唐理洋，張亞君

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，家庭用車和運(yùn)輸用車的數(shù)量急劇增長(zhǎng)，不僅使道路更加擁擠，更為嚴(yán)重的是隨之而來(lái)的越加頻繁的交通事故。造成這些事故的原因有多種，客觀上有道路條件、惡劣天氣等的影響，而主觀上是強(qiáng)行超車、錯(cuò)誤估計(jì)車距、司機(jī)開(kāi)小差等等。為了減少因此造成的交通事故，給車輛安裝具有自動(dòng)測(cè)距、報(bào)警、剎車的防撞系統(tǒng)勢(shì)在必行。

當(dāng)今世界電子技術(shù)發(fā)達(dá)，測(cè)距的方法多種多樣，主要有超聲波測(cè)距、激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距和紅外線測(cè)距。這些測(cè)距的原理不同，也各有其優(yōu)缺點(diǎn)。超聲波測(cè)距原理簡(jiǎn)單、成本較低，但是速度易受外界環(huán)境影響，并且測(cè)量的理想距離也只有4 m ～5 m。激光測(cè)距易受汽車震動(dòng)、惡劣天氣、反射鏡表面磨損和污染等因素影響，而使測(cè)距的探測(cè)距離減少1/2～1/3，使用精度大為降低。微波雷達(dá)測(cè)距不僅成本較高，而且易受電磁波的干擾，不適合應(yīng)用于汽車測(cè)距系統(tǒng)。紅外線傳播時(shí)不易擴(kuò)散，穿越其他物質(zhì)時(shí)折射率很小，再加上能適應(yīng)夜晚或能見(jiàn)度差的環(huán)境、應(yīng)用于測(cè)距時(shí)成本低廉，因此便于民間的推廣。

本文所研究系統(tǒng)的便是根據(jù)紅外線往返目標(biāo)所需的時(shí)間來(lái)判斷目標(biāo)的距離，并結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，把這種測(cè)距方法應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)，能夠有效的減少追尾等事故，保證交通安全。

1 紅外線測(cè)距基本原理及防撞系統(tǒng)的建立

1.1 基本原理

紅外線測(cè)距器由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器不斷發(fā)射出頻率為40 kHz 的紅外線，當(dāng)碰到其他汽車或是障礙物時(shí)反射，接收器接收到反射波信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。如果知道發(fā)射器發(fā)射信號(hào)與接收器接收反射信號(hào)之間的時(shí)間差t，便可以根據(jù)以下公式計(jì)算出距離S:

上式中，C 為光速，一般取C=3×108m/s。

本文的系統(tǒng)采用的是“計(jì)數(shù)”的方式，通過(guò)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，其原理是:紅外線發(fā)射器連續(xù)不斷的向外發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線接收器第一次接收到由障礙物反射回來(lái)的紅外線信號(hào)時(shí)，經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個(gè)技術(shù)啟動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)的計(jì)數(shù)器開(kāi)始以一定的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù);當(dāng)接收器再次接收到反射回來(lái)的紅外線信號(hào)時(shí)，經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個(gè)停止計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。通過(guò)軟件編程，令單片機(jī)能夠自動(dòng)處理這些數(shù)據(jù)，用脈沖的周期T 乘以脈沖數(shù)n 就能夠得到發(fā)射紅外線到接收線時(shí)間差t，即:t=nT。把t 代入到S=tC/2 就可以得到測(cè)量距離的最終公式:S=nTC/2

1.2 汽車防撞系統(tǒng)的建立

紅外線汽車防撞系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。圖1 中，整個(gè)汽車防撞系統(tǒng)中除了前面所介紹的紅外線測(cè)距部分，還包括聲光報(bào)警電路，自動(dòng)剎車減速裝置和輸入當(dāng)前汽車速度的電路。

汽車當(dāng)前速度輸入到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算:結(jié)合與前車的距離變化和可以計(jì)算出前車行進(jìn)速度和加速度;結(jié)合已經(jīng)計(jì)算出的障礙物距離和本身的制動(dòng)能力可以計(jì)算出警戒距離和危險(xiǎn)距離。

報(bào)警電路由觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)電路、小喇叭和彩燈組成。當(dāng)與障礙物的距離等于或小于警戒距離時(shí)單片機(jī)給觸發(fā)器一個(gè)信號(hào)，令觸發(fā)器置位并產(chǎn)生一組脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，使小喇叭發(fā)出報(bào)警聲并令彩燈閃爍，達(dá)到報(bào)警的目的。當(dāng)與障礙物的距離大于警戒距離時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，停止產(chǎn)生脈沖。

自動(dòng)剎車減速裝置。該功能可以手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉，當(dāng)處于開(kāi)啟時(shí)，一旦與障礙物的距離等于或小于危險(xiǎn)距離，便通過(guò)單片機(jī)啟動(dòng)自動(dòng)剎車裝置，令汽車減速防止碰撞。

圖1 汽車防撞系統(tǒng)原理框圖

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 紅外線測(cè)距硬件電路的設(shè)計(jì)

