陶　鳳, 趙梗明

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

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嵌入式汽車(chē)防撞系統(tǒng)的研究

陶鳳, 趙梗明

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

以ARM嵌入式Linux操作系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái),結(jié)合AVR單片機(jī),在優(yōu)化測(cè)距算法的同時(shí)采用測(cè)距范圍可達(dá)50 m的大量程空氣超聲換能器,設(shè)計(jì)了一款精度高、量程遠(yuǎn)、價(jià)格低、各種車(chē)型都適用的汽車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng).該系統(tǒng)采用飛凌OK6410為主控開(kāi)發(fā)板,AVR單片機(jī)負(fù)責(zé)采集行駛車(chē)輛間的距離數(shù)據(jù)并通過(guò)RS232與ARM開(kāi)發(fā)板通信,將車(chē)輛間距和速度信息傳送給ARM開(kāi)發(fā)板,系統(tǒng)利用建立的防撞模型得到報(bào)警信息.實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)可以準(zhǔn)確地發(fā)出報(bào)警信息,具有創(chuàng)新性和實(shí)用性.

ARM嵌入式; Linux操作系統(tǒng); 超聲波換能器; 測(cè)距算法;

0　引　言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口的增加,截至2013年,全國(guó)汽車(chē)保有量為1.37億輛,近十年汽車(chē)年均增加1100多萬(wàn)輛,然而道路交通事故死亡人數(shù)也隨之增加.最近幾年交通事故屢屢發(fā)生,直接影響了人們的人身安全并造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失.產(chǎn)生上述嚴(yán)重情況的原因有以下兩點(diǎn):(1)司機(jī)超速行駛或者酒駕;(2)汽車(chē)防撞功能不強(qiáng)大.在嵌入式技術(shù)飛速發(fā)展和相關(guān)硬件成熟的同時(shí),嵌入式車(chē)載監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始走進(jìn)汽車(chē)行業(yè)[1].國(guó)際上,如德國(guó)、日本、美國(guó)等先進(jìn)汽車(chē)生產(chǎn)國(guó)在十幾年前已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行主動(dòng)防撞安全裝置的開(kāi)發(fā)與研究.2014年1月6日,豐田與奧迪兩家汽車(chē)制造商在美國(guó)CES消費(fèi)電子展上展出自主研發(fā)的無(wú)人駕駛汽車(chē).在國(guó)外的高端轎車(chē)中,汽車(chē)自動(dòng)防撞系統(tǒng)并不罕見(jiàn).縱觀(guān)國(guó)內(nèi)汽車(chē)防撞技術(shù)這一塊領(lǐng)域成果還比較少,雖有部分公司技術(shù)含量已位列世界先進(jìn),但其產(chǎn)品價(jià)格不菲.根據(jù)以上情況,本文作者以大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)為基礎(chǔ)[2],優(yōu)化行車(chē)模型,在ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一款適用于現(xiàn)代車(chē)輛的汽車(chē)防撞系統(tǒng).系統(tǒng)的功能實(shí)用簡(jiǎn)單,價(jià)格實(shí)惠,具有普及性.

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

選擇一種基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)方案[3].即以ARM11處理器為中央CPU,搭建必要的外圍設(shè)備,結(jié)合超聲波測(cè)距裝置,速度傳感器,報(bào)警裝置以及相關(guān)的設(shè)備接口,構(gòu)建了一個(gè)典型的嵌入式設(shè)備.系統(tǒng)采用主流的Linux操作系統(tǒng).系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的框架如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1ARM主控制器

OK6410開(kāi)發(fā)板基于三星公司的ARM11處理器,是由三星公司推出的一款低功耗、高性?xún)r(jià)比的RSIC處理器,它基于ARM11內(nèi)核(ARM1176JZF-S),可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話(huà)和通用處理等領(lǐng)域;S3C6410為2.5 G和3 G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能,內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器:包括運(yùn)動(dòng)視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等.

