一种车辆防碰撞预警及自动刹车系统

一种车辆防碰撞预警及自动刹车系统
张 甜 - . 陈德海 /
（ 江西理工大学 江西 -+ 机电工程学院； /+ 教务处， 赣州 ,*’""" ）
摘
要： 运用通讯技术、 控制技术和交通流理论， 研究了一种基于超声波测距和单片机控制的车
辆防碰撞预警及自动刹车系统，并且在降低系统虚警率、误警率和系统参数设置等方面作了相 关研究， 该系统能够减少最具代表性、 事故发生率最高的追尾碰撞事故的发生， 同时可以提高交 通运输效率 + 关键词： 追尾碰撞0 自动刹车 0 预警 中图分类号： 1*#,+ #&， 23&&( 文献标识码： 4
收稿日期：!""# $ "% $ !& 作者简介：张 （’()% $ 甜 ） ， 女， !""* 级硕士研究生 +
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安全跟车车距计算模型
在汽车行驶过程中， 当驾驶员感知紧急制动信
号后， 制动过程分以下几个时间阶段 . 即驾驶员反 应动作时间 !"、制动协调时间 !#、减速度增长时间 汽车停车距离简化模型为 !$ 和持续制动时间 !%， ’（ !$ ’! ( !" e !# e ） ’’ e ,+ # ! !&*! 其中 ! 为路面附着系数， ’’ 为刹车前车辆速度 + &停d
求得， 即
) &) 0 &’ , & ’ ) &’ 可由跟车距离在时间间隔 ( /$ 内的微分求得，
即 1# ( 1& ) &’ ) ( /$ 式中5 1# 为前一时刻测得的的跟车距离； 1& 为下一
第 $% 卷第 & 期
张
甜等： 一种车辆防碰撞预警及自动刹车系统
!"
时刻测得的跟车距离； ( !" 为测量时间间隔 ’ #’ (’ # 转向角传感器 该传感器采用的是一个行程开关， 来检测车辆 是否处于弯道行驶以及超车状态， 以确定是否实行 警报抑制 ’ 其原理是使行程开关和汽车的转向杆 处于联动状态， 当汽车在高速公路上行驶遇到弯道 时， 驾驶员一般不会拨动转向杆， 这时汽车虽然处 于弯道行驶状态， 但考虑到高速公路设计的线形特 点， 其转弯半径较大， 因此由护栏所引起的虚警较 少， 故可以近似地认为车辆处于直线行驶状态 ’ 只 有在进出高速公路或超车时， 驾驶员才会拨动转向 杆， 相应地便会触发行程开关， 从而得到一个开关 信号， 控制单元会据此信号判断出车辆处于弯道行 驶或加速状态 ’ #’ (’ ) 制动踏板位置传感器 该传感器是用来检测车辆是否处于制动状态的 ’ 为了系统的简化，直接采集了制动灯信号 ’ 当驾驶员 采取制动措施，将脚移动到制动踏板上产生压力后在 点亮制动灯的同时， 便可得到一个开关信号 ’ #’ (’ ! 路面情况选择开关 此开关用来为系统选择 # 种典型路面情况的 附着系数 ’ 系统工作时， 由驾驶员根据当时的实际 路况进行选择后， 系统便将此参数代入安全跟车距 离计算模型进行计算 ’ #’ $ 中央处理单元 随着电子技术的发展， 单片微型机以其价格低 廉、 性能可靠和功能强大等特点， 得到了广泛的应 用， 主要用于测控系统、 智能仪表、 机电一体化产品 和智能接口等， 尤其是新一代 * 位单片微型机 ’ 考虑到本测控系统所需实现的功能并力求降 低成本，中央处理单元采用了一个 * 位 +,- . !( 单片微型机 / ) 0 ’ 它将信息采集单元收集到的各种信 息， 以实用安全跟车距离计算模型为基础进行加工 处理， 并向警报输出单元输出控制信号 ’ #’ # 警报输出单元及其它装置 本系统警报输出单元仅由一个警报蜂鸣器构 成， 主要是为了降低系统的成本而省去了一些其他 不太重要的结构， 如音量调节装置、 距离显示装置 等 ’ 但为了实验的需要， 在实验产品中设置了距离 和速度显示装置 ’ 当中央处理单元通过分析计算 确定前方存在碰撞事故隐患时， 便会启动警报， 提 醒驾驶员注意采取必要的减速操作 ’
) 前车速度 &) 可通过两车相对速度 & ’ 按下式
图&
超声波测距原理
所以，只要测量出超声波传播的时间 "，就可 以得出测量的距离 *+
*
系统方案设计
该系统利用车载传感器探测车辆前方潜在碰
撞隐患， 并向驾驶员发出警报以保持适当的安全跟 车距离，防止车辆与车辆、车辆与其它物体或车辆 与行人之间的追尾碰撞 + 因为具有一定的预警功 能， 将有效地减少事故发生率 + 超声波能判断和测 试驾驶者的车辆在另一辆车后多远以及相对车速 + 如果车辆之间达不到安全距离， 可以用声音警告驾 驶员， 以保持车辆之间的安全距离和合适的跟车速 度 + 该系统的另一优点是车队可以以很小的间距 和均匀的速度在车道上行驶， 这样在不发生拥挤效 应的情况下， 在相同的车道空间内， 可具有更高的 车流密度 + 同时， 在一些不必要的场合， 警报应当被抑制 + 从安全的角度讲，任何可能发生碰撞的情况下都要 报警， 但如果驾驶员因频繁的警报提示而烦躁时， 他 可能会将系统关掉 + 因而在转弯行使、 低速行使、 制 动行使、 等距离匀速行使等情况下， 应将不必要的警 报抑制 + 图 # 为系统结构框图，系统由信息采集单元、 中央处理单元、 报警及刹车输出单元三部分组成 +
