苗永浩，沈 威，胡超駿

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北 武漢430063）

隨著交通安全越來越受關(guān)注，各種汽車安全設(shè)計(jì)裝備也成為汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域的寵兒.針對(duì)高速公路上連環(huán)撞車事故，目前市場上出現(xiàn)了一些巡航裝置.值得注意的是，市場上出現(xiàn)的巡航裝置大多安裝在中高檔汽車上，利用GPS測速導(dǎo)航，此裝置不僅昂貴，而且在交通事故易發(fā)的惡劣天氣情況下，GPS不容易捕捉信號(hào)，成為此類裝置的致命缺點(diǎn).

1 設(shè)計(jì)思路

撞車預(yù)警裝置由加速度傳感器、車距檢測裝置、信號(hào)發(fā)射器、信號(hào)接收器、預(yù)警裝置、汽車限速器、高速公路智能遙控裝置組成，分別完成分析汽車是否撞車，事故車與本車距離測量，撞車信息的采集、發(fā)射、接收，警示限速，限速，對(duì)汽車進(jìn)行標(biāo)記等功能.為靠近事故現(xiàn)場的駕駛員提供更多的反應(yīng)時(shí)間，并輔助駕駛員減速，最終達(dá)到預(yù)防連環(huán)撞車的目的（圖1）.

圖1 整體原理圖

整套裝置安裝于汽車內(nèi)部，信號(hào)發(fā)射器采集汽車撞車信息發(fā)射到后方汽車的接收器，啟動(dòng)汽車限速器，預(yù)警裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車駕駛員的預(yù)警和輔助減速功能［1］.

2 裝置組成

2.1 加速度傳感器

本裝置（圖2）包括敏感元件和信號(hào)獲取與處理電路，所述敏感元件為敏感質(zhì)量塊、位于敏感質(zhì)量塊中間空腔的懸臂梁以及敏感質(zhì)量塊兩端的杠桿結(jié)構(gòu)；與杠桿結(jié)構(gòu)錨點(diǎn)相接觸的諧振器連入信號(hào)獲取與處理電路；諧振器做成雙音叉結(jié)構(gòu)；敏感質(zhì)量塊空腔的懸臂梁兩側(cè)設(shè)置有測試驅(qū)動(dòng)叉指結(jié)構(gòu)，以此提高信噪比和靈敏度.

圖2 加速度傳感器結(jié)構(gòu)

2.2 車距檢測裝置

本裝置包括一個(gè)前置攝像頭（除成像功能外，還能從圖像傳感器中接收LED的調(diào)制光信號(hào)并輸出信息），在車尾部兩側(cè)安裝LED尾燈（能夠發(fā)射調(diào)制的信號(hào)，信號(hào)中攜帶有特定的信息）（圖3），來實(shí)現(xiàn)包括車距、相對(duì)位置、相對(duì)速度的測量［2］.

圖3 測距原理圖

2.3 信息發(fā)射器

信息發(fā)射器由存儲(chǔ)單元、無線發(fā)射單元、中央處理單元（CPU）以及按鍵控制單元構(gòu)成.利用Zigbee實(shí)現(xiàn)信息擴(kuò)散式傳播，信號(hào)持續(xù)發(fā)出，時(shí)間足夠等到救援人員控制事故現(xiàn)場，其信號(hào)范圍為1 000m.信號(hào)分為預(yù)警信號(hào)和兩種限速信號(hào)A與B，這三類信號(hào)不會(huì)相互影響，可以同時(shí)也可單獨(dú)發(fā)射.

考慮到汽車在高速公路上出現(xiàn)意外事故，如突然熄火等.這里為駕駛員提供了一套人機(jī)配合的安全裝置，就是在汽車發(fā)射器上連接一個(gè)按鈕，當(dāng)司機(jī)意識(shí)到汽車將出現(xiàn)意外情況時(shí)，或者車輛突然減速或者故障行駛時(shí)，加速度傳感器首先會(huì)對(duì)加速度變化情況進(jìn)行分析，車內(nèi)預(yù)警器對(duì)駕駛員進(jìn)行警示，駕駛員可以根據(jù)事故類型，現(xiàn)場情況作出判斷，然后選擇是否按按鈕直接通過發(fā)射器對(duì)靠近本車的汽車發(fā)送預(yù)警信號(hào)，以保證本車和來車的安全（圖4）.

圖4 信息發(fā)射器工作示意圖

2.4 信息接收器

接收器利用zigbee無線單片機(jī)單元、存儲(chǔ)單元、車輛信息采集單元以及中央處理單元（CPU）構(gòu)成，當(dāng)事故車輛上的特殊信號(hào)傳遞到靠近事故車輛時(shí)，信息接收器接收信號(hào)并由CPU進(jìn)行分析判斷，對(duì)信息處理后，接收到預(yù)警信號(hào)就打開運(yùn)行預(yù)警器，接收到限速信號(hào)A或B后就打開運(yùn)行限速器（圖5）.

控制電路通過接收加速度傳感器以及接收器所反饋來的電信號(hào)命令，對(duì)預(yù)警器以及限速器進(jìn)行有效智能化的控制［3］.

