陳立嬌， 許　勇

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

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基于傳感器的汽車主動安全設計

陳立嬌， 許勇

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

從汽車主動安全方面進行研究, 通過對車輛道路行駛時關(guān)鍵要素的危險狀態(tài)識別，實現(xiàn)完善汽車主動安全性能。本設計采取自動控制方法，通過研究汽車防碰撞檢測和預防以及偏離車道報警，為汽車安全系統(tǒng)提供信息支持，實現(xiàn)車輛主動避免碰撞危險，減少或避免交通事故發(fā)生，大大提高汽車行駛主動安全性。所設計汽車主動安全防撞系統(tǒng)主要包括激光防撞測距、激光車道檢測、報警警示系統(tǒng)等。

汽車主動安全； 防碰撞； 激光測距； 車道偏離報警； 汽車電子

0　引　言

汽車是現(xiàn)今人們最常使用的交通工具之一，而它在為人類提供極大便利的同時，也帶來了巨大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，中國每年發(fā)生交通事故50萬起，因交通事故死亡人數(shù)超過10萬人，穩(wěn)居世界第一[1]。

在對大量交通事故發(fā)生原因進行總結(jié)分析后發(fā)現(xiàn)，引起交通事故的主要因素為環(huán)境因素、司機因素和車輛因素。其中又以司機因素最為突出，包括由于司機本身因疏忽大意、疲勞駕駛、酒后駕車、判定失誤和超速行駛等[2]不良駕駛行為引起的交通事故。尤其是遇到冰雹、雨雪和大霧等惡劣天氣時，此時路面濕滑且能見度低，如果駕駛員注意力稍不集中，極易造成車輛發(fā)生車道偏離與追尾碰撞，導致交通事故的發(fā)生[3]。要知道每四個駕駛員中就有一個駕駛員經(jīng)歷過因車道偏離引起的傷亡事故[1]。如何避免由于人為因素導致的交通碰撞事故，提高車輛的安全性能成為本次研究重點。

1　車輛安全性能分類

在汽車安全技術(shù)領域有兩種途徑提高車輛安全性能，即被動安全技術(shù)和主動安全技術(shù)。被動安全技術(shù)是指在事故發(fā)生時和發(fā)生后通過安全氣囊、安全帶等設備來保障人們的安全。而這只是降低了車內(nèi)乘員的受傷程度以及車輛的損壞程度，并沒有從根本上解決交通安全問題。主動安全技術(shù)分為正常行駛時的預防安全技術(shù)和事故發(fā)生前的事故安全技術(shù)。具體為在事故發(fā)生前提醒駕駛員道路危險狀況，引起駕駛員的注意方便其進行合理的規(guī)避操作，預防交通事故的發(fā)生，從而保證車輛行駛時的道路安全[4]。

相對于被動安全技術(shù)減弱或緩解事故傷害的功能，主動安全技術(shù)可以在事故發(fā)生前及時監(jiān)測潛在不安全因素，對駕駛員不當?shù)鸟{駛行為進行預警或干涉，保證行駛安全[5]。因此，設計一種輔助駕駛員工作的主動安全系統(tǒng)，在車輛行駛遇到意外狀況時，能為駕駛員爭取更多的反應時間，預防交通事故的發(fā)生是本次研究的重點。

2　系統(tǒng)整體設計思路

設計一個基于汽車主動安全的安全駕駛輔助控制系統(tǒng)，從汽車防碰撞預防系統(tǒng)以及偏離車道報警系統(tǒng)兩方面來進行研究。通過安裝在車輛前端的目標探測裝置(激光傳感器)實時監(jiān)測車輛周圍行駛環(huán)境，自動識別前方障礙物距離與實時行駛軌道，分析當前行駛狀況。如有危險或偏移軌道現(xiàn)象，系統(tǒng)自動報警并提前采取措施避免事故發(fā)生。

目標探測裝置主要是對路況進行實時監(jiān)測，檢測行駛車輛與前方車輛的障礙物距離，以及監(jiān)控車輛行駛車道是否正確，預防車輛追尾及車道偏離。目標探測裝置最主要就是傳感器的選擇。

