汽车防碰撞系统的设计
摘要
近年来，我国道路交通安全形式越来越严峻， 在众多的交通事故中，以追尾碰撞与超车侧向碰撞事故这两种类型最为常见。如果能够在事故发生前提醒驾驶员并采取一定的安全措施，对减少交通事故的发生则是非常有用的，汽车防撞预警系统正是基于提高车辆的主动安全性来实现在行车过程中，给驾驶员提供必要的技术设施。
本文在安全跟车模型的基础上，设计了系统构成，并给出了初步的设计方案。对车载测距技术进行了综合比较，确定系统采用毫米波多普勒雷达传感器、超声波传感器和红外线传感器分别对前、后和侧向车间距离、两车相对速度和角度进行测量；在结合各种防碰原理的基础上，把系统分为主控单元子系统、测距子系统、信息采集单元子系统和显示-声光报警子系统四个部分，并确定了实现系统功能所需要的关键技术;在安全距离的基础上，对主控单元子系统和测距子系统进行了软、硬件设计，解决了系统功能所需要的关键技术。
车辆防撞技术作为智能运输系统的一个子课题，将不断成熟和完善，防撞系统的应用可以缩短车辆间的安全行车距离，还可以实现安全超车，保证高速运行车辆的安全性，提高公路运输效率，促进经济的快速发展。
关键词：防撞预警；雷达；超声波；红外线；传感器
英文摘要
[资料来源：http://www.doc163.com]
The traffic safety condition is becoming more and more serious in recent years, the statistic shows that among the accident of highway the Rear-end Collision and Side Collision are frequent. If the drivers can be informed before the accidents take place, the safety level will be improved greatly. The highway vehicle anti-collision warning system is such a technique based on the initiative security of automobile when driving
Based on the mathematic model of automobile safe following distance, the hardware and software of the system are built. Through an integrated comparison of detecting techniques, the millimeter wave frequency modulated pulse-Doppler radar、Ultrasonic sensor and infrared sensor are chosen, which can measure the lengthways distance and transverse distance, relative velocity of two vehicles and azimuth at the same time. Based on reference various theories of anti-collision warning system, the system includes four sub-systems: the main control unit of sub-system, measuring distance of sub-system, information unit of sub-system and monitor, sound& light alarm of sub-system. Based on it, the key technologies involved in the system are determined. Based on the safety distance model, the software and hardware of the main control unit of sub-system and measuring distance of sub-system are designed, the key technologies is solved.
Vehicle anti-collision technique as sub-item of Intelligent Transport System will grow up and be perfect in future. It will shorten the safe space between car heads, actualize the safe overtaking and guarantee vehicle safety, so it will help to increase transport efficiency and keep economic fast growth.
Key word: anti-collision warning system; radar; ultrasonic; infrared; sensor
1.1选题意义和背景
汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。汽车电子技术是汽车技术与电子技术想结合的产物。汽车上的电器与电子控制系统在汽车技术进入机电一体化阶段的今天，地位极为重要，正在汽车技术领域发展成为一门独立的分支学科，其性能的优劣直接影响到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排放干净、及舒适性等。电子控制技术在汽车上，首先应用于发动机燃油消耗控制与排放进化与排放控制，接着被应用于底盘部分的控制，以提高行驶的稳定性、安全性、与舒适性等。随着交通运输向高密度发展，电子控制技术又进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航等方面。 [来源：http://Doc163.com]
