汽車防碰撞設(shè)計管理論文

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摘要

近年來，我國道路交通安全形式越來越嚴(yán)峻，在眾多的交通事故中，以追尾碰撞與超車側(cè)向碰撞事故這兩種類型最為常見。如果能夠在事故發(fā)生前提醒駕駛員并采取一定的安全措施，對減少交通事故的發(fā)生則是非常有用的，汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)正是基于提高車輛的主動安全性來實現(xiàn)在行車過程中，給駕駛員提供必要的技術(shù)設(shè)施。

本文在安全跟車模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了系統(tǒng)構(gòu)成，并給出了初步的設(shè)計方案。對車載測距技術(shù)進(jìn)行了綜合比較，確定系統(tǒng)采用毫米波多普勒雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器和紅外線傳感器分別對前、后和側(cè)向車間距離、兩車相對速度和角度進(jìn)行測量；在結(jié)合各種防碰原理的基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)分為主控單元子系統(tǒng)、測距子系統(tǒng)、信息采集單元子系統(tǒng)和顯示-聲光報警子系統(tǒng)四個部分，并確定了實現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的關(guān)鍵技術(shù);在安全距離的基礎(chǔ)上，對主控單元子系統(tǒng)和測距子系統(tǒng)進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計，解決了系統(tǒng)功能所需要的關(guān)鍵技術(shù)。

車輛防撞技術(shù)作為智能運輸系統(tǒng)的一個子課題，將不斷成熟和完善，防撞系統(tǒng)的應(yīng)用可以縮短車輛間的安全行車距離，還可以實現(xiàn)安全超車，保證高速運行車輛的安全性，提高公路運輸效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：防撞預(yù)警；雷達(dá)；超聲波；紅外線；傳感器

英文摘要

Thetrafficsafetyconditionisbecomingmoreandmoreseriousinrecentyears,thestatisticshowsthatamongtheaccidentofhighwaytheRear-endCollisionandSideCollisionarefrequent.Ifthedriverscanbeinformedbeforetheaccidentstakeplace,thesafetylevelwillbeimprovedgreatly.Thehighwayvehicleanti-collisionwarningsystemissuchatechniquebasedontheinitiativesecurityofautomobilewhendriving

Basedonthemathematicmodelofautomobilesafefollowingdistance,thehardwareandsoftwareofthesystemarebuilt.Throughanintegratedcomparisonofdetectingtechniques,themillimeterwavefrequencymodulatedpulse-Dopplerradar、Ultrasonicsensorandinfraredsensorarechosen,whichcanmeasurethelengthwaysdistanceandtransversedistance,relativevelocityoftwovehiclesandazimuthatthesametime.Basedonreferencevarioustheoriesofanti-collisionwarningsystem,thesystemincludesfoursub-systems:themaincontrolunitofsub-system,measuringdistanceofsub-system,informationunitofsub-systemandmonitor,sound&lightalarmofsub-system.Basedonit,thekeytechnologiesinvolvedinthesystemaredetermined.Basedonthesafetydistancemodel,thesoftwareandhardwareofthemaincontrolunitofsub-systemandmeasuringdistanceofsub-systemaredesigned,thekeytechnologiesissolved.

Vehicleanti-collisiontechniqueassub-itemofIntelligentTransportSystemwillgrowupandbeperfectinfuture.Itwillshortenthesafespacebetweencarheads,actualizethesafeovertakingandguaranteevehiclesafety,soitwillhelptoincreasetransportefficiencyandkeepeconomicfastgrowth.

Keyword:anti-collisionwarningsystem;radar;ultrasonic;infrared;sensor

1.1選題意義和背景

汽車業(yè)與電子業(yè)是世界工業(yè)的兩大金字塔，隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越來廣泛，汽車電子化的程度越來越高。汽車電子技術(shù)是汽車技術(shù)與電子技術(shù)想結(jié)合的產(chǎn)物。汽車上的電器與電子控制系統(tǒng)在汽車技術(shù)進(jìn)入機(jī)電一體化階段的今天，地位極為重要，正在汽車技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展成為一門獨立的分支學(xué)科，其性能的優(yōu)劣直接影響到汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、排放干凈、及舒適性等。電子控制技術(shù)在汽車上，首先應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃油消耗控制與排放進(jìn)化與排放控制，接著被應(yīng)用于底盤部分的控制，以提高行駛的穩(wěn)定性、安全性、與舒適性等。隨著交通運輸向高密度發(fā)展，電子控制技術(shù)又進(jìn)一步應(yīng)用于汽車的乘坐安全性和導(dǎo)航等方面。

