一种基于多传感器的客车防碰撞预警系统

总651期第九期2018年9月河南科技
Henan Science and Technology 一种基于多传感器的客车防碰撞预警系统
王文杰刘国兵陶磊王浩然王铭升孙文宇
（南京工程学院汽车与轨道交通学院，江苏南京211167）
摘要：为了解决客车侧面和正面碰撞问题，设计了一种可向驾驶员预先发出视听警告信号的探测装置，并建立安全距离模型，采用AJ-SRO4K 超声波传感器和毫米波雷达传感器作为探测设备，测算出客车与周围物体的相对距离。

中央处理模块将其与数据库里的安全值进行比较，并预判物体的运动轨迹，进而决定是否发出警报。

关键词：安全距离；传感器；运动轨迹；防碰撞预警
中图分类号：U436.6文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）25-0115-03
A Bus Anti-collision Warning System Based on Multi-sensor
WANG Wenjie LIU Guobing TAO Lei WANG Haoran WANG Mingsheng SUN Wenyu （School of Automotive &Rail Transit,Nanjing Institute of Technology ，Nanjing Jiangsu 211167）
Abstract:In order
to
solve
the problem of
side and
frontal
collision of passenger cars,a detection device was de⁃
signed,which could send out audio-visual warning signals to drivers
in advance.The
safe distance
model
was estab⁃
lished and the relative distance between the passenger car and the circumferential object was measured by utilizing the AJ-SR04K ultrasonic sensor and millimeter wave radar sensor as the detection equipment.The central process⁃ing module compares it with the security values in the database and anticipates the trajectory of the object to decide whether there was an alarm.Keywords:safety distance ；sensor ；motion trajectory ；collision warning
近年来，我国汽车保有量不断增加，给我国道路交通安全带来了严峻挑战，其中侧面碰撞事故仅次于正面碰撞事故的发生率，占事故总发生率的27%［1］。

汽车侧面防碰撞问题已成为世界性的热点话题。

我国日常城市交通运输中，客车占比巨大，所以研发客车侧面碰撞预警系统十分必要。

国内对汽车防撞预警技术的研究相比国外较晚，大多还处于试验或论证阶段，相关防撞产品较少。

1确定客车盲区本发明以金龙旅行客车（11500mm×2550mm×3670mm ）为研究载体，确定客车盲区。

盲区一：车两侧中段到驾驶室位置；盲区二：车头处1.2m 以下的物体；盲区三：车头左右侧前方45°；盲区四：客车的车尾。

2系统硬件设计2.1系统总体框架一种基于多传感器的客车防碰撞预警系统，其主要由电源模块、AJ-SR04K 超声波传感器、毫米波雷达传感器、车速检测模块、中央处理模块、预警模块、视频显示器及摄像头组成。

电源模块由车载蓄电池提供，是整个系统的供电装置，保证系统供电的稳定性。

AJ-SR04K 超声波传感器和毫米波雷达传感器是测距设备，其中2个AJ-SR04K 超声波传感器分别安装在客车两侧中段位置，2个毫米波雷达
传感器等间距安装在客车进气格栅处，分别将测得的数
字信号传输给中央处理模块。

车速检测模块通过CAN 总
线将本车车速传输给中央处理模块并及时更新。

中央处理模块由数字信号处理单元和数据存储单元组成。

数字信号处理单元根据毫米波雷达传感器的信号数据以及本车车速建立安全距离模型，算出不同状态下的安全车
距［2］。

当客车与前车距离在预警范围内时发出预警指
令。

数字信号处理单元根据AJ-SR04K 超声波传感器的信号数据算出本车与侧方车辆或行人的距离，多次测量
距离预判运动轨迹。

预警模块由蜂鸣器和指示灯组成，收稿日期：2018-08-10
基金项目：南京工程学院大学生科技创新基金项目（TB201811036）。

作者简介：王文杰（1996—），男，本科在读，研究方向：车辆工程。

交通与建筑
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当接收到中央处理模块不同程度的预警指令后，进行不
同程度的预警。

摄像头实时采集客车侧方盲区图像，通
过中央处理模块传输到视频显示器上。

系统的结构框架
如图1所示。

电源模块
AJ-SR04K超
声波传感器
77GHz毫米波
雷达传感器
车速检测模块摄像头视频显示器预警模块
中央处理模块
数字信号处理单元数据存储单元
图1系统结构框架图
2.2系统数据信号采集
AJ-SR04K超声波传感器和77GHz毫米波雷达传感器作为系统测距设备。

其中AJ-SR04K超声波传感器有效探测范围为2～800cm，探测角度为30°。

2个AJ-SR04K超声波传感器分别安装在客车两侧中段位置，将测得的数字信号传输给中央处理模块。

77GHz毫米波雷达传感器的有效探测范围是150～250m，2个77GHz毫米波雷达传感器等间距安装在客车进气格栅处，将测得的数字信号传输给中央处理模块。

车速检测模块通过CAN总线将本车车速实时传输给中央处理模块并及时更新［3］。

2.3系统电源模块设计
本系统所述电源模块由客车车载蓄电池提供。

客车车载蓄电池电压为24V，系统预警模块和各传感器所需的工作电压均为5V，本系统利用LM2576降压模块将客车车载蓄电池的电池电压24V降至所需要的数值，可有效为用电设备提供稳定的电压。