电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全、舒适和方便。应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统，主动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用。
在过去20~30年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破。
汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的车速不相称造成的，即距离近而相对速度又太高。为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车的车速就要根据与前方物体的距离变化由执行机构进行控制，使汽车始终在安全车速下行驶。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。 [资料来源：http://www.doc163.com]
发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30%，路面相关事故的50%，迎面撞车事故的 60%; 1秒钟的预警时间可防止90%的追尾碰撞和60%的迎头碰撞。理论上，汽车防撞装置可在任何天气、任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机及早采取措施或自动紧急制动，避免严重事故发生。汽车防撞装置是借助于遥测技术监视汽车前方和后方的车辆、障碍物，并根据当时的车速自动判断是否达到危险距离，及时向司机发出警告，必要时还可进行自动关车、自动紧急刹车。
汽车要避撞就必须凭借一定的装备测量前方障碍物的距离，并迅速反馈给汽车，以在危急的情况下，通过报警或自动进行某项预设定操作如紧急制动等，来避免由于驾驶员疲劳、疏忽、错误判断所造成的交通事故。目前，大家都将防撞技术的关键点着眼于车辆测距技术。
1.2国内外研究的现状
鉴于交通事故的不可预测性和不可绝对避免性，为了减少交通故，优化交通秩序，利用计算机及信息技术来提高道路交通安全和效率已成为国内外研究的热点。二十世纪八十年代以后展开的关于智能交通系统的研究，被认为是解决各种交通问题的一个很好的途径。智能交通系统是将先进的信息技术、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系，使人、车、路环境协调统一，从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。其中智能车辆系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域。视觉系统在智能车辆中起到环境探测和辨识作用。与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大，单纯以当前的现实条件出发解决，容易导致系统实时性差。在实际应用中可使用多个摄像机，或者利用高速摄像机的多幅连续图像序列来计算目标的距离和速度。还可根据一个摄像机的连续画面来计算车辆与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减少环境的不稳定性造成的测量误差。在智能车辆领域，除视觉传感外，常用的还有雷达、激光、GPS等传感器。
利用信息感知、动态辨识、控制技术与方法提高的主动安全性，是先进汽车控制与安全系统（AVCSS）的主要研究内容.世界各大汽车公司、大学在政府的支持下，都在开展这方面的研究与开发工作。日本各大汽车制造 企业如丰田、日产、马、本田、三菱等公司，为实现其运输省提出的发展"先进的安全汽车(ASV)计划"致力于新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测，当两车距离小于规定值时，系统将发出直观报警信号提醒本车驾驶员。日产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮来提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态，必要时使汽车的自动制动系统前起作用降低车速，在最危险时刻自动制动。本田公司使用具有扇形激光束扫描的雷达传感器，即使车辆在弯道行使也能检测到本车与前方汽车或障碍物的距离降到规定值时，驾驶员仍未及时采取相应措施，便发出警告信号。三菱和日立公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达中心频率主要选择60~61GHz或76~77GHz, 探测距离为 120米，尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系统，该系统利用毫米波雷达作为探测器，为巡航驾驶提供了判断依据。 [来源：http://Doc163.com]
德国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究，特别是奔驰、宝马等著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷达（Frequency Modulation Continuous Wave）,频段选择76~77GHz。如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150米，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。该系统已经得到应用。