2.1傳感器的分析和選擇

所設計系統(tǒng)采用的傳感器在車輛行駛過程中主要提供三種信息：1)附近障礙物的存在信息；2)障礙物與小車間的距離信息；3)車道偏離檢測信息。目前，常用的車載目標探測裝置采用的傳感器主要有三類：光學類：如無源紅外線、激光雷達及視頻成像系統(tǒng)；電磁類：如連續(xù)波雷達、單脈沖雷達及電容式傳感器等;聲學類：如超聲波傳感器。

視覺傳感器提供信息量最大，但需要的計算資源和機時也最大，處理速度慢,且易受光線條件和工作范圍的限制。雷達傳感器對環(huán)境影響不敏感，遠距離探測能力較強，但易受周圍環(huán)境電磁干擾，設備成本教高，實際應用不廣泛。

超聲波傳感器其受溫度、濕度影響大，且存在測量盲區(qū)，過大障礙物可能發(fā)生鏡面反射。紅外傳感器雖然不受電磁波和可見光影響，還可在夜間測量，但易受物體顏色、周圍光線影響，誤差較大，測距范圍也較小。

而激光傳感器能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，且量程大、精度高、速度快，抗光、電干擾能力強，特別是隨著技術(shù)和市場發(fā)展，成本降低，適合大范圍應用。

綜上所述，所設計系統(tǒng)采用激光傳感器制作目標探測裝置。

2.2激光傳感器

目標探測裝置的激光傳感器主要由5 mW的激光發(fā)射管、調(diào)制管、激光接收管以及濾光鏡所組成。由于激光傳感器輸出的是模擬值，而且加入了激光濾光鏡片，所以可見光的影響可以忽略不計,能達到最大檢測距離3 m。應用激光傳感器的目標探測裝置主要分為防撞檢測和路徑檢測兩個功能模塊。

2.2.1防撞檢測模塊

防撞檢測模塊主要是用來測量障礙物的距離，判斷障礙物的位置，并給出預警信息。本次設計采用激光傳感器作為激光的發(fā)射和接收裝置。具體電路框圖如圖1所示。

圖1　激光傳感器工作示意圖

具體實現(xiàn)過程為：單片機發(fā)送發(fā)射激光命令，激光傳感器接收到此命令就發(fā)射激光，如有障礙物則激光傳感器的接收裝置接收此命令，并發(fā)送回單片機接收。其中,激光傳感器采集的信號通過單片機的AD引腳被讀取，8位精度AD采集的信號值范圍為0～255；12位精度AD采集的信號值范圍為0～4 095。0表示被檢測的物體超出檢測范圍或者無障礙物體，255表示距離障礙物的距離極近。因此,可以通過0～255的數(shù)值變化來判斷車輛與障礙物之間的距離關(guān)系。傳感器硬件設計上添加了信號指示燈，通過信號燈的亮暗變化也能直觀地看出障礙物與傳感器的距離變化。具體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　防撞檢測模塊系統(tǒng)框圖

2.2.2路徑循跡模塊

檢測車輛行駛是否發(fā)生偏移，即行駛在黑色路徑內(nèi)，如偏移到白色道路線上則發(fā)出報警信息，提醒駕駛員目前發(fā)生車道偏移，保證車輛安全行駛。

具體實現(xiàn)過程為：激光傳感器發(fā)射激光，當檢測到是黑色地面時，輸出高電平給單片機;如檢測到白色道路線時，發(fā)送低電平給單片機，提示單片機已發(fā)生車道偏移，單片機控制電路發(fā)出預警信息，提醒駕駛員注意行駛安全。具體系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　路徑循跡模塊系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)設計方案

本設計方案和算法需要在模擬車輛上進行實驗，驗證汽車主動安全中防撞檢測預防及車道偏離報警技術(shù)的可行性。模擬智能小車采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為整體核心控制單元，設計各個所需功能模塊和硬件電路， 包括電源模塊、電機驅(qū)動模塊、速度數(shù)據(jù)檢測模塊、舵機驅(qū)動轉(zhuǎn)向控制模塊以及防撞檢測模塊為主要所需功能模塊，具體系統(tǒng)電路框圖如圖4所示。并且在Freescale Code Warrior編程軟件環(huán)境下對飛思卡爾單片機進行編程與調(diào)試。此次系統(tǒng)軟件設計采用模塊化結(jié)構(gòu)設計模式，其中主程序主要起到一個導向與決策的功能，具體功能實現(xiàn)則需要對各個功能模塊的子程序進行設計。

