賀大松，楊 平，門延會(huì)

(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代制造系，四川宜賓644003;2.電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川成都611731)

0 引言

高速公路的交通安全已成為越來越重要的社會(huì)問題，為了防止汽車與前方物體發(fā)生碰撞，就要根據(jù)汽車與前方物體的距離調(diào)節(jié)汽車的車速，使汽車始終在安全車速下行駛，減少事故發(fā)生。在過去的幾十年中，人們的注意力主要集中在汽車被動(dòng)安全性方面，但這并不能從根本上解決汽車在行駛中碰撞所造成的破壞，而且，目前主動(dòng)防撞安全技術(shù)成本較高，尚不能普及。因此，從技術(shù)措施方面尋求對(duì)策，進(jìn)行高速公路汽車預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)的開發(fā)研究就顯得尤為必要［1］。本文從預(yù)防碰撞事故發(fā)生的角度出發(fā)，提出了一種縱向碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)，可以最大限度地降低交通事故率，提高了汽車的主動(dòng)安全性能。

1 汽車縱向防撞報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)硬件基本組成主要包括:控制單元、傳感器、執(zhí)行器、電源等幾部分。其中，主控單元選用AT89S52芯片;傳感器主要包括:測(cè)距傳感器、測(cè)速傳感器、制動(dòng)信號(hào)開關(guān)、油門信號(hào)開關(guān)、離合器信號(hào)開關(guān)等;主要執(zhí)行器包括:燈光報(bào)警裝置、聲音報(bào)警裝置等［2，3］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of system structure

2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

采用激光測(cè)距雷達(dá)檢測(cè)車道前方車輛的距離，距離數(shù)據(jù)被傳送到控制單元，控制單元收集車速信號(hào)、制動(dòng)踏板位置信號(hào)、油門踏板位置信號(hào)、離合器踏板位置信號(hào)進(jìn)行處理，并確定當(dāng)前數(shù)據(jù)所適用的報(bào)警模型。該報(bào)警系統(tǒng)分2種形式:兩車距離小于報(bào)警距離時(shí)，黃燈點(diǎn)亮，并用弱聲長音報(bào)警;兩車距離小于報(bào)警行車安全距離時(shí)，紅燈閃爍外加短促宏亮聲音報(bào)警。無論系統(tǒng)工作在何種狀態(tài)，只要探測(cè)到駕駛員已采取措施(抬油門或踩制動(dòng))，則報(bào)警抑制。另外，在車速低于40 km/h時(shí)，或車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)，均將報(bào)警抑制［4］。

3 汽車縱向防撞報(bào)警系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的功能，測(cè)試系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了一套模擬程序［5，6］。用計(jì)算機(jī)代替激光測(cè)距傳感器給單片機(jī)傳送車距信息［7］，用波動(dòng)開關(guān)代替轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、油門踏板傳感器來給單片機(jī)發(fā)送信號(hào)。當(dāng)開關(guān)處于開狀態(tài)時(shí)，沒有轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、減速信號(hào)產(chǎn)生，不產(chǎn)生報(bào)警抑制。當(dāng)給出的信號(hào)超過安全距離信號(hào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)時(shí)，將其中一個(gè)開關(guān)信號(hào)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)該狀態(tài)做出抑制報(bào)警反應(yīng)。該模擬實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)原理圖Fig 2 Principle diagram of the simulation experiment’s hardware design

3.1 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信接口

由于MCS—51單片機(jī)輸入、輸出電平為TTL電平，計(jì)算機(jī)配置的是RS—232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口。因而，可以采用RS—232C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信連接［8］。工作原理如圖3所示，信號(hào)采用 RS—232C電平傳輸，電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232。

圖3 PC與AT89S52通信示意圖Fig 3 Schematic diagram of communication between PC and AT89S52

3.2 通信協(xié)議

PC機(jī)通過串口調(diào)試助手軟件與AT89S52通信，提供距離信號(hào)，AT89S52程序采用匯編語言編寫［9，10］。雙方通信協(xié)議約定為

1)波特率設(shè)置:9600 bps;

2)數(shù)據(jù)傳輸格式:1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位;

3)數(shù)據(jù)傳送方式:PC機(jī)采用查詢方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，AT89S52采用中斷方式接收信息。