美国的汽车防碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为24.725 GHz, 探测距离约106米。据说该系统理论上能根据转弯的角度信息自动适应路面的转弯情况，仅探测本车道内车辆的信息，从而可避免旁车道上目标物的影响。戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动引发制动装置。戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32.18公里/小时的速度行驶，在距离障碍物2.54cm的地方停下来。
我国汽车防碰撞系统的研究开发同国外发达国家相比，存在较大差距，近几年相继有一些科研院所、大专院校和公司厂家进行此方面的研究。近距离报警如倒车雷达现已蓬勃地车辆上安装使用，但国内目前生产的中远距离测量普遍达不到要求，表现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足高速公路的安全车距离要求，需进一步研究。 [资料来源：Doc163.com]
本课题，不是直接测量距离，而是从测量车与车之间相对速度的角度出发，研究利用雷达激光测距、超声波测速及其它相关技术来预测高速行驶车辆的后碰及侧碰问题，实现报警，从而避免事故发生。
本次研究主要针对汽车防撞系统，对前面开发的系统性能进行了改进。主要研究内容包括以下几个方面:
1. 汽车纵向防撞系统的总体设计
完成汽车防撞系统的总体设计，把整个系统划分成四个分工不同的子系统，并确定实现总体方案所需要解决的关键技术。
2.汽车防撞安全距离模型的确定
结合系统的技术要求和车辆的行驶情况，对课题组以前提出的安全距离跟车模型进行了改进，使其具有更好的可靠性和实用性，对模型中的个别参数进行重 新选取，使模型及模型的参数选取更加合理。
3.进行汽车防撞系统硬件的总体设计并解决关键技术
在以前研究的基础上，重新对汽车防撞系统进行总体设计，提高了系统的实时性，并且电路中硬件器件全部采用贴片封闭形式，提高硬件系统的抗干扰性和可靠性。本论文中着重论述了主控单元子系统和雷达工作数据发送单元的硬件设计，解决了汽车防撞系统中的雷达测距系统这一关键技术，使该课题的研究从模拟实验阶段过渡到实车实验阶段。
4.按照系统的功能需求，制定了各子系统之间通讯的通讯规约，并用MCS-51汇编语言设计了系统的主控单元子系统软件和雷达测距子系统中雷达通讯数据发送单元软件。
5.在模拟实验的基础上，通过装车实验，验证了系统所要求的各种性能。
1.3本文的主要工作和内容安排
本文在第一章绪论中阐述了汽车防撞技术产生的背景及现实意义，主要研究内容并对现有的防撞技术进行了归纳和总结，进而提出本课题的研究思路和新颖所在;第二章主要阐述了测距传感器的选择，并且确定了三种测距方法；第三章进行了报警系统防撞模型的建立;第四章进行了硬件设计和实验验证;第五章为系统的软件设计，第六章为结论与展望。
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目录
第一章 绪论 1
1.1选题意义和背景 1
1.2国内外研究的现状 2
1.3本文的主要工作和内容安排 5
第二章 几种测距方式的比较和选择 6
2.1激光方式 7
2.2超声波方式 8
2.3红外线方式 9
第三章系统模型的建立 10
3.1追尾防撞模型的建立 10
3.1.1模型建立的理论依据 10
3.1.2模型的建立 12
3.1.3模型的讨论 17
3.1.4模型参数的讨论 18
3.2超车侧向防撞模型的建立 19
3.2.1模型的建立 19
3.2.2模型参数的选择 26
3.2.3模型的最小转角与最大转角数据分析 28
第四章 系统硬件设计 30
4.1 单片机的性能特点 30
4.1.1单片机的选择 30
4.1.2 MCS-51单片机的主要性能 31
4.1.3单片机系统的设计要求 31
4.2 追尾碰撞报警系统硬件设计 32
4.2.1测量距离通道的设计 32
4.2.2测速通道的设计 33
4.2.3开关量输入通道的设计 34
4.2.4转向、油门、制动信号的采集 35
4.2.5声光报警的设计 36
4.2.6显示装置的设计 39
4.2.7电源设计 43
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4.2.8电路板的电源保护装置和电源的抗干扰的设计 44
4.2.9"看门狗"电路的设计 44
4.3系统主要传感器 47
4.3.1毫米波雷达传感器 48
4.3.2超声波传感器 53
4.3.3红外线传感器 55
4.3.4霍尔车速传感器 55
4.3.5转向角度传感器 59
4.3.6制动踏板传感器 60
4.3.7油门传感器 61
4.3.8路面状况选择开关 61
4.4 系统总体电路图 64
第五章报警系统软件程序的实现 65
5.1系统报警方式 65
5.2程序设计思想 65
5.3程序的实现 66
第六章 结论与展望 71
6.1结论 71
6.2展望 71
参考文献 73
附录 76
本论文中虽然对安全距离模型进行了改进，但仍需进一步改进和细化，采用一定的控制理论和算法，使模型更具有科学性、可靠性和可操作性。本系统现阶段只是就危险情况实现了向驾驶员报警，事实上由于驾驶员的反应性有差异及注意力不集中、疲劳驾驶等因素的存在，有时未必能及时采取减速、刹车等措施，因此系统下一步的目标是实现自动刹车的功能，使驾驶员的安全更有保障。
（1)本系统只是在理论上讨论了汽车防碰撞的问题，由于实验设备和时间问题还没有进行实验。 [资料来源：www.doc163.com]
(2)本系统还应该进一步在复杂天气(雨、雪、大雾)，潮湿、冰雪路面上进一步测试，验证系统的设计功能。
(3)在本系统基础上，进一步开发车辆自适应巡航控制系统，使车辆的舒适性和主动安全性得到提高.
参考文献
[1]中华人民共和国交通部网站:http://www. moc. gov. cn.
[2]百度搜索网站:http: //www. baidu. com.
[3]周立功单片机网站.http://www. zlgmcu. com. cn.
[4」刘运通，道路交通安全指南[M].北京.人民交通出版社.2004.