1.2超聲波測(cè)距裝置

在汽車(chē)防撞系統(tǒng)的研究中,用于測(cè)距的裝置常見(jiàn)的有:雷達(dá)、激光、超聲波等[4].它們的性能比較如表1所示.毫米雷達(dá)廣受人們的青睞,但從表格中可以看出其價(jià)格昂貴,不利于普及.激光雷達(dá)和高精度攝像頭受環(huán)境影響太大,因此研發(fā)具有大量程的超聲波防撞系統(tǒng)應(yīng)用于智能車(chē)載系統(tǒng)中非常有必要.超聲波測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式2種.由于功能上的要求,在本系統(tǒng)中采用脈沖反射式,即利用超聲的反射特性.常溫環(huán)境下通常取超聲波的速度為340 m/s.由公式L=c×t/2可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L,t為傳播時(shí)間,c為超聲波的速度.

表1　不同類(lèi)型測(cè)距裝置對(duì)比

1.2.1超聲波發(fā)射模塊

超聲波發(fā)射電路包括超聲波控制電路和超聲波產(chǎn)生電路兩部分.超聲波探頭的型號(hào)選用DY150大功率換能器,其中心頻率為15 kHz,最大量程50 m,最大特點(diǎn)發(fā)射接收一體并且通過(guò)超聲波發(fā)生電路直接驅(qū)動(dòng)換能器,產(chǎn)生超聲波,具體電路如圖2所示:

圖2　超聲波發(fā)射電路

1.2.2超聲波接收模塊

采用中斷的方式接收信號(hào).超聲波發(fā)生傳感器反射一串超聲波信號(hào),通過(guò)空氣傳播,遇到障礙物后返回,超聲波接收裝置接收到回波信號(hào),由于接收到的信號(hào)幅度小,所以經(jīng)過(guò)放大、檢波和濾波,最后通過(guò)電壓比較器輸出一個(gè)脈沖信號(hào),輸入到單片機(jī)外部中斷輸入端,引起單片機(jī)中斷.

1.3報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

在車(chē)輛行駛過(guò)程,如果兩車(chē)之間距離小于安全距離,則報(bào)警模塊通過(guò)ARM開(kāi)發(fā)板利用防撞算法點(diǎn)亮LED報(bào)警電路.

2　汽車(chē)防撞模型的建立

2.1模型確立原則

為了使系統(tǒng)能夠有效地對(duì)駕駛員起到警示作用,又不能因?yàn)檫^(guò)多的提醒而干擾駕駛員的正常駕駛,模型的確立應(yīng)該遵循以下幾個(gè)方面的原則[5]:

(1) 提醒報(bào)警距離應(yīng)該為駕駛員留有充足的反應(yīng)時(shí)間,在駕駛員聽(tīng)到報(bào)警后能夠從容地按照正常的習(xí)慣做好減速準(zhǔn)備;

(2) 危險(xiǎn)報(bào)警距離(緊急制動(dòng)臨界距離)的設(shè)立將不考慮駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)備時(shí)間.主要是駕駛員在聽(tīng)到前面提醒報(bào)警后應(yīng)該已經(jīng)處于警戒狀態(tài),隨時(shí)都可以采取剎車(chē).其次也要防止頻繁出現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警干擾駕駛員正常操作;

(3) 模型應(yīng)能反映汽車(chē)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的最危險(xiǎn)情況,對(duì)于不同狀況下危險(xiǎn)距離的判斷具有較好的魯棒性.

2.2汽車(chē)防撞模型概述

汽車(chē)在公路上高速行駛過(guò)程中,為了保證行駛安全,需要跟前車(chē)保持一定的車(chē)距S.防撞系統(tǒng)基于車(chē)距的大小,將兩車(chē)距離分為3個(gè)階段,分別為提醒距離st,報(bào)警距離sw,以及強(qiáng)制剎車(chē)距離sd,在同一種狀況下3種距離數(shù)值相對(duì)大小為st>sw>sd.

