车用智能多信息融合安全警示喇叭＊

向尧，李军政*，2，罗熠，胡显明，王强，于永波

（1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术中心，湖南 长沙 410128）

1 前言

随着汽车保有量和需求量的增加，道路交通安全问题也引起了广泛关注，汽车在行驶过程中尤其是交通堵塞时，扑鼻使用鸣喇叭的方式来互相警示，因而由鸣喇叭造成的噪声污染和引发的安全隐患日益严重，亟待解决[1]。通过政策性导向提倡城市用车节能减排，噪声排放污染得到一定程度的缓解，但是由此带来缺少必要警示喇叭[2]的安全隐患也随之增加。因而噪声减排与安全隐患增加成为一个难以调和的矛盾。

通过本项目产品，可以显著降低城市道路车辆噪声污染，保证喇叭的警示作用的同时，还延长了喇叭的使用寿命，该产品融合声、光、色等多路感官信息向路上其他驾驶员传递警示信号，在车内便能接受到信息，提高汽车道路行驶安全性能，并且集成行车辅助与多媒体娱乐等功能，增加汽车的科技感和驾驶乐趣。

2 整体设计方案

2.1 系统组成

该产品系统主要包括超声波测距模块、GPS定位模块[3]、信号收发模块、信号处理模块、车内显声模块等组成部分。

2.2 工作原理

通过超声波测距模块和GPS定位模块，测得两车之间的距离、相对方位，将其进行数据处理后经信号发射模块发送出去。周边车辆通过信号收发模块接收到信号后，将源车辆的声音信号和方位信号进行还原，然后打包向周围车辆发送信号，当周围车辆接受信号并通过数字信号接收模块将数字信号输入到单片机。单片机将数字信号处理成对应数字模拟信号，然后反馈到喇叭模块以及显示模块。接下来根据信号持续的时间是否满足，从而车内喇叭发出声音，显示屏上显示两车的方位，并可发出语音提示发出信号的车辆方位。该产品将喇叭警示信号通过装置中各模块传感信号传递到其他车辆的驾驶室内，并转变为光、声、色等多路感官警示信息，达到降低车外噪声排放的同时提高安全警示效果。

测试喇叭声在空气中传播最远距离，然后通过算法将数字信号转换成对应的模拟信号，最后实现信号的转移，让喇叭模块发出声音。如下图中A为一辆普通小轿车，r为A鸣喇叭时声音所能传递的范围半径，B、C、D、E、F、G为分布在A车周围的车辆。假设：K为声损系数，FB为A所发出的声音强度（分贝），则现实场景模拟如图1所示。

设其中任一辆距离目标车辆X米车辆内部喇叭声音分贝计算公式：

E、F分别在A车的前后，且不在A车喇叭传播范围内，B、C、D、G都在A车喇叭声的传播范围内，由上述公式可计算：

传递到B、C、D、G车喇叭声音分贝数分别为：

FBb=FB-Lab*K；

FBc=FB-Lac*K；

FBd=FB-Lad*K；

FBg=FB-Lag*K；

图1 喇叭声在空气中传播场景模拟图

2.3 系统工作流程

本文设计的智能多信息融合安全警示喇叭工作流程如图2所示，当司机按下警示喇叭，声音信号转化为距离、方位等信号，并发送到附近其他车辆，其他车辆内部警示系统对外来信号进行判断并执行。若为本车自身发出的警示信号，则不执行。若为其他车辆发出的警示信号，判断是否在范围内，以及按喇叭的时间是否大于设定时间，若同时满足，则执行鸣喇叭和显示车辆方位，若没能同时满足，则只执行显示车辆方位。

图2 智能多信息融合安全警示喇叭工作原理图

3 主要模块设计

3.1 测距定位模块

该模块利用超声波测距传感器。其基本工作原理为超声波回波测距原理：给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离[4]。

该实验产品选用的超声波测距模块可提供 2cm-4.5m的非接触式距离感测功能，运用精确的时差测量技术，检测传感器与目标物之间的距离，精确到小角度，小盲区。表1为该传感器电气参数。

表1 超声波测距传感器电气参数

3.2 信号处理模块

信号转换模块构成包括：A/D信号转换器、微型处理器（单片机）、拟声器。该实验产品选用的是STC89C52单片机，其工作电压：5.5V～3.3V，工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz，共3 个16 位定时器/计数器，利用该超声波测距模块进行路面喇叭信号接收的模拟仿真[5-6]。

3.3 显示模块

该实验产品选用TFT彩色液晶显示模块[7]，其工作电压为3.3V，模拟场景中喇叭声反馈形式如图3所示。

A为信号测定发射装置，B、C、D、E车内都装有喇叭拟声器，最大半径r为信号有效范围。其中，r的取数根据原车喇叭声扩散的最大距离而定。

图3 模拟场景中喇叭声原理图

经过信号接收、转换、再由显示模块显示，B车中喇叭拟声器模块将A车发出的反馈信号复原为B车原有的FBb分贝数，变成清晰安全的喇叭提示声和拟人语音通报声，同时显示屏通过颜色差异的方式显示道路上车辆的远近，通过多种方式向目标车传递附近车辆相对方位和距离的信息。例如图4中红色车辆C，车速较快正在进行超车，A车将获得警示提示信息，从而提高驾驶员对道路的警示效果。

4 结论

本文在不影响汽车其他设备使用的基础上对喇叭的功能进行了绿色环保、安全智能的优化。缓解车外噪声污染排放的同时，提供多路感官信息以提高行车安全警示效果，功能独立模块化[8]，与现车无缝兼容连接，既不影响原车使用功能，也易于实现标准化，且兼具多功能拓展性，集成光、声、色的警示信号显示，增强汽车科技感，结构简单，成本低廉，具有较大的现实意义和市场价值。

[1] 李岳林.汽车排放与噪声控制[M].人民交通出版社,2015.

[2] 高兰兰.汽车警示喇叭基本性能测试系统研究[D].哈尔滨理工大学,2013.

[3] 于洪林.郭爱煌.一种基于GPS定位数据的测距方法[D]，2011 .

[4] 邹轶.近距离高精度超声波测距系统的设计[D].大连理工大学,2009.

[5] 罗江,户永清.51单片机多任务机制的实现策略研究[J].四川文理学院学报,2008,(02):82-84.

[6] 凌跃,马东平.仿真技术——AVSIM-51模拟仿真软件[J].电机电器技术,1990,(03):24-46.

[7] 毛学军,沙祥.一种基于MSP430单片机的彩色TFT液晶显示模块的应用[J].电子世界,2010,(01):15-17.

[8] 夏明忠,夏以轩,李兵元.软件模块化设计和模块化管理[J].中国信息界,2012,(11):56-59.