電子技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了增強汽車的安全、舒適和方便。應(yīng)用的電子技術(shù)主要有：電子控制安全氣囊，智能記錄儀，雷達(dá)式距離報警器，中央控制門鎖，自動空調(diào)，自動車窗、車門、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充電器等。近年來汽車的自動調(diào)速系統(tǒng)，主動式汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測和自診斷系統(tǒng)以及汽車導(dǎo)航系統(tǒng)也得到了廣泛的應(yīng)用。

在過去20~30年中，人們主要把精力集中于汽車的被動安全性方面，例如，在汽車的前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼四周安裝某種彈性材料、在車內(nèi)相關(guān)部位安裝各種形式的安全帶及安全氣囊等等，以減輕汽車碰撞帶來的危害。安裝防撞保險杠固然能在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無法消除對被撞物體的傷害；此外，車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時不一定能有效地保護(hù)車內(nèi)乘務(wù)員的安全。所有這些被動安全措施都不能從根本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問題。如果從預(yù)防撞車事故的發(fā)生的角度著眼，在提高汽車主動安全性方面下功夫，則可在汽車安全性領(lǐng)域有較大的突破。

汽車發(fā)生碰撞的主要原因是由于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物）的距離與汽車本身的車速不相稱造成的，即距離近而相對速度又太高。為了防止汽車與前方物體發(fā)生碰撞，汽車的車速就要根據(jù)與前方物體的距離變化由執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使汽車始終在安全車速下行駛。這樣就會大大提高汽車行駛的安全性，減少車禍的發(fā)生。

發(fā)展汽車防撞技術(shù)，對提高汽車智能化水平有重要意義。據(jù)統(tǒng)計，危險境況時，如果能給駕駛員半秒鐘的預(yù)處理時間，則可分別減少追尾事故的30%，路面相關(guān)事故的50%，迎面撞車事故的60%;1秒鐘的預(yù)警時間可防止90%的追尾碰撞和60%的迎頭碰撞。理論上，汽車防撞裝置可在任何天氣、任何車速狀態(tài)下探測出將要發(fā)生的危險情況并及時提醒司機(jī)及早采取措施或自動緊急制動，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于遙測技術(shù)監(jiān)視汽車前方和后方的車輛、障礙物，并根據(jù)當(dāng)時的車速自動判斷是否達(dá)到危險距離，及時向司機(jī)發(fā)出警告，必要時還可進(jìn)行自動關(guān)車、自動緊急剎車。

汽車要避撞就必須憑借一定的裝備測量前方障礙物的距離，并迅速反饋給汽車，以在危急的情況下，通過報警或自動進(jìn)行某項預(yù)設(shè)定操作如緊急制動等，來避免由于駕駛員疲勞、疏忽、錯誤判斷所造成的交通事故。目前，大家都將防撞技術(shù)的關(guān)鍵點著眼于車輛測距技術(shù)。

1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

鑒于交通事故的不可預(yù)測性和不可絕對避免性，為了減少交通故，優(yōu)化交通秩序，利用計算機(jī)及信息技術(shù)來提高道路交通安全和效率已成為國內(nèi)外研究的熱點。二十世紀(jì)八十年代以后展開的關(guān)于智能交通系統(tǒng)的研究，被認(rèn)為是解決各種交通問題的一個很好的途徑。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)以及計算機(jī)處理系統(tǒng)有效地應(yīng)用于整個運輸管理體系，使人、車、路環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而建立一個全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)。其中智能車輛系統(tǒng)涉及到計算機(jī)測量與控制、計算機(jī)視覺、傳感器數(shù)據(jù)融合、車輛工程等諸多領(lǐng)域。視覺系統(tǒng)在智能車輛中起到環(huán)境探測和辨識作用。與其他傳感器相比，機(jī)器視覺具有檢測信息量大，單純以當(dāng)前的現(xiàn)實條件出發(fā)解決，容易導(dǎo)致系統(tǒng)實時性差。在實際應(yīng)用中可使用多個攝像機(jī)，或者利用高速攝像機(jī)的多幅連續(xù)圖像序列來計算目標(biāo)的距離和速度。還可根據(jù)一個攝像機(jī)的連續(xù)畫面來計算車輛與目標(biāo)的相對位移，并用自適應(yīng)濾波對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以減少環(huán)境的不穩(wěn)定性造成的測量誤差。在智能車輛領(lǐng)域，除視覺傳感外，常用的還有雷達(dá)、激光、GPS等傳感器。