在为中央处理模块提供电源时，用电容与传感器并联，防止电源干扰。

2.4中央处理模块设计
本系统所述中央处理模块由数字信号处理单元和数据存储单元组成。

数字信号处理单元采用MCS-51单片机，这是一款应用较为广泛、设计较为简单的高性能8位单片机，具有速度快、成本低、功耗低等特点，足以满足系统所需的处理功能。

中央处理模块实时采用I/O口接收AJ-SR04K超声波传感器和77Ghz毫米波雷达传感器所发来的信号，经过处理，计算前车安全距离并预判侧方车辆或行人的运动轨迹，将运算结果传输至数据存储单元保存，以备后期计算时调用。

当存在安全隐患时，向预警模块发出不同程度的预警信号，提醒驾驶员采取制动措施。

摄像头与中央处理模块相连接，数字信号经过处理后，将侧方盲区内图像传输到视频显示器上。

2.5预警模块设计
本系统所述预警模块由蜂鸣器和指示灯组成，与所述中央处理模块相连接，接收所述中央处理模块发出的预警指令，发出预警信号。

蜂鸣器和指示灯安装在驾驶座的周围，通过声光来对驾驶员进行预警［4］。

当中央处理模块发出指示预警指令时，车内蜂鸣器发出间隔时间长且缓慢的报警声来提醒驾驶员；当中央处理模块发出中级预警指令时，车内蜂鸣器发出间隔时间短且较急促的报警声，同时指示灯一直闪烁黄光，提醒驾驶员减速；当中央处理模块发出危险预警指令时，车内蜂鸣器发出短而急促的报警声，同时指示灯一直闪烁红光，提醒驾驶员制动。

驾驶员可以通过不同程度的预警指令了解危险程度，及时采取制动措施。

同时，视频显示器和摄像头辅助预警模块，帮助驾驶员了解侧方盲区的实时情况，确认预警信息。

摄像头安装在客车两侧后视镜的下方，视频显示器安装在客车仪表盘的上方，分别与中央处理模块相连接。

摄像头将采集的信号经过中央处理模块处理后将客车侧方盲区图像实时显示到视频显示器上。

3系统工作流程
客车启动后，客车车载蓄电池为整个预警系统供电。

客车后视镜下方的摄像头实时将采集的客车侧方盲区图像显示到视频显示器上。

AJ-SR04K超声波传感器和77GHz毫米波雷达传感器将探测的数字信号传给中央处理模块，同时车速检测模块通过CAN总线将本车车速传给中央处理模块［5］。

77GHz毫米波雷达传感器探测的数据信号经过中央
处理模块处理后得到相对距离d，相对速度V
x
，结合本
车车速V
b
，车辆的最大减速度j max=g，带入安全车距公式算出与前车的安全距离S。

S=0.36V
x+V b+V x(2V b-V x)/25.92j max（1）各种因素会导致系统报警不准确：如果报警频率过高，会导致驾驶员疲劳麻木，过低则导致驾驶员不能做出有效反应。

因此，本系统依据车距d和动态的安全距离S 设置了三段报警机制。

当1.5S＜d≤2S时，中央处理模块发出指示预警指令，车内蜂鸣器发出间隔时间长且缓慢的报警声来提醒驾驶员。

当S＜d≤1.5S时，中央处理模块发出中级预警指令，车内蜂鸣器发出间隔时间短且较急促的报警声，同时指示灯一直闪烁黄光，提醒驾驶员减速。

当d≤S时，中央处理模块发出危险预警指令，车内蜂鸣器发出短而急促的报警声，同时指示灯上一直闪烁红光，提醒驾驶员制动。

AJ-SR04K超声波传感器探测的数据信号经过中央
一种基于多传感器的客车防碰撞预警系统
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处理模块处理后得到本车距离侧方车辆或行人的距离D ，设定安全距离为1.2m 。

当1.2＜D ≤3并且D 连续减小时，中央处理模块发出指示预警指令，车内蜂鸣器发出间隔时间长且缓慢的报警声来提醒驾驶员。

当D ≤1.2时，中央处理模块发出中级预警指令，车
内蜂鸣器发出间隔时间短且较急促的报警声，同时指示灯一直闪烁黄光，提醒驾驶员减速。

当驾驶员采取制动措施或者危险情况解除时，预警模块自动关闭。

系统工作流程图如图2所示。

4结语为了解决客车正面防碰撞的问题，本文通过建立安全距离模型，当客车距离前车过近时，内置程序发出不同程度的预警指令，提醒驾驶员及时采取措施。

为了解决客车侧面防碰撞的问题，设定侧面安全距离，当客车与侧方车辆或行人距离处于报警距离之内或者侧方车辆或行人即将处于客车行驶轨迹上时，通过警报，有效提醒驾驶员及时采取措施，避免发生侧面碰撞事故。

本文只是基
础性研究，建立的模型也只是较为简单的理想模型，要想使报警系统有更为准确地预警，还需要做大量的调查与试验，建立更为真实的数学模型。

参考文献：
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［5］游忍.基于毫米波雷达的汽车防碰撞控制算法研究［D ］.合肥：合肥工业大学，2017.D>3d>2S d>1.5S D>1.2d>S 开始
各传感器传输信号给中央处理模块
中央处理模块工作
获得V b 、V x 、d 、S 、D 是是否否否是是否否是指示预警指令中级预警指令指示预警指令中级预警指令危险预警指令预警模块工作
结束
图2系统工作流程图
一种基于多传感器的客车防碰撞预警系统。