汽车自动防撞系统设计综述

汽车自动防撞系统的设计
前言:
近年来，随着我国经济和道路交通的迅猛发展，国内汽车保有量逐年在增长，2009年我国汽车共销售1364万辆，已经成为全球第一大新车市场。

我国是世界上交通事故死亡人数最多的国家之一，从二十世纪八十年代末中国交通事故年死亡人数首次超过五万人至今，中国(未包括港澳台地区)每年发生交通事故50万起，因交通事故死亡人数均超过1 0万人，已经连续十余年居世界第一。

2009年，中国汽车保有量约占世界汽车保有量的百分之三，但交通事故死亡人数却占世界的百分之十六，汽车交通安全已经成为公共安全问题中举足轻重的问题按汽车工业发展的趋势看，有关部门预计到2020年我国的汽车保有量将超过两亿辆，如果到时现有交通管理体制没有大的变化，由此带来的汽车交通安全问题将更加突出。

目前,已提出许多方案用来降低追尾事故的发生,通过阅读相关文献和对有关方法的比较,笔者提出了一点初步想法:防撞系统的核心内容就是实时测距及实时侧速,目前的方法有超声波法,毫米波雷达法和激光测距法等,这三种方法各有优缺点,又有论文提出基于视觉的防撞系统具有合理性和可行性,而FPGA可实现实时图像采集功能,并且FPGA本身具有现场可编程和集成度高的强大优势。

由此我们可以尝试开发基于FPGA的视觉防撞系统。

研究发展：
美国、日本、德国等欧美发达国家的汽车公司在二十世纪七十年代开始了安全实验车(Experimental SafetyVehicle)的研锘fl，同时在此基础上又进行了高水平汽车综合安全系统的研发，相继其他各国的汽车制造厂商和一些专业研究机构也开展了对汽车安全性的研究，并取得了一些突破性的进展和成果，汽车安全性技术的研究也逐渐从相关的汽车技术研究领域分离出来，形成了一个独立的分支。

汽3车防碰撞预警控制系统的研究也始于此时，它是一种安装在自车上的主动安全技术。

汽车防碰撞预警控制系统主要由测距传感器、车轮转速传感器、微机控制单元等组成，通过各种传感器，系统能实时探测自车的运行工况和行驶环境中的车辆、障碍物、行人等，再将测量获得的信息输入系统控制单元，经过系统的运算分析判断自车的行驶安全状况，当检测到自车会发生碰撞危险，能及时向驾驶员发出报警提醒，使驾驶员采取相应的措施来避免事故发生，如果报警提醒后驾驶员没能做出相应反应，系统将采取自动制动措施等来预防碰撞事故的发生。

日本自二十世纪七十年代开始，率先进行了对防碰撞系统的研究。

日本在追尾碰撞预警系统的研发上，第一代产品以手动操作为主，第二代产品才主要研发自动化控制，一些装有激光雷达和微波雷达测距的防／避撞控制系统
陆续被开发出来。

本田、富士重工、马自达、日产、丰田、三菱等日本汽车制造企业，在新型汽车安全技术的研究开发工作方面都并取得了很大的进展。

例如富士重工，该公司设计的车辆使用两个CCD摄像机3V信息系统，可以识别路线标记和障碍物，当前方目标到本车距离小于规定值时，便发出信号，自动制动，自动调节车速，以保持适当车距，也可用此系统监测车辆无意识规定路线偏移；三菱公司在车上用两个扫描激光雷达、几个摄像机以及6个方向上的被动光束传感器来确认危险状况，当车距小于规定值时，系统发出直观报警信号，如果驾驶员未及时采取措施，系统将按最佳方案触发转向、制动装置来避免碰撞。

欧洲在1986年，由德国奔驰汽车公司发起，开始了所谓的“普罗米修斯”计划。

随着电子信息技术的飞速发展，汽车防／避撞控制系统的研究开发也获得了较大的进步，特别以德国和法国等为代表的欧洲国家在毫米波雷达防／避撞技术研究方面取得了突破性的进展，例如奔驰汽车公司已在Benz 600S级的轿车上安装了距离自动控制雷达，此装置可在40—160km／h速度范围内自动调节自车车速，当自车跟车距离过小时，自车将自动减速以避免追尾碰撞的发生。

但由于这些新技术普遍价格过高，在短期内难以进入普及型小汽车中。

相对于日本和欧洲来说，在汽车防撞技术的研究方面美国起步比较晚，但目前在防撞系统的研发上美国取得了较大的进步，并且已处于世界领先水平。

前向探测传感器的性能特点对汽车防／避撞控制系统的防撞效果起着很大的决定作用。

车载雷达探测和预警系统是美国在防撞预警技术的研发方面一个很成功例子，该系统上采用自动毫米波雷达，自动毫米波雷达成本较低，一次还可以跟踪二十个目标，这是一个将军事防御雷达技术转化为普通商业应用的典型实例。

加利福尼亚大学的研究工作者还对后向追尾碰撞预警控制系统进行了相关的研究，他们在自车上安装向后探测的追尾碰撞预警控制系统$1，当自车处于停止状态时，该系统使自车中央停车灯或制动灯闪烁以警告提醒后方行驶的车辆即将靠近停止的前车，后车驾驶员发现前车的朝后探测追尾碰撞预警系统报警提醒后，将做出相应的紧急措施，避免与前车发生追尾碰撞。