[5]王军雷，李百)II，应世杰，等.车道变换碰撞预警分析及最小纵向安全距离模型的研究[J].人类工效学.2004(4).
[6]钟勇，范森海，王永辉.高速公路事故的诱因及预防对策[J].公路交通科技.2000(6).
[7]郑安国.我国高速公路交通事故的基本特点与预防对策[J].公路交通科技学报.2002(4).
[8]陈晓东.郑建祥汽车用微机可靠性试验研究[J].汽车与电器.2002(增刊).
[9]周立功.发展有限公司.P89V51RD2器件手册.2004.3.
[10]周立功.发展有限公司.SJA1000独立的CAN控制器应用指南.2003.10.
[11]周立功发展有限公司.SJA1000独立CAN控制器.2003.10.
[12]周立功发展有限公司.LPC900单片机SPI互为主从模式详解.2001.6.
[13 MOTOROLA C. O. MC33989技术手册.2003. 12.
[I4)MOTOROLA C. O. Motorola Semiconductor Technical Data of MJD31 /32C. 1996. 06.
[15]刘郑国.高速公路追尾碰撞预防报警系统主控单元开发研究[D)]西安:长安大学.2003.6. [资料来源：http://www.doc163.com]
[16]曾城.基于CAN-BUS的汽车防撞报警系统控制单元的研究开发[D].西安:长安大学.2004.6.
[17]胡铁红.高速公路追尾及侧向碰撞预警系统模型的研究[D].西安:长安大学.2004.6.
[18]赵纬华.高速公路碰撞预防报警系统传感器及电源研究[D].西安:长安大学.2004.6.
[19]侯德藻.汽车纵向主动避撞系统的研究[DI].北京:清华大学.2004.4.
[20]Gabriel leen,Dond Heffernam,and alan Dune. Digital Networks in the Automotive Vehicle[i].IEE Computing&Control Engineering journal. 1993103 (6).
[21]A. D. C. Specification for NISSAN 172 ACC Radar System ARS100. 1999. 08.
[22]Miles Upton. Techinques For Distance Measurement[i]，SAE95.
[23]高延龄.汽车运用工程[MI.北京:人发交通出版社.1997.
[24]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京航空航天大学出版社.1994.
[25]李华.MCS-51系统单片机实用接口技术[M].北京航空航天大学出版社.1993.
[26] 宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版式社.1996
[27]周立功.增强80C51单片机速成与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社.2003.7.
[28]高松.应启戛.魏民祥.CAN总线及其在汽车计算机控制系统中的应用[E]。2002(3). [版权所有：http://DOC163.com]
[29]李令举.汽车工程电子新技术.人发交通出版社.1996.
[30]张秀森.表面安装电路板组件可靠性的计算机仿真分析[E]。电子机械工程.1999 (10).
[31]丁鹭飞，耿富录.雷达原理.西安电子科技大学出版社.2002.
[32]柴毅.智能汽车主动安全系统研究[D)]重庆:重庆大学.2001.10.
[33]高有堂.电子电路设计与制板Protel 99教程「M].西安地图出版社.2001.
[34」杨振江.流行单片机实用子程序及应用实例M].西安电子科技大学出版社.2002.
[35]赵晓莉.单片机应用系统软件抗干扰技术E].自动化与仪表.2002.1.
[36]马骏.高速公路行车安全距离的分析与研究.西安公路交通大学学报，1998,18(4)。
[37]徐杰，杜文，孙宏.跟随车安全距离分析〔J).交通运输工程学报，2002,20).
[38]Peter Seiler, Bongsob Song, J. Karl Hedrick. Development of a collisionavoidance system[Jl.SAE paper 980853.
[39]李晓霞，李百川，侯德藻.车辆避免技术A.西安公路交通大学学报.2001.2.
[40]陈光武，侯德藻，李晓霞，等.高速公路实用安全车距计算模型「J].人类工效学.
[41」李晓霞，江宗法，边浩毅等.车载距离探测技术比较.长安大学学报.2002,22(2).
[42]Kaneko J, Shimamura A. A Design of Lane Change Maneuver for AutomatedVehicles[A].Proceedings of the 37t' IEEE Conference on Decision&Control Tampa in Florida of USA[C].Florida ofUSA:IEEE, 1998. 1031一1033.
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