随着中国物流量的加大,大型货车数量也迅猛增加。由于大型货车的车身较长,转弯时其前后轮的运行轨迹不同,形成较大的内轮差,由此产生危险区域,进入这个区域的行人和非机动车很容易被车身后半部卷入,导致严重的交通事故。据不完全统计,在大型车辆发生的恶性交通事故中,内轮差引发的事故占70%以上,绝大多数发生在车辆右转弯时,事故死亡率高达90%以上[1]。
由汽车内轮差而导致的汽车转弯时的危险区域常被司机与行人忽视,因此基于汽车内轮差的警示装置,需要完成以下功能:1)警示装置需要让司机在转弯时消除视觉盲区,提高车辆运行警戒意识,通过转向盘的转动角度、制动等控制消除危险区域存在的安全隐患。2)警示装置能对汽车转弯时内轮差危险区域实施有效标识,当汽车在行进转弯时警示灯开启,照亮车辆转弯内轮差引起的危险区域,让行人与车辆适时识别内轮差危险区域,进而实施规避行动,远离危险区域。3)警示装置能解决目前通过转向灯与相应的语音提示警示的不精确性,在车身两侧都能通过安装的警示灯来提高警示设置功能的效果。
大货车在任何环境下转弯都存在内轮差,这要求内轮差警示装置结构必须在任何情景下均能发挥警示作用,由此警示装置的结构应具备以下特点:1)通过信息采集模块、系统控制模块与组织结构模块实现装置系统与真实世界的联系,即整个装置警示识别功能要适应大货车任何转弯环境,如雨雪天气、山区、城市、昼夜等。2)警示装置对危险区域外部传达必须符合行人与其他车辆驾驶员的认知特点,在选用具有高警示度的信号作用于人们的认知心理的同时,也要符合人们的安全认知诉求与人性化心理需求。3)警示装置只是汽车构造中一个小的功能模块,既要实现自身功能需求,做到性能良好、安全耐用、美观合理,又要与汽车其他部件衔接以构成完整的汽车构造运行系统,因此要做到衔接紧凑、操作便捷、灵活高效。
警示装置设计需要完成警示灯的触发及关闭、警示灯照射区域的确定及警示灯的控制设计。
根据转向灯的工作原理,将警示灯的触发电路设计成并联电路。一条线路与转向灯相连,在驾驶员开启转向灯的同时警示灯也亮起;另一条线路与转向盘相连,若驾驶员未开启转向灯,则可通过传感器监测转向盘转动角度来控制警示灯亮起。当完成转向后,若转向灯开启就通过自动回位系统使转向灯和警示灯一同熄灭;若转向灯未开启,则根据传感器监测使警示灯熄灭。
图1以前轮转角为变量的内轮差计算Fig.1Calculationofinnerwheeldifferencewithfrontwheelangleasvariable
基于以上假设,汽车转弯时的内轮差可以表示为m=r1-r2,m;在三角形OCD中r1=l/(sinθ),r2=l/(tanθ),从而得到内轮差m与前轮转角θ之间的关系公式为:
m=(l(1-cosθ))/(sinθ)。(1)
将遮光板通过线路与转向盘相联,随着转向盘的转动而移动一定的距离,把不需要的光线遮挡住,余下部分的光线就能射到地面上照射出内轮差的区域范围。首先需要确定汽车前轮转角θ与遮光板移动距离的关系。汽车前轮转角θ在汽车转弯过程中是不断变化的,从0到最大值再到0;内轮差的区域也随着汽车转弯从小范围到最大范围,再到小范围,最终为零,所以相应的遮光板移动距离从0到最大值再回到初始状态。其次需要将遮光板角度与传动相连。经过测试和计算,不同汽车的转向传动比(转向盘转向程度与车轮转向程度之比)是不同的。轿车的转向传动比在10:1和24:1之间,即转向盘转动10°到24°,车前轮转动1°;大货车的转向传动比在14:1和35:1之间。选择大货车作为研究对象,并认为大货车的转向盘转动角度在0°到900°之间,分别按照14:1和35:1的传动比计算可以得到相应的大货车前轮转动角度在26°到64°之间,所以选取转向盘转动角度与前轮转角比为15:1,若转向盘转动角度0°～540°,则前轮转角θ对应的角度是0°～36°。由此,通过转向盘转角控制车轮转向范围,再由转向盘转角连动遮光板的位移,标识危险区域。
