高建偉，李海涵

（1.滕州市中等職業(yè)教育中心學(xué)校，山東棗莊 277000；2.棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277000）

0 引言

隨著全球汽車保有量的日益增加，道路交通安全事故發(fā)生率居高不下，成為較為嚴(yán)重的社會問題，在一些不良駕駛條件下，顯得尤為突出，比如惡劣天氣、超速、疲勞駕駛等。目前，安全駕駛性能[1]的提升仍是汽車研發(fā)領(lǐng)域的最關(guān)鍵問題之一。為了降低車輛碰撞事故的概率，國內(nèi)外學(xué)者對緊急避讓系統(tǒng)[2]展開深入研究，并且逐漸在民用車輛領(lǐng)域內(nèi)得到良好的發(fā)展和應(yīng)用。諸多汽車廠商對于避讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于攝像頭、雷達(dá)等設(shè)備，重點(diǎn)考慮低速條件下的避讓，即采用制動方式進(jìn)行防撞控制，有助于駕駛員緊急制動時的臨場反應(yīng)。但是，在復(fù)雜的道路狀態(tài)，該方式并不能完全滿足駕駛員要求。為此，更多的研發(fā)人員采用激光、超聲波或紅外線采集車輛周圍的障礙信號[3]，設(shè)計(jì)智能避讓或越障系統(tǒng)，為駕駛員提供必要的預(yù)警信息或控制信號。綜合考慮可靠性和性價比，提出了一種基于紅外測距方法的汽車智能避讓控制系統(tǒng)，在中距離障礙物的判斷方面有著顯著優(yōu)勢，可以有效地解決大霧等惡氣天氣帶來的行車不便。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 紅外測距

所設(shè)計(jì)的汽車智能避讓功能是基于紅外測距[4]原理實(shí)現(xiàn)的。一般情況下，實(shí)現(xiàn)紅外測距的基本要求為紅外發(fā)射和接受功能，通過紅外線的傳輸時間折算出避障間距。由于環(huán)境中的無線信號較多，需要系統(tǒng)設(shè)定特定的紅外光頻，避免被其他信號混淆或干擾。

然而，常規(guī)的紅外測距裝置僅適用較短距離，大大限制了系統(tǒng)的功能和汽車行駛的安全性。因此，新開發(fā)的系統(tǒng)采用特定的紅外傳感設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)包括紅外發(fā)射光管、接收控制端以及信號輸入/輸出端口等。此外，要求紅外發(fā)射光管具有較大的功率，不但能確保測量的可靠性，而且可以提升信號的抗干擾能力。信號的輸入/輸出模塊需要采用標(biāo)準(zhǔn)電壓，以便于距離準(zhǔn)確性的校對。

1.2 功能設(shè)計(jì)

為了提升系統(tǒng)的可開發(fā)性[5]，采用DSP2812 作為汽車避讓控制系統(tǒng)的核心處理器。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備的基本功能包括：①最近障礙物的距離顯示，實(shí)現(xiàn)60 km/h 以上行駛速度的測量偏差在5%以內(nèi)，20～60 km/h 范圍內(nèi)行駛速度的測量偏差在2.5%以內(nèi)；20 km/h 以內(nèi)行駛速度的測量偏差在1%以內(nèi)；②可以根據(jù)要求設(shè)定障礙物距離的預(yù)警值，執(zhí)行聲光報(bào)警；③具有良好的交互性，便于系統(tǒng)硬件升級；④通信穩(wěn)定，實(shí)時性強(qiáng)。為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性，將GPS 與紅外高速傳感器配合使用，將系統(tǒng)模塊化，這樣能夠使得智能避讓控制系統(tǒng)在汽車安全行駛中有著更好的應(yīng)用效果。