利用信息感知、動態(tài)辨識、控制技術(shù)與方法提高的主動安全性，是先進(jìn)汽車控制與安全系統(tǒng)（AVCSS）的主要研究內(nèi)容.世界各大汽車公司、大學(xué)在政府的支持下，都在開展這方面的研究與開發(fā)工作。日本各大汽車制造企業(yè)如豐田、日產(chǎn)、馬、本田、三菱等公司，為實現(xiàn)其運輸省提出的發(fā)展"先進(jìn)的安全汽車(ASV)計劃"致力于新型安全汽車技術(shù)研究開發(fā)，并取得了重要的進(jìn)展。豐田汽車公司使用毫米波雷達(dá)和CCD攝像機(jī)對本車的距離進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)兩車距離小于規(guī)定值時，系統(tǒng)將發(fā)出直觀報警信號提醒本車駕駛員。日產(chǎn)汽車公司使用緊急制動勸告系統(tǒng)，利用先進(jìn)的車距監(jiān)測系統(tǒng)對跟車距離進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)需要減速或制動時，用制動燈亮來提醒駕駛員，并及時監(jiān)測駕駛員操縱駕駛踏板的踏踩狀態(tài)，必要時使汽車的自動制動系統(tǒng)前起作用降低車速，在最危險時刻自動制動。本田公司使用具有扇形激光束掃描的雷達(dá)傳感器，即使車輛在彎道行使也能檢測到本車與前方汽車或障礙物的距離降到規(guī)定值時，駕駛員仍未及時采取相應(yīng)措施，便發(fā)出警告信號。三菱和日立公司在毫米波雷達(dá)防撞方面也做了大量的研究，其雷達(dá)中心頻率主要選擇60~61GHz或76~77GHz,探測距離為120米，尼桑公司為41LV-Z配備了自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用毫米波雷達(dá)作為探測器，為巡航駕駛提供了判斷依據(jù)。

德國和法國等歐洲國家也對毫米波雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行了研究，特別是奔馳、寶馬等著名汽車生產(chǎn)廠商，其采用的雷達(dá)為調(diào)頻毫米波雷達(dá)（FrequencyModulationContinuousWave）,頻段選擇76~77GHz。如奔馳汽車公司和英國勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車防撞報警系統(tǒng)，探測距離為150米，當(dāng)測得的實際車間距離小于安全車間距離時，發(fā)出聲光報警信號。該系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。

美國的汽車防碰撞技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，福特汽車公司開發(fā)的汽車防碰撞系統(tǒng)的工作頻率為24.725GHz,探測距離約106米。據(jù)說該系統(tǒng)理論上能根據(jù)轉(zhuǎn)彎的角度信息自動適應(yīng)路面的轉(zhuǎn)彎情況，僅探測本車道內(nèi)車輛的信息，從而可避免旁車道上目標(biāo)物的影響。戴姆勒-克萊斯勒公司的防撞結(jié)構(gòu)主要是兩個測距儀和一個影像系統(tǒng)，她能夠測出安全距離，發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，計算機(jī)能夠自動引發(fā)制動裝置。戴姆勒-克萊斯勒公司的實驗結(jié)果顯示，車速以每小時32.18公里/小時的速度行駛，在距離障礙物2.54cm的地方停下來。

我國汽車防碰撞系統(tǒng)的研究開發(fā)同國外發(fā)達(dá)國家相比，存在較大差距，近幾年相繼有一些科研院所、大專院校和公司廠家進(jìn)行此方面的研究。近距離報警如倒車?yán)走_(dá)現(xiàn)已蓬勃地車輛上安裝使用，但國內(nèi)目前生產(chǎn)的中遠(yuǎn)距離測量普遍達(dá)不到要求，表現(xiàn)在最遠(yuǎn)測距距離近，測距誤差大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足高速公路的安全車距離要求，需進(jìn)一步研究。

本課題，不是直接測量距離，而是從測量車與車之間相對速度的角度出發(fā)，研究利用雷達(dá)激光測距、超聲波測速及其它相關(guān)技術(shù)來預(yù)測高速行駛車輛的后碰及側(cè)碰問題，實現(xiàn)報警，從而避免事故發(fā)生。

本次研究主要針對汽車防撞系統(tǒng)，對前面開發(fā)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了改進(jìn)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:

1.汽車縱向防撞系統(tǒng)的總體設(shè)計

完成汽車防撞系統(tǒng)的總體設(shè)計，把整個系統(tǒng)劃分成四個分工不同的子系統(tǒng)，并確定實現(xiàn)總體方案所需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.汽車防撞安全距離模型的確定

結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)要求和車輛的行駛情況，對課題組以前提出的安全距離跟車模型進(jìn)行了改進(jìn)，使其具有更好的可靠性和實用性，對模型中的個別參數(shù)進(jìn)行重新選取，使模型及模型的參數(shù)選取更加合理。

3.進(jìn)行汽車防撞系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計并解決關(guān)鍵技術(shù)