3.3 通信軟件設(shè)計(jì)

l)串口通信測(cè)試程序

通過串口調(diào)試助手軟件，從鍵盤隨機(jī)輸入一個(gè)信號(hào)給PC機(jī)，PC機(jī)將該信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)收到PC機(jī)發(fā)來的信號(hào)后，回送同一信號(hào)給PC機(jī)，并在屏幕上顯示出來。只要屏幕上顯示的信號(hào)與所鍵入的信號(hào)相同，則表明PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信正常。

單片機(jī)通信程序框圖見4所示。

圖4 單片機(jī)通信流程圖Fig 4 Flow chart of SCM communication

2) 模擬系統(tǒng)工作程序

為了得到在不同車速下的報(bào)警和制動(dòng)距離，實(shí)驗(yàn)中，先將速度作為一個(gè)確定的參數(shù)設(shè)定，然后將距離作為一個(gè)變化量，由PC機(jī)發(fā)送給單片機(jī)，送入系統(tǒng)模型進(jìn)行運(yùn)算，得到報(bào)警和制動(dòng)距離，再改變速度得到不同速度下的報(bào)警距離與制動(dòng)距離。

要求送入的速度參數(shù)值v1從40 km/h開始，每增加10 km/h設(shè)一個(gè)值，最高不超過120 km/h，折合為從11 m/s開始，每增加3 m/s，設(shè)定一個(gè)車速，最高速為34 m/s。最大制動(dòng)減速度取車輛在干燥水泥路面的最大制動(dòng)減速度，據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取a1=6 m/s2。當(dāng)前方車輛靜止時(shí)，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間取值tf2=1.5 s，當(dāng)前方車輛為運(yùn)動(dòng)車輛時(shí)，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間取值tf1=3.0 s。程序運(yùn)行一次的時(shí)間為0.25 s，則兩車的相對(duì)速度為Vrel=(D2－D1)/0.25。

3)單片機(jī)主控制程序如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

取最大制動(dòng)減速度為6 m/s2(21.6 km/h)，在特定速度下，測(cè)試相對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛之間報(bào)警距離與制動(dòng)距離，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 主控程序流程圖Fig 5 Flow chart of main control program

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Tab 1 Data record sheet of the experiment

按照《道路安全法》和《高速公路交通管理辦法》第15條之規(guī)定:機(jī)動(dòng)車在高速公路上正常行駛時(shí)，同一車道的后車與前車必須保持足夠的行車間距。正常情況下，當(dāng)行駛時(shí)速在100 km/h時(shí)，行車間距為100 m以上;時(shí)速70 km/h時(shí)，行車間距為70 m以上，遇到風(fēng)、雨、雪、霧天或者路面結(jié)冰時(shí)，應(yīng)當(dāng)減速行駛。

可以看出:在車輛行駛過程中，車速為72km/h，前車靜止?fàn)顟B(tài)下，報(bào)警距離為107m，制動(dòng)距離為76m;兩車相對(duì)減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，報(bào)警距離為105 m，制動(dòng)距離為60 m。在車輛行駛過程中，車速為111.6 km/h，前車靜止?fàn)顟B(tài)下，報(bào)警距離為186 m，制動(dòng)距離為132 m;兩車相對(duì)減速運(yùn)動(dòng)時(shí)，報(bào)警距離為139 m，制動(dòng)距離為87 m。由于在實(shí)際高速公路行車中，應(yīng)盡量避免使用剎車制動(dòng)，特別是緊急剎車制動(dòng)，而是采用減速措施以保持適當(dāng)?shù)母嚲嚯x。因此，在此模型中，報(bào)警距離值的選取符合法律規(guī)定。

在輸入報(bào)警距離與制動(dòng)距離時(shí)，均能實(shí)現(xiàn)不同方式的報(bào)警，且硬件與軟件匹配，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。

5 結(jié)論

為了保證交通安全，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了汽車縱向報(bào)警系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的過程中，主要采用激光雷達(dá)信號(hào)來測(cè)量車距，運(yùn)用MCS—51來進(jìn)行信號(hào)處理和運(yùn)算判斷，技術(shù)上可行，通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定功能，且性能穩(wěn)定。

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