我国在汽车防撞控制系统的研究上起步较晚，与国际先进水平相比还有较大的差距。

我国交通运输相关方面的科学家和工程技术人员从上世纪90年代中期开始关注国际上智能交通系统(ITS)的发展，在国家相关政策的大力支持下，近些年来我国在汽车防撞控制系统的研究开发上也取得了不小的进步。

近年来，以清华大学、长安大学、国防科技大学、东南大学和吉林大学等为代表的科研院所在致力于对汽车防撞控制系统的研究。

国内目前研发的有关汽车防碰撞控制系统，主要有激光雷达自动防撞微机控制系统的研制、采用图像处理技术防止高速公路汽车追尾碰撞等，但这些都还未达到应于实际生活中。

现状评述：
与发达国家研发机构对汽车防碰撞控制系统高投入和系统性的研发相比，目前我国的科研院所对此系统的研发还只着眼于简单的安全性考虑，研制水平较低，所能实现的功能相对单一。

综上所述，国内外对汽车防撞控制系统的研制已经取得了很大的成果，但要理想降低交通安全事故的发生和减少事故中人员财产的损失，智能交通系统的发展完善，还需要全球各国科学家的共同努力。

而现有的技术有如下特点：
(1)超声波雷达测距方式
超声波测距原理简单、成本低、制作方便，但由于超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样，所以它在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性；另一方面是对于远距离的障碍物来说它的反射波过于微弱，使得灵敏度下降。

故超声波测距常用于短距离测距，最佳距离为4-5米，一般应用于汽车倒车防撞预警系统上。

一般来说，超声波测距仪整个系统的硬件系统主要由信号发送部分、信号接收处理部分、环境温度检测部分、距离显示及声光报警部分组成。

超声波测距的基本原理是由超声波发射器不断地发射出一定频率的超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器在接收到反射波信号后将其转变为电信号。

(2)毫米波雷达测距方式
雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定该目标位置的。

雷达的工作频率在3MHZ 到30GHZ的范围内，其对应波长从lmm到10mm，微波雷达为工作频率在30GHZ以下的雷达，而毫米波雷达为工作频率在30GHZ以上的雷达。

作为车载雷达，一般选用60GHZ、120HGZ、180GHZ 范围波段，其对应波长均为毫米级，故称毫米波雷达。

雷达经天线向空间发射一定重复周期的高频脉冲，如若遇到目标，则由目标反射回来的反射波将滞后于发射的高频脉冲一个时间差和一个频移(多普勒频移)Fa。

根据雷达可以测定这两个数据，并可依据公式计算断定目标的位置。

与30GHZ以下的微波相比，毫米波波长短，频率高，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角的幅度，从而减小由于不需要的反射所引起的误干扰和动作，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度较高，因而在汽车领域一般不使用微波而使用毫米波。

作为长距离传感器，与其它方式相比，毫米波测距具有以下特点：一是探测性能稳定，与光学相比，它不易受对象颜色和表面形状的影响，与超声波相比，它不受大气紊流的影响；二是环境适应性能较好，受雨、雪、雾、阳光、污染等的干扰较小，探测性能不易下降。

总之，用毫米波雷达测距，能探测多目标，分辨力好，探测精
度高，受天气影响较小，己达到实用水平。

目前，作为车载雷达的适用形式主要有双频CW，雷达脉冲多普勒雷达和FM雷达三种。

但存在电磁波干扰问题，必须防止雷达装置相互间以及其它通信设施的电磁波干扰而产生误动作。

目前毫米波雷达多是作为防撞雷达在汽车上应用，防止在高速公路上发生追尾碰撞。

(3)激光脉冲测距法
激光测距仪是一种光子雷达系统，它具有测量量程大、时间短、精度高等众多优点，在许多领域得到了广泛应用。

目前激光测距可以分为连续波相位测距和脉冲测距两种方式，连续波相位测距是采用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，然后再根据调制光的波长，换算出相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光往返所需的时间。

相对脉冲测距而言，连续波相位测距的精度较高，一般情况下可达到微米级别，但连续波相位测距法成本高、电路复杂，考虑到汽车防撞系统中，不需要太高的测距精度，所以一般不在此应用。

激光脉冲测距是利用测量往返脉冲间隔时间，获知距离。

测时方法是在确定时间之间用时钟脉冲计数，该方法可以获得很高的测量时间精度。

由激光发射器产生一个作用时间为几纳秒、发射角为几毫弧度的激光脉冲经光学系统射向被测目标，经由目标漫反射后返回到接收系统，通过测量主波脉冲和回波脉冲之间的时间差可计算出被测距离。

发展前景预测：
21世纪的汽车将走向智能汽车之路，集先进的信息处理技术，计算机技术，通信技术，电控技术，全球卫星定位技术，传感器技术及多传感器信息融合技术等高技术于一身的智能防碰撞系统。

并通过优化设计，提高系统的测量精度和可靠性，使驾驶员能够轻松，安全，有效的驾驶车辆，在紧急情况下能够实现对车辆进行自动制动，从而减少碰撞事故的发生。

当然要想实现这个宏大目标，第一步是先开发出基于视觉的避碰系统。