对每个采样点的
二进制数据进行采样，并分别存储在指定的存储单元中。

控制状态后，CPU从指
定单元读取二进制数据，并将其串行输出到信号保持电路[7]。

同时，调制电路调
制信号，放大调制信号，并通过红外发射器传输，实现设备功能的控制。

L298N电机可以通过改变启用端口的高电平持续时间来控制模块的输出电压。

比如现在有一个直流电机接在电机驱动模块的输出A上，通过IN1、IN2控制它
为正转，ENA使能端的短路帽是短接一起的，此时的电机速度是没有经过PWM调
速的，输出A的电压会一直保持最高的电压，电机的转速也会一直保持最高。

PWM的周期是一个固定值，在一个周期里面有两种电平为高电平t2和t3，
t2+t3=t1。

我们改变一个周期里面高电平所需要的时间，以此来控制速度的调节。

ABS系统可以防止车轮被抱死所发生侧滑和甩尾，电子控制式ABS由轮速控
制器、电子控制单元和液压控制部分组成[8]。

轮速传感器是ABS系统的关键部分，它可以测量车辆的轮速，脉冲环与车轮转动的同时，霍尔元件与电极之间的一点
间隙会发生速度变化，磁通量会发生周期性递减，车轮轮速与脉冲信号成正比例，脉冲信号会传递至电子控制器ECU中，实现ABS控制系统的电子式
[9]。

1.Arduino程序设计及应用
4.1整体程序设计
在设计整体程序中，首先对初始条件进行设置，进入循环系统，然后在循环结构中对数据进行接收和处理、执行设置命令、对数据进行收集和发送。

当循迹模块接收到返回的红外线光谱时，会将光谱发送到Arduino系统，Arduino对光谱进行分析后得到与周围物体的距离，转换为相应的数据，然后将数据转换为可执行的命令，输入到舵机转向模块，进行转向操作，或者输入至ABS控制系统，进行紧急制动。

程序流程图如图1所示。

4. 2光谱分析程序
Arduino根据已有的算法，先对物体的远近进行判断，再计算与物体相对速度的改变，计算结束后进行下一轮循环。

4.3转向模块
命令下达至舵机转向模块后，位于小车两边的红外装置开始工作，通过光谱分析判断左右物体大致情况，进行转弯或者输入至ABS控制系统紧急刹车[10]。

详细原理程序流程如图2所示。

1. 结论
基于对模型小车的测试及Arduino 控制板的检测完成整个紧急避险装置的设计，但就目前人力、物力的投入，实际运用于日常生活，是否真正能有效减低和规避电动自行车安全风险问题，有待进一步的测试和实践改进，使模型真正用于人们日常出行。

参考文献
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[3]张晓,张楠楠.基于麦克纳姆轮和Arduino的避障小车设计[J].现代电子技
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[4]王尊冉,庞俊腾,陈均健,裴宇,杜启亮.基于Arduino控制板的数据采集智能小车的控制系统设计与实现[J].计算技术与自动化,2017,36(01):66-73.
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[8]阮清松. 智能叉车防撞系统研究与试验[D].华南农业大
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