汽車防碰撞設計管理論文

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摘要

近年來，我國道路交通安全形式越來越嚴峻，在眾多的交通事故中，以追尾碰撞與超車側向碰撞事故這兩種類型最為常見。如果能夠在事故發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生則是非常有用的，汽車防撞預警系統正是基于提高車輛的主動安全性來實現在行車過程中，給駕駛員提供必要的技術設施。

本文在安全跟車模型的基礎上，設計了系統構成，并給出了初步的設計方案。對車載測距技術進行了綜合比較，確定系統采用毫米波多普勒雷達傳感器、超聲波傳感器和紅外線傳感器分別對前、后和側向車間距離、兩車相對速度和角度進行測量；在結合各種防碰原理的基礎上，把系統分為主控單元子系統、測距子系統、信息采集單元子系統和顯示-聲光報警子系統四個部分，并確定了實現系統功能所需要的關鍵技術;在安全距離的基礎上，對主控單元子系統和測距子系統進行了軟、硬件設計，解決了系統功能所需要的關鍵技術。

車輛防撞技術作為智能運輸系統的一個子課題，將不斷成熟和完善，防撞系統的應用可以縮短車輛間的安全行車距離，還可以實現安全超車，保證高速運行車輛的安全性，提高公路運輸效率，促進經濟的快速發展。

關鍵詞：防撞預警；雷達；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

汽車業與電子業是世界工業的兩大金字塔，隨著汽車工業與電子工業的不斷發展，在現代汽車上，電子技術的應用越來越來廣泛，汽車電子化的程度越來越高。汽車電子技術是汽車技術與電子技術想結合的產物。汽車上的電器與電子控制系統在汽車技術進入機電一體化階段的今天，地位極為重要，正在汽車技術領域發展成為一門獨立的分支學科，其性能的優劣直接影響到汽車的動力性、經濟性、可靠性、安全性、排放干凈、及舒適性等。電子控制技術在汽車上，首先應用于發動機燃油消耗控制與排放進化與排放控制，接著被應用于底盤部分的控制，以提高行駛的穩定性、安全性、與舒適性等。隨著交通運輸向高密度發展，電子控制技術又進一步應用于汽車的乘坐安全性和導航等方面。

電子技術在汽車安全控制系統的應用主要是為了增強汽車的安全、舒適和方便。應用的電子技術主要有：電子控制安全氣囊，智能記錄儀，雷達式距離報警器，中央控制門鎖，自動空調，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速系統，主動式汽車防撞系統，汽車監測和自診斷系統以及汽車導航系統也得到了廣泛的應用。

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、在車內相關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，在發生車禍時不一定能有效地保護車內乘務員的安全。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生碰撞造成的問題。如果從預防撞車事故的發生的角度著眼，在提高汽車主動安全性方面下功夫，則可在汽車安全性領域有較大的突破。

汽車發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生碰撞，汽車的車速就要根據與前方物體的距離變化由執行機構進行控制，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，減少車禍的發生。

發展汽車防撞技術，對提高汽車智能化水平有重要意義。據統計，危險境況時，如果能給駕駛員半秒鐘的預處理時間，則可分別減少追尾事故的30%，路面相關事故的50%，迎面撞車事故的60%;1秒鐘的預警時間可防止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、任何車速狀態下探測出將要發生的危險情況并及時提醒司機及早采取措施或自動緊急制動，避免嚴重事故發生。汽車防撞裝置是借助于遙測技術監視汽車前方和后方的車輛、障礙物，并根據當時的車速自動判斷是否達到危險距離，及時向司機發出警告，必要時還可進行自動關車、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，通過報警或自動進行某項預設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，大家都將防撞技術的關鍵點著眼于車輛測距技術。

1.2國內外研究的現狀

鑒于交通事故的不可預測性和不可絕對避免性，為了減少交通故，優化交通秩序，利用計算機及信息技術來提高道路交通安全和效率已成為國內外研究的熱點。二十世紀八十年代以后展開的關于智能交通系統的研究，被認為是解決各種交通問題的一個很好的途徑。智能交通系統是將先進的信息技術、通訊數據傳輸系統、電子控制系統以及計算機處理系統有效地應用于整個運輸管理體系，使人、車、路環境協調統一，從而建立一個全方位發揮作用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統。其中智能車輛系統涉及到計算機測量與控制、計算機視覺、傳感器數據融合、車輛工程等諸多領域。視覺系統在智能車輛中起到環境探測和辨識作用。與其他傳感器相比，機器視覺具有檢測信息量大，單純以當前的現實條件出發解決，容易導致系統實時性差。在實際應用中可使用多個攝像機，或者利用高速攝像機的多幅連續圖像序列來計算目標的距離和速度。還可根據一個攝像機的連續畫面來計算車輛與目標的相對位移，并用自適應濾波對測量數據進行處理，以減少環境的不穩定性造成的測量誤差。在智能車輛領域，除視覺傳感外，常用的還有雷達、激光、GPS等傳感器。