根據(jù)功能類型，系統(tǒng)的子模塊主要包括紅外高速測距模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試工作組）接口模塊以及SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）接口模塊等。其中，JTAG 接口模塊提供了程序調(diào)試、上傳和下載端口，并且能夠通過RS232 升級軟件系統(tǒng)。根據(jù)功能原理可知，紅外測距功能由DSP2812 控制。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，DSP2812 接收上位機(jī)或駕駛員指令進(jìn)行實(shí)時測距。紅外線從發(fā)射到接收期間，傳感器將輸出瞬態(tài)電壓信號，并通過A/D 轉(zhuǎn)換后由控制器識別。DSP2812 通過數(shù)據(jù)處理得出目標(biāo)障礙物的距離，并通過軟件內(nèi)特定的算法規(guī)劃出最佳避障路線。

在汽車行駛過程中，車輛位姿是動態(tài)變化的，導(dǎo)致紅外測距存在角度偏差。為此，系統(tǒng)設(shè)定高速紅外傳感設(shè)備的機(jī)械底座為二維工作臺，通過2 個步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作臺的180°內(nèi)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動范圍設(shè)定為250 mm。雖然該工作臺主要實(shí)現(xiàn)傳感器位置和狀態(tài)的改變，精度要求相對較低，但為了確保其穩(wěn)定性，需要對驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試

2.1 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)中，除了硬件的最優(yōu)化選型外，還要求重點(diǎn)對高速紅外傳感設(shè)備機(jī)械底座的驅(qū)動方式以及A/D 轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，設(shè)計(jì)二維工作臺的驅(qū)動電路和A/D 轉(zhuǎn)換等電路（圖1）。

圖1 二維工作臺的驅(qū)動電路

從圖1 中可以看出，J3 為外部可擴(kuò)充的電機(jī)接口，步進(jìn)電機(jī)采用自動控制方式，控制指令為直接識別的PWM 信號，但是需要通過三極管8050 等進(jìn)行放大，而且根據(jù)二極管4007 執(zhí)行電壓保護(hù)功能。在A/D 轉(zhuǎn)換過程中，主要通過ADC0804Q 實(shí)現(xiàn)信號的采集，并傳輸至控制器DSP2812。A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0804為典型的8 位、1 通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出電壓為0～5 V，具有顯著的性價比特征，適用于精度要求相對較低的條件。

2.2 系統(tǒng)調(diào)試和測試

硬件設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行不斷調(diào)試才能達(dá)到理想工作狀態(tài)。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的硬件存在以下問題：①對于功率器件，其驅(qū)動部分存在一定設(shè)計(jì)缺陷；②存在通信干擾。對于以上問題，系統(tǒng)采用以下優(yōu)化方案：①在驅(qū)動電路的電源回路中加入隔離電源，可有效避免功率線的影響，增加驅(qū)動電路的安全性和可靠性；②數(shù)據(jù)通信采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線方式，且供電電壓改為12 V，此時，當(dāng)通信線產(chǎn)生的壓降≤5 V 時，仍能保持較強(qiáng)的通信強(qiáng)度。

系統(tǒng)調(diào)試后，在車輛行駛過程中進(jìn)行精度測試。在空曠的區(qū)域設(shè)定障礙物，并對車輛和障礙物進(jìn)行標(biāo)定。在不同行駛速度下，在特定位置對車輛和障礙物之間的距離進(jìn)行測量。該系統(tǒng)具有較高的測量精度，完全滿足功能設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語

新設(shè)計(jì)的汽車智能避讓控制系統(tǒng)可以大大降低車輛碰撞的發(fā)生率，對于安全駕駛有著重要意義。由于整個系統(tǒng)是基于紅外測距原理實(shí)現(xiàn)的，非常適用于大霧、大雨、夜行或其他低能見度的駕駛條件。此外，該系統(tǒng)充分考慮到測量的精度和可靠性，滿足功能設(shè)計(jì)要求，可擴(kuò)展能力強(qiáng)，為后期的開發(fā)或升級提供良好的基礎(chǔ)和先決條件。