在以前研究的基礎(chǔ)上，重新對汽車防撞系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，提高了系統(tǒng)的實時性，并且電路中硬件器件全部采用貼片封閉形式，提高硬件系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。本論文中著重論述了主控單元子系統(tǒng)和雷達(dá)工作數(shù)據(jù)發(fā)送單元的硬件設(shè)計，解決了汽車防撞系統(tǒng)中的雷達(dá)測距系統(tǒng)這一關(guān)鍵技術(shù)，使該課題的研究從模擬實驗階段過渡到實車實驗階段。

4.按照系統(tǒng)的功能需求，制定了各子系統(tǒng)之間通訊的通訊規(guī)約，并用MCS-51匯編語言設(shè)計了系統(tǒng)的主控單元子系統(tǒng)軟件和雷達(dá)測距子系統(tǒng)中雷達(dá)通訊數(shù)據(jù)發(fā)送單元軟件。

5.在模擬實驗的基礎(chǔ)上，通過裝車實驗，驗證了系統(tǒng)所要求的各種性能。

1.3本文的主要工作和內(nèi)容安排

本文在第一章緒論中闡述了汽車防撞技術(shù)產(chǎn)生的背景及現(xiàn)實意義，主要研究內(nèi)容并對現(xiàn)有的防撞技術(shù)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，進(jìn)而提出本課題的研究思路和新穎所在;第二章主要闡述了測距傳感器的選擇，并且確定了三種測距方法；第三章進(jìn)行了報警系統(tǒng)防撞模型的建立;第四章進(jìn)行了硬件設(shè)計和實驗驗證;第五章為系統(tǒng)的軟件設(shè)計，第六章為結(jié)論與展望。

目錄

第一章緒論1

1.1選題意義和背景1

1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀2

1.3本文的主要工作和內(nèi)容安排5

第二章幾種測距方式的比較和選擇6

2.1激光方式7

2.2超聲波方式8

2.3紅外線方式9

第三章系統(tǒng)模型的建立10

3.1追尾防撞模型的建立10

3.1.1模型建立的理論依據(jù)10

3.1.2模型的建立12

3.1.3模型的討論17

3.1.4模型參數(shù)的討論18

3.2超車側(cè)向防撞模型的建立19

3.2.1模型的建立19

3.2.2模型參數(shù)的選擇26

3.2.3模型的最小轉(zhuǎn)角與最大轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)分析28

第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計30

4.1單片機(jī)的性能特點30

4.1.1單片機(jī)的選擇30

4.1.2MCS-51單片機(jī)的主要性能31

4.1.3單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計要求31

4.2追尾碰撞報警系統(tǒng)硬件設(shè)計32

4.2.1測量距離通道的設(shè)計32

4.2.2測速通道的設(shè)計33

4.2.3開關(guān)量輸入通道的設(shè)計34

4.2.4轉(zhuǎn)向、油門、制動信號的采集35

4.2.5聲光報警的設(shè)計36

4.2.6顯示裝置的設(shè)計39

4.2.7電源設(shè)計43

4.2.8電路板的電源保護(hù)裝置和電源的抗干擾的設(shè)計44

4.2.9"看門狗"電路的設(shè)計44

4.3系統(tǒng)主要傳感器47

4.3.1毫米波雷達(dá)傳感器48

4.3.2超聲波傳感器53

4.3.3紅外線傳感器55

4.3.4霍爾車速傳感器55

4.3.5轉(zhuǎn)向角度傳感器59

4.3.6制動踏板傳感器60

4.3.7油門傳感器61

4.3.8路面狀況選擇開關(guān)61

4.4系統(tǒng)總體電路圖64

第五章報警系統(tǒng)軟件程序的實現(xiàn)65

5.1系統(tǒng)報警方式65

5.2程序設(shè)計思想65

5.3程序的實現(xiàn)66

第六章結(jié)論與展望71

6.1結(jié)論71

6.2展望71

參考文獻(xiàn)73

附錄76

本論文中雖然對安全距離模型進(jìn)行了改進(jìn)，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)和細(xì)化，采用一定的控制理論和算法，使模型更具有科學(xué)性、可靠性和可操作性。本系統(tǒng)現(xiàn)階段只是就危險情況實現(xiàn)了向駕駛員報警，事實上由于駕駛員的反應(yīng)性有差異及注意力不集中、疲勞駕駛等因素的存在，有時未必能及時采取減速、剎車等措施，因此系統(tǒng)下一步的目標(biāo)是實現(xiàn)自動剎車的功能，使駕駛員的安全更有保障。

（1)本系統(tǒng)只是在理論上討論了汽車防碰撞的問題，由于實驗設(shè)備和時間問題還沒有進(jìn)行實驗。

(2)本系統(tǒng)還應(yīng)該進(jìn)一步在復(fù)雜天氣(雨、雪、大霧)，潮濕、冰雪路面上進(jìn)一步測試，驗證系統(tǒng)的設(shè)計功能。

(3)在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，使車輛的舒適性和主動安全性得到提高.

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