图2警示灯位置Fig.2Warninglightposition
表1以前轮转角为变量内轮差计算Table1Calculationofinnerwheeldifferencewithfrontwheelangleasvariable
表2转向盘转动角度和遮光板移动距离的关系Table2Relationshipbetweenrotationangleofthesteeringwheelandmovingdistanceoftheshadingplate
图3控制系统设计流程Fig.3Designprocessofcontrolsystem
在信号执行与处理系统中选用单片机和步进电机作为主要部件。单片机将从传感器传来的电信号转换成计算机语言,经过存储处理后再将信号传递给执行系统执行相应指令,进而在汽车转弯时对遮光板移动进行动态调节,使步进电机将电信号转变为遮光板的线位移,使得遮光板可以不断地移动,从而达到预定的照射效果。
图4警示装置模型示意Fig.4Diagramofwarningdevicemodel
颜色具有进退性,暖色为前进色,冷色为后退色。人们把容易产生较近距离感的颜色,如红色和黄色等称为前进色,而产生较远距离感的颜色,如蓝色和绿色称为后退色[11]。相对后退色而言前进色的视认性更佳。因此,警示装置宜选用前进色(暖色)灯光。在暖色中,红色起到突出强调的作用,容易引起人们的注意,使行人能够快速意识到危险。在现有的交通标志标线中,大部分警示标志都采用了红色的文字或图像,因此当警示灯启用时,行人也能遵循自己的固有心理,从而避开红色灯光覆盖的危险区域。
基于行车环境,普通灯光在阳光下、雪地里、水坑表面等条件下无法被行人及非机动车准确识别,难以明确标识并传达出危险区域,而激光具有单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等优点[15],不会受恶劣天气条件的影响,因此选用满天星式激光灯,可使照射区域为平面,能在地面上清晰地投影出危险区域范围,易于行人和车辆的辨别;且激光的穿透力强,在白天和雨雾天气也能照射出清晰的内轮差范围。
使用遮光板能够将多余的光遮住,从而使得呈现出的投影是内轮差危险区域标识所需要的形状,并与内轮差区域吻合;同时通过遮光板随着转向盘的转动而动态地移动,可以实现在车辆不同转弯半径的情况下,照射范围随着车辆运动状态而改变,更贴近于实际,适用率大为提高。通过比较并考虑到生产的简易性和可操作性,警示装置选取椭圆作为遮光板的初始线型,在生产应用中可根据具体的汽车类型进行设计修改。黑色碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能,而且其高温力学性能是已知陶瓷材料中最佳的[13]。由于遮光板需要吸收激光将光能转换为热能,遮光板的材料应具有良好的耐高温性和耐久性。因此,遮光板材料选择黑色碳化硅陶瓷,不仅能够有效地遮住部分激光,而且耐高温、寿命长、价格低廉。
图5警示灯效果示例Fig.5Diagramofwarninglighteffect
为了检验警示装置设计的可行性与效用,即警示装置在内轮差区域内准确地传达危险信号,对行人或其他机动车辆实现明确的警示功能,笔者对骑行人员作访谈调研,受访者认为,基于汽车内轮差警示装置的设计能够更准确地标识汽车,尤其是货运汽车转弯时的危险区域,起到更为直观与准确的警示作用。
基于汽车内轮差的警示装置可在很大程度上减少汽车转弯时交通事故的发生,而且该装置选材实用、价格低廉、适用车型较多,因此有较好的推广前景。在实际应用中还可以加入现有研究和专利中的内轮差报警装置,即通过红外感应监测内轮差区域中的人和物体并发出声音警告,以提醒转弯车辆的驾驶员减速慢行。若将本装置和报警器相结合,不仅使行人和车辆提前预知危险区域,而且还能使已经处在危险区域中的行人和车辆通过光和声的警示及时撤离,同时转弯车辆驾驶员也能一并减速行驶甚至停车,这样就更加全面地保障了行人和车辆的安全。