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，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，不僅使道路更加擁擠，更為嚴(yán)重的是隨之而來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、錯誤估計車距、司機(jī)開小差等等。為了減少因此造成的交通事故，給車輛安裝具有自動測距、報警、剎車的防撞系統(tǒng)勢在必行。

當(dāng)今世界電子技術(shù)發(fā)達(dá)，測距的方法多種多樣，主要有超聲波測距、激光測距、微波雷達(dá)測距和紅外線測距。這些測距的原理不同，也各有其優(yōu)缺點(diǎn)。超聲波測距原理簡單、成本較低，但是速度易受外界環(huán)境影響，并且測量的理想距離也只有4 m ～5 m。激光測距易受汽車震動、惡劣天氣、反射鏡表面磨損和污染等因素影響，而使測距的探測距離減少1/2～1/3，使用精度大為降低。微波雷達(dá)測距不僅成本較高，而且易受電磁波的干擾，不適合應(yīng)用于汽車測距系統(tǒng)。紅外線傳播時不易擴(kuò)散，穿越其他物質(zhì)時折射率很小，再加上能適應(yīng)夜晚或能見度差的環(huán)境、應(yīng)用于測距時成本低廉，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)所需的時間來判斷目標(biāo)的距離，并結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，把這種測距方法應(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 紅外線測距基本原理及防撞系統(tǒng)的建立

1.1 基本原理

紅外線測距器由發(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反射，接收器接收到反射波信號后將其轉(zhuǎn)換成電信號。如果知道發(fā)射器發(fā)射信號與接收器接收反射信號之間的時間差t，便可以根據(jù)以下公式計算出距離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“計數(shù)”的方式，通過單片機(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的紅外線信號時，經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個技術(shù)啟動信號，單片機(jī)的計數(shù)器開始以一定的頻率進(jìn)行計數(shù);當(dāng)接收器再次接收到反射回來的紅外線信號時，經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個停止計數(shù)脈沖，計數(shù)器停止計數(shù)。通過軟件編程，令單片機(jī)能夠自動處理這些數(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間差t，即:t=nT。把t 代入到S=tC/2 就可以得到測量距離的最終公式: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，整個汽車防撞系統(tǒng)中除了前面所介紹的紅外線測距部分，還包括聲光報警電路，自動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算出前車行進(jìn)速度和加速度;結(jié)合已經(jīng)計算出的障礙物距離和本身的制動能力可以計算出警戒距離和危險距離。

報警電路由觸發(fā)器、驅(qū)動電路、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單片機(jī)給觸發(fā)器一個信號，令觸發(fā)器置位并產(chǎn)生一組脈沖，通過驅(qū)動電路，使小喇叭發(fā)出報警聲并令彩燈閃爍，達(dá)到報警的目的。當(dāng)與障礙物的距離大于警戒距離時，觸發(fā)器復(fù)位，停止產(chǎn)生脈沖。

自動剎車減速裝置。該功能可以手動開啟或關(guān)閉，當(dāng)處于開啟時，一旦與障礙物的距離等于或小于危險距離，便通過單片機(jī)啟動自動剎車裝置，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

2.1 紅外線測距硬件電路的設(shè)計

紅外線測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8155 輸出。8155 的高4 位PA 口作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端，將信號輸入到編碼器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。已調(diào)制的信號經(jīng)8550 放大后由紅外線發(fā)光二極管PH 發(fā)送出去。同時為了保證紅外線在遠(yuǎn)程發(fā)射時具有足夠的發(fā)射功率，在發(fā)射端，采用多個發(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 紅外線測距硬件電路圖

VD 是多個并聯(lián)的紅外線接收二極管，用來接收反射回來的紅外線脈沖調(diào)制信號。接收到的信號經(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 次無誤則表示解碼成功，同時把接收到的數(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間計算出車距來。

2.2 報警電路

系統(tǒng)的報警電路如圖3 所示。報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)動控制。正常時，LED2綠燈亮，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器無電流通過。當(dāng)系統(tǒng)檢測到車距達(dá)到警戒距離時，單片機(jī)就將BUFF 引腳控制電平設(shè)置為低電平，此時Q2導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴，LED1 紅燈閃爍，電路便實(shí)現(xiàn)報警。同時單片機(jī)還與自動剎車系統(tǒng)相連接，當(dāng)車距達(dá)到危險值時，啟動自動剎車系統(tǒng)迫使汽車減速。

圖3 報警電路

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)來進(jìn)行顯示，其原理圖如圖4 所示。

通過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，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LCD 工作在寫模式，高電平時LCD 工作在讀模式。RS 是指令/數(shù)據(jù)控制信號，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，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)端口連接來進(jìn)行寫命令或讀數(shù)據(jù)。電路中通過變位器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

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，需要檢測的信號只有經(jīng)障礙物反射回來的紅外信號這一個。當(dāng)系統(tǒng)初始化之后，不斷地進(jìn)行檢測，并通過控制計數(shù)器的開啟與關(guān)閉得到兩次信號之間的技術(shù)差值n，這個數(shù)值與汽車當(dāng)前速度V1是整個系統(tǒng)的外部輸入數(shù)據(jù)。

軟件的核心部分是對數(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算

在本汽車防撞系統(tǒng)中，前方車輛速度是通過本車速度V1和與前方車輛的距離S 計算出來的。兩車之間的距離S 是時刻在變化中的，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 是極短的一段時間是在時間Δt內(nèi)的平均速度。

計算出前車速度V2后，對其進(jìn)行微分計算，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)際測量和計算相結(jié)合的結(jié)果。

3.2 警戒距離和危險距離的計算

從兩車速度判斷，為避免發(fā)生追尾事故，所探測到的本車到前方車輛的距離S 必須要大于一定的數(shù)值。由于每個人的反應(yīng)時間不同、本車制動能力、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刻在變化的，所以本系統(tǒng)并不是預(yù)先設(shè)定一個固定的安全距離，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)合理論自動計算安全距離，并且將其分為警戒距離和危險危險距離，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)狀況到肢體動作進(jìn)行剎車有一段反應(yīng)時間，設(shè)為Tf1，另外拉動車閘到汽車剎車也有一段制動協(xié)調(diào)時間，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，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)本車前方是移動物體時，由于不知道前車什么時候突然剎車減速，所以令a2為車輛的正常制動加速度，由此得到危險距離D2。然后，在防撞系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)不斷的把當(dāng)前車距S 與D1和D2進(jìn)行比較，并在必要時進(jìn)行聲光報警和自動剎車。

4 汽車紅外線防撞系統(tǒng)性能評測

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)果的測試，其中包括靜物距離探測，在公路上行駛過程中的動態(tài)探測，以及報警和制動性能的測試。

4.1 靜物距離探測試驗(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，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)測得的距離，其結(jié)果如表1 所示。

表1 靜物距離探測試驗(yàn)結(jié)果 單位:m

4.2 公路上行駛動態(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 公路上行駛動態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

4.3 報警及制動能力測試實(shí)驗(yàn)

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

測試過程中，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)，分別記錄啟動報警和自動剎車的距離，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，如表3 所示。

表3 報警和制動能力分析

由此可見，該系統(tǒng)能夠在車距過近時進(jìn)行報警提醒，其制動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)”通過紅外線測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，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，以提醒駕駛員注意;當(dāng)車距進(jìn)一步縮小達(dá)到危險距離時，會采取自動剎車的手段來迫使汽車減速，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)，如測距精確度更高、安全距離根據(jù)實(shí)際情況自動測算等等，再輔以計算機(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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