第 !) 卷第 # 期
江西理工大学学报
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超声波测距原理与方法
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超声波测距原理图如图 & 所示， 根据超声波测 距原理和方法知测距装置和被探测物之间的距离 & * ) 3 4 +" + # 式中： + 为超声波的传播速度； " 为超声波从发射到 接收所需要的时间 + *+ &
图#
系统结构框图
信息采集单元 信息采集单元为系统的前向通道， 由测距传感
器、 速度传感器、 转向角传感器、 制动踏板位置传感 器和路面情况选择开关组成， 其功能主要用来采集 路况和车辆的运行状态等信息 + *+ &+ & 测距传感器 根据安全跟车距离计算模型， 准确测定自车与 前车间距是实现系统任务的首要条件 + 在国外七、 八十年代开发的类似系统中， 普遍将微波雷达用于 测距 + 但这些雷达系统的主要问题是由位于路旁 的护栏、 灯柱等物体引起的虚警率太高， 而且微波 雷达因其天线太大、 费用太高及无线电法规较难获 准等问题， 不具有实用性 + 在本系统中， 本着实用、 价格低廉的原则， 将价格便宜、 体积小、 实用性强的 超声波测距装置 ’ * ( 用于报警系统 + *+ &+ # 速度传感器 自车速度 &’ 2 由装在自车上的车速传感器测 得 + 车速传感器采用单脉冲开关型霍尔效应式车 速传感器， 将其与汽车里程表驱动轴连接， 该轴通 过软轴与汽车的变速箱第二轴后端的车速里程表 驱动涡轮轴连接 + 汽车行驶时，第二轴每转动一 周， 传感器便输出一个电脉冲 + 将传感器输出的脉 冲电压信号送给信息处理单元， 便可计算出当前自 车速度， 即 #",,.( / 式中5 ,, 为轮胎的滚动半径6 - 为时间( " 内获得 的脉冲信号数 6 . 为主减速器的减速比 + &’ )
/ ( 0 李晓霞， 李百川， 侯德藻， 等 ’ 汽车追尾碰撞预报警系统开发 （# ） 研究 / 1 0 ’ 中国公路学报， ： $22( ， () $# . $!’ （第 # 版 ） / + 0 ’ 西安： / $ 0 丁鹭飞， 耿富录 ’ 雷达原理 西安电子科 技大学出版社， $22$’ / # 0 3456786 ,’ ,9::6;’ <=>9?4@67A >=7B >9 9C>9656D>79B86A :97 A4:6>6 / 1 0 ’ $22(I J (2 K L #$ . #&’ E4A67 F9D=A G97(H ， / ) 0 黄再银， 李丽 ’ 单片机应用系统中的干扰抑制技术 / 1 0 ’ 电子 （(( ） 产品世界， ： $22$ ， )& . )*’
图# 程序流程图
!
结
论
本文综合利用传感器技术、 电子、 计算机通讯 及单片机测控等技术， 对车辆防追尾碰撞预警系统 做了研究， 该系统能够减少最具代表性、 事故发生 率最高的追尾碰撞事故的发生， 同时可以提高交通 运输效率 ’ 本系统在开发研究的过程中由于受到 时间、 经费和实验条件的限制， 加之本文作者在一 些方面知识的欠缺， 经验的不足， 还存在一些缺陷， 尤其在超声波测Baidu Nhomakorabea精度和实现方面还有待于进一 步的研究和深化 ’ 参考文献：
"
引
言
测， 根据安全跟车模型测算和程序控制， 系统辨识 到存在交通碰撞事故隐患时及时发出声光报警提 醒司机， 甚至在极度危险时自动刹车 + 车辆行使安 全预警及自动刹车系统对于减少交通事故、 促进交 通安全、 提高交通效率有着极大的现实意义 +
高速交通运输时代的到来， 在促进经济发展和 给人民生活带来极大便利的同时 . 却使交通安全管 理面临前所未有的挑战 . 交通事故正严重地威胁着 人民的生命财产安全 + 所有的交通事故中. 汽车碰 撞事故 5 包括车车碰撞和车与固定物碰撞 R 是主要 形式 . 约占交通事故的 #" b c )" b + 而汽车碰撞 事故大多是因为行车速度过快. 行车间距过小 . 刹 车不及时等因素造成 . 这种事故尤其在司机疲劳驾 驶、 注意力不集中等状态和雨、 雪、 雾等天气条件下 最容易发生 + 因此预防和控制交通事故的有效措 施之一， 就是在汽车行使速度超过预设界限时， 系 统自动对本车前方一定范围内的情况进行时时探
!" 析得安全跟车车距计算模型为：
江西理工大学学报 根据停车距离简化模型和实际跟车状况
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主控程序设计
系统主控程序流程如图 # 所示 ’