作者/朱彤彤、蔡乙男、馮芳、杜青，天津天獅學院信息與自動化學院

車輛安全保障系統(tǒng)的設計

作者/朱彤彤、蔡乙男、馮芳、杜青，天津天獅學院信息與自動化學院

本文設計的車輛安全保障系統(tǒng)是針對防撞預警系統(tǒng)中的安全距離、車速、語音提醒以及緊急求救系統(tǒng)中的GPS定位、GSM發(fā)送短信等部分展開研究，通過遙控控制小車運動后，由測速模塊測出車速，并根據(jù)車速計算出制動距離，再由超聲波模塊與前方障礙物的距離，與制動距離比較大小后，通過語音模塊提醒減速慢行。在小車發(fā)生碰撞后，由GPS模塊定位后，通過GSM模塊將求救信息發(fā)送給預先設定好的接收對象，達到緊急求救的效果。對整個系統(tǒng)測試結(jié)果表明，當車距過近時，可以發(fā)出語音提醒。在駕駛員遇到突發(fā)事故后，能夠及時發(fā)送求救信息，保障了駕駛員的生命安全。

STM32；GSM；GPS

序言

民防部門做過一個這樣的統(tǒng)計，出車禍后傷勢一樣的重傷員，在半個小時內(nèi)獲救，其生存率為80%，在一個小時內(nèi)得救，其生存率為40%，在一個半小時內(nèi)得救，其生存率僅僅為10%以內(nèi)，綜上所述，及時得到救援可大大提高生存率。

研究表明，若駕駛員可以提前1秒意識到危險并采取正確措施，可以避免90%的追尾撞車事故，所以防撞預警在很大程度上可以避免交通事故。車輛安全保障系統(tǒng)的防撞預警和緊急求救研究可以提高事故救援的響應速度和急救效率，明顯減少交通事故以及事故后的人員傷亡。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于防撞預警和緊急求救的車輛安全保障系統(tǒng)主要包括三種功能：防撞預警功能、緊急求救功能、自動呼救功能。

（1）防撞預警功能：系統(tǒng)通過傳感器測出汽車的行駛速度，主控模塊根據(jù)車速來計算行駛過程中的安全距離S，用雷達測量汽車與前方車輛或者障礙物之間的距離X，然后比較ΔL與（X–S）的值來確定是否是安全行駛，如果ΔL>0則不觸發(fā)安全警報；當ΔL<0時觸發(fā)安全警報，語音模塊發(fā)出語音提示，此時提醒駕駛員應減速行駛，保持安全距離。

（2）緊急求救功能：在遇到緊急情況時，駕駛員可以通過一鍵式呼救按鈕向外界進行呼救，通過系統(tǒng)的GPS模塊進行定位，然后GSM模塊把GPS的位置信息向預設對象發(fā)送求救信息以達到求救目的。如果不小心按下按鈕，可以通過取消按鈕進行取消，但相隔時間不能超過3s。

（3）自動呼救功能：當緊急情況發(fā)生時，駕駛員有可能會因為情緒慌張、時間緊迫、受傷昏迷等原因無法主動的按下緊急呼救按鈕，這時在車身上安裝的警戒裝置就起作用了，不需要人為的去控制，一旦超過警戒值，它就能自動的向預設對象發(fā)送求救信息。

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要包括MCU控制器、超聲波模塊、語音模塊、GPS模塊、GSM模塊等。各模塊的功能如下：（1）超聲波模塊的功能用于測量與前方障礙物的距離。（2）語音模塊的功能是發(fā)出語音提醒。（3）GPS模塊的功能是接收GPS定位信息，再將定位到的信息編譯成NMEA0183格式，再傳送給STM32芯片。（4）GSM模塊起到了人機通信的作用，STM32控制GSM模塊通過短信服務中心將編輯好的求救信息與定位信息發(fā)送給預先設定好的其他用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.硬件設計

■2.1 防撞預警模塊設計

防撞預警硬件部分采用STM32開發(fā)系統(tǒng)、超聲波模塊L298N電機驅(qū)動模塊、紅外遙控模塊和語音模塊，這些模塊構(gòu)成防撞預警系統(tǒng)，用以在制動距離大于安全距離時，提醒駕駛員減速慢行。

■2.2 車輛制動距離模型

一般情況下，駕駛員在公路上遇到突發(fā)情況，會有駕駛員反應到汽車剎車停下的這一完整過程，可將這個過程分為四個時間段：駕駛員反應時間、制動做功時間、汽車制動時間、制動結(jié)束時間，圖2是汽車減速度與這四個時間段的關(guān)系。