(1) 當(dāng)測(cè)試車(chē)輛與前車(chē)車(chē)距處于提醒距離st之內(nèi)時(shí),測(cè)距儀就會(huì)發(fā)出提醒信號(hào),告訴駕駛員此時(shí)兩車(chē)之間車(chē)距過(guò)近,此時(shí)駕駛員有充足的反應(yīng)時(shí)間在聽(tīng)到提醒后從容地按照正常的習(xí)慣做好減速準(zhǔn)備.

(2) 當(dāng)測(cè)試車(chē)輛與前車(chē)車(chē)距處于報(bào)警距離sw之內(nèi)時(shí),此時(shí)兩車(chē)之間已經(jīng)存在事故危險(xiǎn),危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)較低.駕駛員在聽(tīng)到報(bào)警后要提高警惕,時(shí)刻注意前車(chē)行駛狀況,才能保證行駛安全.

(3) 當(dāng)測(cè)試車(chē)輛與前車(chē)車(chē)距處于強(qiáng)制剎車(chē)距離sd之內(nèi)時(shí),此時(shí)兩車(chē)之間事故危險(xiǎn)系數(shù)已經(jīng)非常高,駕駛員已經(jīng)沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)做出判斷.系統(tǒng)會(huì)超越駕駛員之上,強(qiáng)制對(duì)汽車(chē)發(fā)送減速信號(hào)讓汽車(chē)減速來(lái)增大兩車(chē)車(chē)距,降低行車(chē)危險(xiǎn)系數(shù).

2.3制動(dòng)距離理論分析

為了確定剎車(chē)模型中3種距離st、sw、sd的具體數(shù)值,需要先對(duì)兩車(chē)行駛過(guò)程中制動(dòng)狀況進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算出兩車(chē)剎車(chē)過(guò)程中所需要的距離,來(lái)斷定前后兩車(chē)是否存在追尾風(fēng)險(xiǎn).

汽車(chē)在實(shí)際剎車(chē)過(guò)程中,在輪胎沒(méi)有抱死的情況下,整個(gè)剎車(chē)所需要的阻力均來(lái)自輪胎與地面之間的摩擦力,摩擦力的大小取決于摩擦系數(shù).從能量守恒可以得到摩擦力對(duì)物體做的功等于物體動(dòng)能的變化量:μN(yùn)S=1/2mv2其中N是車(chē)對(duì)地面的壓力,μ是車(chē)跟地面的摩擦系數(shù),S是剎車(chē)距離,m是車(chē)的質(zhì)量,v是車(chē)的速度,其中車(chē)對(duì)地面的壓力等于車(chē)的重力F=mg,所以得到mgμs=1/2mv2,即

(1)

高速公路較常見(jiàn)的追尾事故為后車(chē)速度高于前車(chē),造成車(chē)距過(guò)近,存在較大的行車(chē)危險(xiǎn).假設(shè)高速公路同一車(chē)道上行駛著前后兩車(chē),后車(chē)為A,車(chē)速為Va,前車(chē)為B,車(chē)速為Vb,Va>Vb,前后兩車(chē)車(chē)距為S.根據(jù)方程1所示,兩車(chē)剎車(chē)距離分別為

(2)

(3)

如果后車(chē)同前車(chē)所處距離S大于后車(chē)剎車(chē)距離Sa,此時(shí)即使前車(chē)由于發(fā)生事故瞬間靜止,后車(chē)也有足夠的距離剎車(chē)直到停下,所以將后車(chē)同前車(chē)的距離為絕對(duì)安全距離,危險(xiǎn)系數(shù)為0,定

(4)

(5)

2.3.1數(shù)值的確定

防撞系統(tǒng)既要在相對(duì)安全的車(chē)距之內(nèi)對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒,又要不能發(fā)出錯(cuò)誤的剎車(chē)信號(hào),影響道路正常行駛,則在數(shù)值確定的時(shí)候參照危險(xiǎn)系數(shù)的增加.