紅外線測(cè)量距離的硬件電路圖如圖2 所示。

單片機(jī)間斷發(fā)出編碼不同的脈沖，經(jīng)過(guò)8155 輸出。8155 的高4 位PA 口作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端，將信號(hào)輸入到編碼器YYH26 的數(shù)據(jù)端進(jìn)行編碼。CD4011 是頻率為40 kHz 的振蕩器，用于調(diào)制YYH26 產(chǎn)生的編碼信號(hào)。已調(diào)制的信號(hào)經(jīng)8550 放大后由紅外線發(fā)光二極管PH 發(fā)送出去。同時(shí)為了保證紅外線在遠(yuǎn)程發(fā)射時(shí)具有足夠的發(fā)射功率，在發(fā)射端，采用多個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)以增大發(fā)射強(qiáng)度，并安裝聚光鏡使紅外線成束發(fā)射，以增大發(fā)射功率。

圖2 紅外線測(cè)距硬件電路圖

VD 是多個(gè)并聯(lián)的紅外線接收二極管，用來(lái)接收反射回來(lái)的紅外線脈沖調(diào)制信號(hào)。接收到的信號(hào)經(jīng)CX20106A 解調(diào)放大后輸入譯碼器YYH27 的14腳。將接收到的地址碼與YYH27 本身的地址碼進(jìn)行比較，如果連續(xù)4 次無(wú)誤則表示解碼成功，同時(shí)把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)8155 的低4 位PA 口輸入到單片機(jī)中。然后單片機(jī)就可以根據(jù)從發(fā)射至接收到此編碼脈沖的時(shí)間計(jì)算出車距來(lái)。

2.2 報(bào)警電路

系統(tǒng)的報(bào)警電路如圖3 所示。報(bào)警電路主要由蜂鳴器、三極管及LED 等組成。電路中，蜂鳴器使用PNP 三極管Q2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。正常時(shí)，LED2綠燈亮，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器無(wú)電流通過(guò)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車距達(dá)到警戒距離時(shí)，單片機(jī)就將BUFF 引腳控制電平設(shè)置為低電平，此時(shí)Q2導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴，LED1 紅燈閃爍，電路便實(shí)現(xiàn)報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)還與自動(dòng)剎車系統(tǒng)相連接，當(dāng)車距達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)剎車系統(tǒng)迫使汽車減速。

圖3 報(bào)警電路

2.3 液晶顯示接口電路

本系統(tǒng)選用ZJM1286BSBD128×64 點(diǎn)陣式液晶顯示器(LCD)來(lái)進(jìn)行顯示，其原理圖如圖4 所示。

通過(guò)R/W，RS，E，CS1，CS2 作為與MCU 微處理器數(shù)據(jù)總線接口的控制信號(hào)，進(jìn)行通信。R/W 端口用于控制液晶讀寫，當(dāng)其為低電平時(shí)LCD 工作在寫模式，高電平時(shí)LCD 工作在讀模式。RS 是指令/數(shù)據(jù)控制信號(hào)，它控制存取的方式，可實(shí)現(xiàn)接受數(shù)據(jù)或讀寫指令。CS1，CS2 是片選信號(hào)，高電平為有效電平，控制液晶的左右半屏顯示。DB0－DB7 是數(shù)據(jù)總線，其與單片機(jī)端口連接來(lái)進(jìn)行寫命令或讀數(shù)據(jù)。電路中通過(guò)變位器R15可以調(diào)節(jié)背光的亮度，使顯示達(dá)到更好的效果。

圖4 液晶顯示電路

3 軟件的設(shè)計(jì)

汽車防撞系統(tǒng)的軟件流程圖如如圖5 所示。

圖5 汽車防撞系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 中，需要檢測(cè)的信號(hào)只有經(jīng)障礙物反射回來(lái)的紅外信號(hào)這一個(gè)。當(dāng)系統(tǒng)初始化之后，不斷地進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制計(jì)數(shù)器的開(kāi)啟與關(guān)閉得到兩次信號(hào)之間的技術(shù)差值n，這個(gè)數(shù)值與汽車當(dāng)前速度V1是整個(gè)系統(tǒng)的外部輸入數(shù)據(jù)。

軟件的核心部分是對(duì)數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)此可以得到與障礙物的距離、前車速度和加速度、警戒距離、危險(xiǎn)距離。最后是顯示部分和控制部分。前者把車距和前車速度顯示于液晶顯示器上;后者根據(jù)當(dāng)前車距的情況做出不同的反應(yīng)。其中核心部分的算法原理如下介紹。

3.1 前車速度和加速度的計(jì)算

在本汽車防撞系統(tǒng)中，前方車輛速度是通過(guò)本車速度V1和與前方車輛的距離S 計(jì)算出來(lái)的。兩車之間的距離S 是時(shí)刻在變化中的，它的值受本車速度V1和前車速度V2影響。設(shè)ΔS 是兩車間距離的增量，Δt 是極短的一段時(shí)間是在時(shí)間Δt內(nèi)的平均速度。