圖4　系統(tǒng)框圖

3.1核心控制模塊

本次智能小車設計采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機作為核心控制芯片，這是一款針對汽車電子市場推出的高性能16位單片機，因此廣泛應用于車輛控制鄰域。該芯片具有功能強大、處理速度快、功耗低等優(yōu)點，且成本低適合于小車制作使用。

為了避免出錯時檢測、維修困難等問題，也為了提高整個核心系統(tǒng)板的穩(wěn)定性以及實用性，自行設計最小系統(tǒng)板來滿足本次設計的要求。最小系統(tǒng)板主要包括復位電路、式中電路以及BDM下載接口電路等[6]。

3.2電源模塊

整個硬件電路電源均由電源模塊提供，因此,可靠的電源模塊設計方案是整個智能小車穩(wěn)定行駛的重要前提。

考慮到不同模塊需要電壓不同有5,6.5,7.2 V的，因此智能車電池電壓需要變換電壓7.2 V為5 V和6.5 V方便為所有電路提供合適電源。其中，7.2 V電壓可為電機直接提供電源；舵機驅(qū)動電路需要6.5 V電壓為其供電；單片機、傳感器等則需要5 V電壓為其供電。具體電源管理系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5　電源管理系統(tǒng)圖

3.3驅(qū)動模塊

智能小車采用RS540型直流電機，驅(qū)動方式主要有三種可以選擇:1)借助于CMOS管，其提供的H橋內(nèi)阻小方便驅(qū)動電路，但同時也易產(chǎn)生鎖定效應，燒毀芯片。2)采用BTS7960芯片，這是一種半橋的電機驅(qū)動芯片。BTS7960芯片可結(jié)合其他BTS7960芯片形成全橋和三相驅(qū)動電路，但其價格是MC33886芯片的一倍以上。3)采用飛思卡爾MC33886芯片，這是飛思卡爾公司生產(chǎn)的一種全橋驅(qū)動芯片。具有過流、欠壓、過溫保護等功能，但易發(fā)熱，如采用多片并聯(lián)則可大幅度降低其發(fā)熱狀況，與場效應管一起搭建電路能達到最大110 A的驅(qū)動電流。

綜上所述，此次設計選用的是第三種方案，即借助于MC33886芯片來完成電機驅(qū)動電路。

3.4舵機轉(zhuǎn)向控制模塊

智能小車轉(zhuǎn)向主要靠前輪轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)的，要想實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向則需要一個控制裝置，這就是舵機。舵機通過拉桿與前輪相連接，并通過帶動拉桿來實現(xiàn)對前輪轉(zhuǎn)向的控制。舵機轉(zhuǎn)向模塊的主要工作流程為：智能小車核心芯片發(fā)出PWM波信號，PWM占空比不同,輸出的的脈沖寬度也不同，根據(jù)脈沖信號的不同寬度則可以改變舵機輸出舵盤的角度，以此來控制小車的轉(zhuǎn)向。

現(xiàn)以PWM信號周期是20 ms為例來說明不同占空比對舵機轉(zhuǎn)向角度的影響。當高電平脈寬為0.5 ms時，舵機向右轉(zhuǎn)90°；當脈寬為1ms時，舵機右轉(zhuǎn)45°；當脈寬為1.5 ms時舵機保持直行；當脈寬為2 ms時舵機左轉(zhuǎn)45°；當脈寬為2.5 ms時，舵機左轉(zhuǎn)90°。即PWM的脈寬與舵機的轉(zhuǎn)向角度呈現(xiàn)一一對應的線性關(guān)系。

3.5速度控制模塊

檢測智能小車的實際行駛速度時，如采用程序測定所給定的值，由于電池電壓路況等一些額外因數(shù)，與實際值會有一定差距。因此,需要安裝一個車速檢測裝置來測量智能小車的實際車速，此次設計采用光電編碼器來進行測速。即用一個支架把光電編碼器固定在智能小車后部，通過齒輪與車輪相連，車輪每轉(zhuǎn)動一齒，傳感器都會檢測到，并向MCU輸出脈沖一次。設置MCU的相應模塊，捕捉輸出的脈沖信號。通過記錄相鄰脈沖的間隔時間或一段時間內(nèi)接收到的脈沖數(shù)，即可以計算出智能小車的實際車速。通過旋轉(zhuǎn)型光電編碼器來測定小車實際速度。再通過控制單片機發(fā)出的PWM的脈沖寬度，來調(diào)節(jié)電機兩端的電壓，進而控制電機的轉(zhuǎn)速快慢。