（1）t1和t2是司機的反應時間，t1表示的是司機意識到有碰撞的危險性，其反應所花費的時間，t2表示的是司機意識到危險后，把腳移動到制動板上所消耗的時間，在這段時間內(nèi)，車還在行駛的過程中，所以假設行駛的距離為s1。

圖2 制動過程曲線示意圖

（2）制動做功時間，所用的時間為t3和t4，t3是指剎車總泵內(nèi)的活塞將剎車油往前推去并在油路中產(chǎn)生壓力。壓力經(jīng)由剎車油傳送到每個車輪的剎車分泵活塞，剎車分泵的活塞再推動剎車片向外，使剎車片與剎車鼓的內(nèi)面發(fā)生摩擦的這一過程；車輛開始減速直到最大時，耗時為t4，設制動做功時間內(nèi)車輛行駛的距離為s2。

（3）汽車制動時間t5，指的是汽車減速度最大時，汽車停下來所消耗的時間，設這段時間內(nèi)行駛距離設為s3。

（4）制動結(jié)束時間t6，這個時間汽車已經(jīng)制動完成，保持靜止不動。

從上述描述可以得出，汽車在四個時間段內(nèi)行駛的總距離s為：s=s1+s2+s3。在建立安全距離模型中，先假設汽車最初的速度為μ1、輪胎與地面的附著系數(shù)為φ、重力加速度為g、汽車最大加速度為a,并且agφ=，通過計算后制動距離為：

■2.3 緊急求救硬件設計

緊急求救硬件部分采用碰撞模塊、GSM模塊和GPS模塊，在駕駛員發(fā)生車禍失去意識的情況下，自動將定位信息通過GSM模塊發(fā)送給預設接收對象。

2.3.1 GSM模塊通信設置

GSM系統(tǒng)的短信息被編碼消息長度為140個字節(jié)，也就是一條短信的長度不得超過70個漢字，而本系統(tǒng)所發(fā)送的信息在70個漢字以內(nèi)，符合GSM系統(tǒng)短消息業(yè)務的使用條件，而且操作簡便，容易被人們所接受。短信服務接收和發(fā)送有關(guān)的AT命令如下所示：

（1）AT+CPMS，查詢SIM卡內(nèi)短消息使用狀態(tài)

（2）AT+CNMI，新消息指示設置

（3）AT+CMGF，選擇短消息格式

（4）AT+CSCS，編碼設置

（5）AT+CSMP，設置短消息文本模式參數(shù)

（6）AT+CMGS，發(fā)送短消息

（7）AT+CMGR，讀取短消息

2.3.2 GPS模塊通信設置

ATK–S1216F8–BDGPS/北斗模塊同外部設備的通信接口采用UART（串口）方式，輸出的GPS/北斗定位數(shù)據(jù)采用NMEA–0183協(xié)議（默認），控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。NMEA 0183是美國國家海洋電子協(xié)會（National Marine Electronics Association）為海用電子設備制定的標準格式。目前也已成了GPS/北斗導航設備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標準協(xié)議。NMEA–0183協(xié)議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，我們稱之為幀。NMEA–0183常用命令如表1所示。

表1 NMEA-0183常用命令

圖3 程序流程圖

3.系統(tǒng)軟件設計部分

主程序是按圖3所示步驟執(zhí)行的，該程序分為兩部分，一部分為防撞預警，先對小車進行測速，然后測出與前方障礙物的距離，判斷出制動距離與安全距離的大小關(guān)系后，來決定是否語音提醒；另一部分為緊急求救，判斷出小車是否碰撞或按下求救按鍵，在判斷出取消按鍵是否在3s內(nèi)按下，求救有效后對小車進行GPS定位，再通過GSM模塊將定位信息發(fā)送給預設對象。

4.結(jié)語

本系統(tǒng)完成的內(nèi)容：（1）可以實時檢測車速，能根據(jù)車速計算出安全距離，同時檢測車輛與前方障礙物間的實際距離，然后比較這兩個距離的大小，當實際距離小于安全距離時，系統(tǒng)通過語音提醒駕駛員減速行駛；（2）當汽車在行駛過程中遇到緊急情況時，駕駛員能通過緊急呼救按鈕向外界呼救；（3）在汽車發(fā)生緊急情況時，即使駕駛員沒有按下緊急呼救按鈕，通過裝在車上的警戒裝置，系統(tǒng)也能自動的向外界發(fā)送求救信息。同時該系統(tǒng)存在的缺點就是在密閉的地方GPS搜索不到衛(wèi)星，所以定位不能成功；短信發(fā)送響應慢，在發(fā)生碰撞30秒后，預設短信接收對象才能夠接收到求救短信。

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