利用信息感知、動態辨識、控制技術與方法提高的主動安全性，是先進汽車控制與安全系統（AVCSS）的主要研究內容.世界各大汽車公司、大學在政府的支持下，都在開展這方面的研究與開發工作。日本各大汽車制造企業如豐田、日產、馬、本田、三菱等公司，為實現其運輸省提出的發展"先進的安全汽車(ASV)計劃"致力于新型安全汽車技術研究開發，并取得了重要的進展。豐田汽車公司使用毫米波雷達和CCD攝像機對本車的距離進行動態監測，當兩車距離小于規定值時，系統將發出直觀報警信號提醒本車駕駛員。日產汽車公司使用緊急制動勸告系統，利用先進的車距監測系統對跟車距離進行動態監測，當需要減速或制動時，用制動燈亮來提醒駕駛員，并及時監測駕駛員操縱駕駛踏板的踏踩狀態，必要時使汽車的自動制動系統前起作用降低車速，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定值時，駕駛員仍未及時采取相應措施，便發出警告信號。三菱和日立公司在毫米波雷達防撞方面也做了大量的研究，其雷達中心頻率主要選擇60~61GHz或76~77GHz,探測距離為120米，尼桑公司為41LV-Z配備了自適應巡航控制系統，該系統利用毫米波雷達作為探測器，為巡航駕駛提供了判斷依據。

德國和法國等歐洲國家也對毫米波雷達技術進行了研究，特別是奔馳、寶馬等著名汽車生產廠商，其采用的雷達為調頻毫米波雷達（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合研制的汽車防撞報警系統，探測距離為150米，當測得的實際車間距離小于安全車間距離時，發出聲光報警信號。該系統已經得到應用。

美國的汽車防碰撞技術已經相當先進，福特汽車公司開發的汽車防碰撞系統的工作頻率為24.725GHz,探測距離約106米。據說該系統理論上能根據轉彎的角度信息自動適應路面的轉彎情況，僅探測本車道內車輛的信息，從而可避免旁車道上目標物的影響。戴姆勒-克萊斯勒公司的防撞結構主要是兩個測距儀和一個影像系統，她能夠測出安全距離，發現前方有障礙物，計算機能夠自動引發制動裝置。戴姆勒-克萊斯勒公司的實驗結果顯示，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的研究開發同國外發達國家相比，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行此方面的研究。近距離報警如倒車雷達現已蓬勃地車輛上安裝使用，但國內目前生產的中遠距離測量普遍達不到要求，表現在最遠測距距離近，測距誤差大，遠遠不滿足高速公路的安全車距離要求，需進一步研究。

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，研究利用雷達激光測距、超聲波測速及其它相關技術來預測高速行駛車輛的后碰及側碰問題，實現報警，從而避免事故發生。

本次研究主要針對汽車防撞系統，對前面開發的系統性能進行了改進。主要研究內容包括以下幾個方面:

1.汽車縱向防撞系統的總體設計

完成汽車防撞系統的總體設計，把整個系統劃分成四個分工不同的子系統，并確定實現總體方案所需要解決的關鍵技術。

2.汽車防撞安全距離模型的確定

結合系統的技術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行了改進，使其具有更好的可靠性和實用性，對模型中的個別參數進行重新選取，使模型及模型的參數選取更加合理。

3.進行汽車防撞系統硬件的總體設計并解決關鍵技術

在以前研究的基礎上，重新對汽車防撞系統進行總體設計，提高了系統的實時性，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和雷達工作數據發送單元的硬件設計，解決了汽車防撞系統中的雷達測距系統這一關鍵技術，使該課題的研究從模擬實驗階段過渡到實車實驗階段。

4.按照系統的功能需求，制定了各子系統之間通訊的通訊規約，并用MCS-51匯編語言設計了系統的主控單元子系統軟件和雷達測距子系統中雷達通訊數據發送單元軟件。

5.在模擬實驗的基礎上，通過裝車實驗，驗證了系統所要求的各種性能。

1.3本文的主要工作和內容安排

本文在第一章緒論中闡述了汽車防撞技術產生的背景及現實意義，主要研究內容并對現有的防撞技術進行了歸納和總結，進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；第三章進行了報警系統防撞模型的建立;第四章進行了硬件設計和實驗驗證;第五章為系統的軟件設計，第六章為結論與展望。

目錄

第一章緒論1

1.1選題意義和背景1

1.2國內外研究的現狀2

1.3本文的主要工作和內容安排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模型參數的討論18

3.2超車側向防撞模型的建立19

3.2.1模型的建立19

3.2.2模型參數的選擇26

3.2.3模型的最小轉角與最大轉角數據分析28

第四章系統硬件設計30

4.1單片機的性能特點30

4.1.1單片機的選擇30

4.1.2MCS-51單片機的主要性能31

4.1.3單片機系統的設計要求31

4.2追尾碰撞報警系統硬件設計32

4.2.1測量距離通道的設計32

4.2.2測速通道的設計33

4.2.3開關量輸入通道的設計34

4.2.4轉向、油門、制動信號的采集35

4.2.5聲光報警的設計36

4.2.6顯示裝置的設計39

4.2.7電源設計43

4.2.8電路板的電源保護裝置和電源的抗干擾的設計44

4.2.9"看門狗"電路的設計44

4.3系統主要傳感器47

4.3.1毫米波雷達傳感器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61

4.4系統總體電路圖64

第五章報警系統軟件程序的實現65

5.1系統報警方式65

5.2程序設計思想65

5.3程序的實現66

第六章結論與展望71

6.1結論71

6.2展望71

參考文獻73

附錄76

本論文中雖然對安全距離模型進行了改進，但仍需進一步改進和細化，采用一定的控制理論和算法，使模型更具有科學性、可靠性和可操作性。本系統現階段只是就危險情況實現了向駕駛員報警，事實上由于駕駛員的反應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，因此系統下一步的目標是實現自動剎車的功能，使駕駛員的安全更有保障。

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

(2)本系統還應該進一步在復雜天氣(雨、雪、大霧)，潮濕、冰雪路面上進一步測試，驗證系統的設計功能。

(3)在本系統基礎上，進一步開發車輛自適應巡航控制系統，使車輛的舒適性和主動安全性得到提高.

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