2.3.1.1st的設(shè)定

安全行車(chē)常識(shí)里有一個(gè)保持車(chē)距的原則,即保持車(chē)距為車(chē)速的千分之一,如車(chē)速為50 km/h,保持車(chē)距50 m,車(chē)速為120 km/h,保持車(chē)距120 m.則根據(jù)基本的行車(chē)常識(shí),將提醒距離定為:

(6)

2.3.1.2sw的設(shè)定

只要存在行車(chē)危險(xiǎn)的情況下就要進(jìn)行報(bào)警,則報(bào)警距離為危險(xiǎn)系數(shù)為0時(shí)的車(chē)距S0,即:

(7)

2.3.1.3sd設(shè)定

sd設(shè)定的初衷為如果駕駛員不做出制動(dòng)措施,就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的,但出于安全考慮,暫將危險(xiǎn)系數(shù)定為0.5,即s0和s1之間的距離,即:

(8)

2.3.2模型的完善及驗(yàn)證

2.3.2.1延遲考慮

圖3為普通人的反應(yīng)時(shí)間,t1在0.2 s以上,如果考慮車(chē)子的響應(yīng)時(shí)間即t2+t3,正常情況下所需總時(shí)間約0.5～0.6 s,出于安全考慮,將t2+t3定為1 s.所需要的時(shí)間較短,可以作為汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間,考慮在t2之內(nèi).則st,sw,sd均需增加延遲距離t×va.

圖3　汽車(chē)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間示意圖

2.3.2.2速度差系數(shù)

如果前后兩車(chē)以較大的速度差行駛時(shí),例如前車(chē)為0,后車(chē)為50 km/h,則就會(huì)出現(xiàn)s0=s1的極端情況,這時(shí)候所設(shè)定的絕對(duì)安全距離就不夠安全,就需要一個(gè)速度差系數(shù)來(lái)保證在速度差較大的時(shí)候兩車(chē)s0與s1之間拉開(kāi)一段距離,并給駕駛員一段判斷時(shí)間.因此在模型中引入一個(gè)速度差系數(shù)kv.以?xún)绍?chē)速度差為變量,在前車(chē)速度為0的情況下,達(dá)到最大;當(dāng)兩車(chē)速度差越小的時(shí)候,速度差系數(shù)隨之減小,最終在兩車(chē)速度相同時(shí),系數(shù)kv回歸為1.又由于剎車(chē)距離與速度成二次系數(shù),所以速度差系數(shù)應(yīng)呈二次系數(shù)遞減.假定后車(chē)速度以100 km/h向前勻速移動(dòng),根據(jù)前文推導(dǎo),此時(shí)提醒距離為100 m,此時(shí)的剎車(chē)安全距離為50 m.當(dāng)前車(chē)速度為0時(shí),在此情況下,將kv數(shù)值從1.2增加到1.8作圖研究發(fā)現(xiàn)(圖4):當(dāng)速度差系數(shù)kv為1.8最能滿(mǎn)足實(shí)際情況.最終解方程得:

(9)

圖4　引入速度差系數(shù)后報(bào)警距離的變化

2.3.2.3摩擦系數(shù)

由于剎車(chē)距離與摩擦系數(shù)成反比,則提醒距離也應(yīng)與摩擦系數(shù)相關(guān),則st應(yīng)該增加摩擦系數(shù)的比值.由于摩擦系數(shù)一般在0.8左右,所以將這個(gè)系數(shù)定為0.8/μ.

2.3.3最終剎車(chē)模型

經(jīng)過(guò)模型的完善,將3個(gè)減速階段定位:

(10)

(11)

(12)

當(dāng)va>vb時(shí),i=1;當(dāng)va

從圖5中可以看到,當(dāng)前車(chē)的車(chē)速vb為100km/h,后車(chē)車(chē)速va為120km/h時(shí),強(qiáng)制剎車(chē)距離sd約為50m;當(dāng)前車(chē)的車(chē)速vb為100km/h,本車(chē)車(chē)速va為50km/h時(shí),強(qiáng)制剎車(chē)距離sd約為30m.