4　系統(tǒng)驗證與總結(jié)

4.1實驗系統(tǒng)與環(huán)境

整個實驗系統(tǒng)是在自行仿真模擬真實道路上進行的。在車輛行駛前方放置障礙物，驗證智能小車是否會自主避障，設置當障礙物距離為50 cm時，進行自主避障。其中避障距離可調(diào)，可自主確定車輛與障礙物之間的避障距離。以及當車輛偏離車道時，蜂鳴器是否會報警提醒發(fā)生車道偏移。

4.2實驗驗證與結(jié)果

模擬實際交通道路避障實驗可得，激光傳感器測距可達3 m，即小車與前方障礙物的距離為3 m時，小車發(fā)現(xiàn)前方存在障礙物。經(jīng)實驗驗證，當車輛距離前方障礙物50 cm時，車輛發(fā)現(xiàn)障礙物存在信息并停止行駛，平均誤差5 cm。現(xiàn)列舉實驗結(jié)果數(shù)據(jù)如下表1所示。由于實驗條件等因素，實驗誤差在允許范圍之內(nèi)，驗證了汽車防碰撞檢測和預防功能的可行性以及可靠性。

將小車放置車道線附近大約5 cm處，小車發(fā)出報警信息，預示車道已發(fā)生偏離,提醒注意此時已發(fā)生道路偏移，并控制小車回到正常行駛車道上來。實驗驗證了汽車偏離車道報警系統(tǒng)的可靠性和實用性。

表1　仿真實驗結(jié)果

5　結(jié)　論

經(jīng)過實驗驗證，設計制作的智能小車基本實現(xiàn)防撞檢測和車道偏離報警系統(tǒng)功能，模擬實現(xiàn)了對車輛道路行駛時關(guān)鍵要素的危險狀態(tài)識別。隨著各種新技術(shù)以及設備在汽車上的使用，增加了車輛在道路行駛時的安全性與可靠性。而如何通過新技術(shù)新手段實現(xiàn)對道路危險狀態(tài)的識別，從而降低道路交通事故率，保障人們的出行安全是今后發(fā)展的目標，也是發(fā)展汽車安全技術(shù)的意義。

[1]呂柯巖,朱朋,賀柏根,等.單目智能車道偏離預警系統(tǒng)[J].液晶與顯 示,2012,27(4):545-551.

[2]李昌吉.汽車駕駛員的人為因素與交通安全[J].疾病控制雜志,2004,8(6):576-578.

[3]王建軍,王軍鋒,畢明濤.區(qū)域公路交通事故及高速公路交通事故特征[J].長安大學學報:自然科學版,2005,25(3):66-69.

[4]曠彪.汽車追尾防碰撞控制系統(tǒng)的研究與仿真[D].長沙:長沙理工大學,2011.

[5]彭金栓,徐磊,邵毅明.汽車主動安全技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].公路與汽運,2014(1):1-4.

[6]李晨,宓超.基于飛思卡爾單片機MC9S12XS128的智能車設計[J].上海海事大學學報,2012,33(1):82-84.

Design of automobile active safety based on sensor

CHEN Li-jiao， XU Yong

(Design of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Automotive active safety is research and by identifing risks of vehicle on roads,improve antomobile active safety property.This design uses autocontrol method,by researching automotive anti-collision detection and prevention,and lane departure warning,provide information support for automobile safety system,to realize active avoid collision risk,to minimize or avoid traffic accidents and to improve vehicle active safety.The designed automobile active safety collision avoidance system include a laser collision rangefinder,laser lane detection and an alarm warning system

automotive active safety; anti-collision; laser rangefinder; lane departure warning; automotive electronics

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0106—04

2015—11—10

TN 249

A

1000—9787(2016)09—0106—04

陳立嬌(1990-)，女，浙江臺州人，碩士研究生，主要研究方向為汽車電子等。