圖5 接收器工作原理示意圖

2.5 預(yù)警器

預(yù)警器由蜂鳴器和防刺眼閃光燈組成，當(dāng)信息接收器將電信號(hào)傳遞到預(yù)警器時(shí)，蜂鳴器發(fā)出提示音對(duì)駕駛員進(jìn)行警示，通過本車上的測距裝置分析接收到事故車的信號(hào)，并告知駕駛員事故地點(diǎn)距本車的距離，讓駕駛員采取有效的相應(yīng)措施以應(yīng)付事故，保障人車安全.另外，閃光燈對(duì)駕駛員加以輔助警示，兩者同時(shí)運(yùn)行，與車內(nèi)其他預(yù)警器加以區(qū)別，提示駕駛員.預(yù)警器在高速公路和普通公路上都處于開啟功能狀態(tài).

2.6 限速器

限速器由控制儀、機(jī)械手和軟軸傳力機(jī)構(gòu)組成.其中機(jī)械手包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、螺旋副、限位裝置和計(jì)數(shù)裝置，螺旋副包括由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的螺旋軸和旋套在螺旋軸上的螺旋套，該螺旋套可通過軟軸傳力機(jī)構(gòu)拉動(dòng)汽車的油門踏板向上移動(dòng).計(jì)數(shù)裝置可對(duì)螺旋軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù).控制儀通過接收到的信號(hào)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員的輔助減速.限速器主要用在高速公路上，收費(fèi)站上有無線自動(dòng)啟動(dòng)裝置開啟和關(guān)閉這個(gè)功能.

2.7 高速公路智能遙控裝置

圖6 高速公路智能遙控裝置示意圖

本裝置包括光電門感應(yīng)單元，單片機(jī)控制單元，無線發(fā)射器與控制單元（圖6）.由于高速公路（包括普通公路）都為雙向行駛車道（高速公路無單行道），以下分別稱為L道（對(duì)應(yīng)A信號(hào)）跟R道（對(duì)應(yīng)B信號(hào)）.為實(shí)現(xiàn)限速警示的單向精確高效率控制.在高速公路的入口與出口處分別設(shè)置光電門感應(yīng)裝置，并在對(duì)應(yīng)路面上設(shè)置無線遙控裝置.當(dāng)車通過R道入口時(shí)，光電門感應(yīng)信息，將信息傳輸給無線發(fā)射器單元，無線發(fā)射器遂發(fā)射信號(hào)，將該車輛上的信號(hào)接收器A信號(hào)接受開關(guān)關(guān)閉，從而使車輛行于該方向車道時(shí)只能發(fā)射與接收處理B信號(hào).當(dāng)車從出口離開時(shí)，出口處的無線發(fā)射器控制單元重新對(duì)車輛上的A信號(hào)開關(guān)進(jìn)行開啟.（車在L道上同理，只是將對(duì)A信號(hào)的操作改為對(duì)B信號(hào)的操作.）這樣，便可以成功實(shí)現(xiàn)單方向的車輛無線操控警示［4］.

3 裝置可行性分析

1）本裝置獨(dú)立于車體之外，為裝置的設(shè)計(jì)與安裝提供了有效的前提條件.

2）選取加速度測量器時(shí)，充分考慮了當(dāng)今市場車輛的各種速度與加速度測量方式.在普通車輛中，速度測量采用的是在車軸上安裝速度傳感器（五輪儀），測量車軸輪胎的轉(zhuǎn)速，通過計(jì)算，將轉(zhuǎn)速化為車輛的速度.這樣的方法誤差較大，不能將各種意外情況導(dǎo)致的速度誤差考慮進(jìn)去，如輪胎打滑、側(cè)滑、空轉(zhuǎn)以及突發(fā)碰撞等因素.為提高適用性，選取加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集源.

3）發(fā)射、接收裝置采用了當(dāng)今比較流行的Zigbee模塊，這項(xiàng)技術(shù)具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn).主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備.車距檢測裝置采用的是公開發(fā)明專利：基于可見光通信的車距測量方法，利用LED光通信的方式來實(shí)現(xiàn)包括車距、相對(duì)位置、相對(duì)速度的測量.預(yù)警器和限速器的技術(shù)成熟，考慮到本裝置的獨(dú)特功能，選擇的預(yù)警器具備語音和燈光雙重提示，限速器作為安全設(shè)計(jì)的輔助裝置，充分利用其智能性，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，便于推廣和使用.

4）本裝置主要用于高速公路上，其“標(biāo)記功能”在汽車進(jìn)入收費(fèi)站那一刻開始工作，很好的保證了高速公路上兩車道的獨(dú)立性.這一設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了本裝置的智能性，如果缺乏該裝置，那么任意一車道的交通事故都會(huì)影響到另一車道的暢通性，嚴(yán)重影響高速公路上的行車效率.

［1］劉曙陽，堵兆君，劉 松.防止高速公路追尾撞車的預(yù)警系統(tǒng)及其預(yù)警方法，中國，02113003.5［P］.2002－11－27.

［2］羅立聲，王艷坤.一種LED測距裝置，中國，CN200820181591.7［P］.2009－10－21.

［3］管 欣，張立存.基于最優(yōu)預(yù)瞄加速度決策的汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（2）：89－93.

［4］羅禹貢，陳 濤，周 磊，等.奔騰智能混合動(dòng)力電動(dòng)轎車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（6）：2－7.