計(jì)算出前車速度V2后，對(duì)其進(jìn)行微分計(jì)算，便可以得到前方車輛的加速度a，公式為:a=dV2/dt。所以，前方車輛加速度也是實(shí)際測(cè)量和計(jì)算相結(jié)合的結(jié)果。

3.2 警戒距離和危險(xiǎn)距離的計(jì)算

從兩車速度判斷，為避免發(fā)生追尾事故，所探測(cè)到的本車到前方車輛的距離S 必須要大于一定的數(shù)值。由于每個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間不同、本車制動(dòng)能力、前車意外減速等因素的影響，能夠有效預(yù)防事故的安全距離是時(shí)刻在變化的，所以本系統(tǒng)并不是預(yù)先設(shè)定一個(gè)固定的安全距離，而是根據(jù)本車速度、前車速度、前車加速度等實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合理論自動(dòng)計(jì)算安全距離，并且將其分為警戒距離和危險(xiǎn)危險(xiǎn)距離，并在達(dá)到不同的距離做出不同的反應(yīng)。該方法與傳統(tǒng)的固定距離相比，極大的提高了效率與精確度。該方法的原理如下:

正常情況下，駕駛員從發(fā)現(xiàn)狀況到肢體動(dòng)作進(jìn)行剎車有一段反應(yīng)時(shí)間，設(shè)為Tf1，另外拉動(dòng)車閘到汽車剎車也有一段制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，設(shè)為Td，另外再設(shè)本車的剎車加速度為a1、前車的剎車加速度為a2、本車當(dāng)前速度為V1，前車當(dāng)前速度為V2可以得到兩車剎車減速到0 后之間的距離為:D=V1(Td+Tf1)+(V21/2a1)－(V22/2a2)。

當(dāng)本車前方是靜止障礙物時(shí)，即a2=0 的情況下，D1=V1(Td+Tf1)+(V21/2a1)，所得的距離是警戒距離。當(dāng)本車前方是移動(dòng)物體時(shí)，由于不知道前車什么時(shí)候突然剎車減速，所以令a2為車輛的正常制動(dòng)加速度，由此得到危險(xiǎn)距離D2。然后，在防撞系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，單片機(jī)不斷的把當(dāng)前車距S 與D1和D2進(jìn)行比較，并在必要時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警和自動(dòng)剎車。

4 汽車紅外線防撞系統(tǒng)性能評(píng)測(cè)

為了證明該紅外線防撞系統(tǒng)的實(shí)用性，進(jìn)行了實(shí)際使用結(jié)果的測(cè)試，其中包括靜物距離探測(cè)，在公路上行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)探測(cè)，以及報(bào)警和制動(dòng)性能的測(cè)試。

4.1 靜物距離探測(cè)試驗(yàn)

把該防撞系統(tǒng)安裝在普通汽車上，令試驗(yàn)汽車靜止，當(dāng)另一輛汽車從遠(yuǎn)處駛向試驗(yàn)車輛時(shí)，取一連串間斷的點(diǎn)分別記錄兩車間的實(shí)際距離和防撞系統(tǒng)測(cè)得的距離，其結(jié)果如表1 所示。

表1 靜物距離探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果 單位:m

4.2 公路上行駛動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

在一輛試驗(yàn)車上安裝該系統(tǒng)，然后令試驗(yàn)車與普通車在寬松公路上同向行駛。觀察系統(tǒng)測(cè)得的車距與前車速度變化，并將結(jié)果記錄成表2。

表2 公路上行駛動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

4.3 報(bào)警及制動(dòng)能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》規(guī)定:機(jī)動(dòng)車在高速公路上行駛，車速超過(guò)100 km/h 時(shí)，安全車距為100 m 以上;車速低于100 km/h 時(shí)，最小安全車距不得少于50 m。交管部門解釋，當(dāng)機(jī)動(dòng)車時(shí)速為60 km 時(shí)，行車間距應(yīng)為60 m 以上;時(shí)速為80 km 時(shí)，行車間距為80 m 以上，以此類推。

測(cè)試過(guò)程中，令實(shí)驗(yàn)車輛以不同速度接近前方設(shè)置的布制屏障(安全考慮)，分別記錄啟動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)剎車的距離，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，如表3 所示。

表3 報(bào)警和制動(dòng)能力分析

由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)能夠在車距過(guò)近時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，其制動(dòng)能力也可以有效的預(yù)防汽車追尾事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

該“汽車防撞系統(tǒng)”通過(guò)紅外線測(cè)距確定兩車之間的距離，以單片機(jī)為核心處理數(shù)據(jù)，經(jīng)智能計(jì)算從而得到限定距離、前車速度和加速度等。當(dāng)兩車距離小于警戒距離時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，以提醒駕駛員注意;當(dāng)車距進(jìn)一步縮小達(dá)到危險(xiǎn)距離時(shí)，會(huì)采取自動(dòng)剎車的手段來(lái)迫使汽車減速，從而預(yù)防追尾事故的發(fā)生。本系統(tǒng)相較于其他防撞系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)距精確度更高、安全距離根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)測(cè)算等等，再輔以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，相信能夠有廣闊的前景。

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