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序由開(kāi)發(fā)板主程序和超聲波測(cè)距程序組成[7].主程序完成系統(tǒng)初始化,加載防撞算法,LED報(bào)警.超聲波測(cè)距程序完成超聲波的發(fā)射和接收、計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離.AVR單片機(jī)和ARM開(kāi)發(fā)板之間通過(guò)USART傳遞數(shù)據(jù).程序流程圖如圖1所示.

圖5　制動(dòng)距離三維圖

3.1主程序設(shè)計(jì)

Ok6410開(kāi)發(fā)板首先進(jìn)行模塊初始化包括LED驅(qū)動(dòng)初始化和串口接收程序,通過(guò)中斷的方式接收由AVR單片機(jī)發(fā)送的超聲波測(cè)距數(shù)據(jù),接著將數(shù)據(jù)代入報(bào)警算法,得到報(bào)警信息,再將信息寫(xiě)入LED驅(qū)動(dòng),完成報(bào)警.

3.2超聲波測(cè)距程序

超聲波發(fā)射程序啟動(dòng)時(shí)先進(jìn)行參數(shù)初始化,然后發(fā)射15kHz的超聲波脈沖信號(hào),每過(guò)60ms發(fā)送一次,通過(guò)比較定時(shí)器發(fā)送超聲波信號(hào),延時(shí)等待50ms,中斷開(kāi)啟,計(jì)時(shí)器初始化等待中斷信號(hào).只有當(dāng)接收到回波時(shí)等待結(jié)束,中斷關(guān)閉,計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù),否則繼續(xù)延時(shí)等待.根據(jù)讀出回波與發(fā)射波之間的時(shí)間差,計(jì)算出距離,每隔1s進(jìn)行重新測(cè)量.實(shí)際中測(cè)量結(jié)果如表2.

表2　實(shí)際測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)束語(yǔ)

采用超聲波測(cè)距裝置獲得行駛中車(chē)輛間的距離并計(jì)算前方車(chē)輛速度信息,再通過(guò)自身車(chē)輛車(chē)速表盤(pán)讀數(shù)(采用電腦模擬)得到本車(chē)速度值.將車(chē)間距離兩車(chē)行駛速度分別代入汽車(chē)防撞模型中得出預(yù)警信息.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以超聲波測(cè)距為主,通過(guò)對(duì)理論和實(shí)際情況的分析,由ARM處理器控制核心快速地計(jì)算出行車(chē)數(shù)據(jù),同時(shí)利用LED進(jìn)行燈光報(bào)警提示,從而達(dá)到汽車(chē)防撞的目的.隨著系統(tǒng)功能的不斷完善,該系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛.

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(責(zé)任編輯：包震宇)

Research on embedded automobile collision avoidance system

TAO Feng, ZHAO Gengming

(CollegeofInformation,MechanicalandElectricalEngineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)

TakingARMembeddedLinuxoperatingsystemasthedevelopmentplatform,combinedwithAVRmicrocontroller,whileoptimizingtherangingalgorithmandusingairultrasonictransducer,themeasurementrangeofwhichcanbeupto50meter,thispaperdesignsahigh-precision,rangefar,lowprice,variousmodelssuitableautomobilecollisionavoidancewarningsystem.ThesystemadoptsForlinxOK6410developmentboardforthemaster.AVRmicrocontrollerisresponsiblefortakingthedataoftravelingdistancebetweenvehicles,andwiththeARMdevelopmentboardviaRS232communicationtransfersvehicle′sdistanceandspeedinformationtotheARMdevelopmentboards.Thesystemusestheestablishedcollisionavoidancemodeltogetalarminformation.Experimentsshowthatthesystemcanaccuratelysendoutalarminformationwithinacertainrange.Itisinnovativeandpractical.

ARMembedded;Linuxoperatingsystem;ultrasonictransducer;rangingalgorithm

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.009

2015-03-23

趙梗明,中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,郵編:200234,E-mail:gengming@shnu.edu.cn

TP 368.1

A

1000-5137(2016)04-0441-07