李帆

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處, 陜西 西安 710018)

0 引言

隨著汽車使用量的持續(xù)增加，在為日常生產(chǎn)生活帶來巨大便利的同時(shí)導(dǎo)致道路行車安全系數(shù)不高的問題日益突出，道路交通事故頻發(fā)，帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，既對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來不同程度的損害又對(duì)社會(huì)秩序產(chǎn)生了不良影響。汽車追尾是引發(fā)交通事故的主要原因之一，通過防追尾預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)檢測(cè)到可能發(fā)生的追尾事故，并在較短的安全時(shí)間內(nèi)向駕駛員發(fā)出報(bào)警提示并提醒其進(jìn)行正確合理的操作(包括制動(dòng)、剎車等)。隨著節(jié)能環(huán)保的深入開展，新能源汽車的市場(chǎng)占有率不斷擴(kuò)大，為此本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種針對(duì)新能源汽車的防追尾預(yù)警系統(tǒng)[1]。

1 現(xiàn)狀分析

相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示在引發(fā)交通事故的多種原因中汽車追尾占比較高，尤其是行駛于高速公路中的汽車發(fā)生追尾事故的概率較高，目前汽車防追尾預(yù)警功能已成為一種實(shí)用有效的手段，這就促使種高效可靠的汽車防追尾預(yù)警系統(tǒng)成為現(xiàn)階段領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)，眾多汽車生產(chǎn)企業(yè)、高校、社會(huì)科研機(jī)構(gòu)投入到了這方面研究中。在現(xiàn)有的汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)中，自車和前車(包括為靜止障礙物的前車或物體)的距離及相對(duì)速度的探測(cè)與測(cè)量功能通過車載雷達(dá)傳感器的使用實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)在自車同前方的車輛或靜止物體間的距離(測(cè)量數(shù)值顯示于液晶顯示屏上)小于規(guī)定的安全數(shù)值的情況下會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)(包括聲音和燈光兩種形式)，提醒駕駛員制動(dòng)或控制車輛自動(dòng)剎車。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車防追尾預(yù)警系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，例如，一種依賴于車與車間的信息交互的主動(dòng)防追尾預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能主要基于雷達(dá)與攝像頭實(shí)現(xiàn)，但在工作過程中涉及到大量的信息處理，系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率與實(shí)時(shí)性有待提高；根據(jù)對(duì)后向可達(dá)性與不變集理論的分析結(jié)果完成的汽車間最大允許安全距離的設(shè)置(包括位置誤差、加速度)，主要通過多個(gè)控制器(兩個(gè)或兩個(gè)以上)的使用實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車相對(duì)速度、車間距離的測(cè)量，但因?qū)ζ囎赃m應(yīng)巡航系統(tǒng)的要求較高而限制了應(yīng)用范圍；一種結(jié)合運(yùn)用確定性及隨機(jī)參數(shù)的主動(dòng)防追尾碰撞預(yù)警算法(同時(shí)考慮到了駕駛員反應(yīng)時(shí)間)，該算法基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使自車與前車追尾碰撞的風(fēng)險(xiǎn)得到有效降低，但要求所探測(cè)的數(shù)據(jù)具備較高的精度。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的工作效率及報(bào)警準(zhǔn)確率，本文主要對(duì)汽車主動(dòng)防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過使用控制器單一的AT89S52實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)分模塊的設(shè)計(jì)(主要包括車速檢測(cè)、聲光預(yù)警、測(cè)距信息輸入等模塊)，通過傳感器完成車速、車距等信息的采集，并在此基礎(chǔ)上完成車間安全距離的準(zhǔn)確計(jì)算，及時(shí)向駕駛員發(fā)出聲光報(bào)警，從而使汽車追尾碰撞事故得以有效避免。

2 防撞原理

通過安裝在汽車上的防碰撞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)追尾隱患時(shí)，向駕駛員發(fā)出警報(bào)提示，并在較為緊急的情況下進(jìn)行自動(dòng)控制和緊急制動(dòng)，由于在安全距離內(nèi)出現(xiàn)的追尾隱患對(duì)汽車防追尾報(bào)警系統(tǒng)的靈敏度要求較高，為給駕駛員留出較為充足的反映時(shí)間、提高系統(tǒng)的可靠性，需最大程度降低防追尾系統(tǒng)的誤警率和漏警率，汽車防追尾系統(tǒng)的可靠性主要受到行駛車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、路面附著系數(shù)、駕駛員的應(yīng)急能力及反應(yīng)時(shí)間等因素的影響。經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化的汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)自車與前方行駛汽車間的距離，在檢測(cè)距離小于安全距離的情況下通過預(yù)先設(shè)置輸入的報(bào)警程序通過蜂鳴器向駕駛員發(fā)出報(bào)警提示，提醒駕駛員采取剎車操作，緊急情況下可進(jìn)行自動(dòng)剎車。

2.1 碰撞分析模型

對(duì)于行駛在高速公路同一車道上兩個(gè)任意時(shí)刻的前后兩輛汽車(后車A和前車B，行駛方向相同)的相對(duì)位置，如圖1所示。

圖1 前后車相對(duì)位置示意圖

使用激光測(cè)距傳感器探測(cè)距離，某一時(shí)刻A和B的間隔距離由d表示，A采取制動(dòng)后由SA表示其行駛的距離，B行駛的距離由SB表示，最小縱向安全距離由dmin表示(即SA-SB)，假設(shè)，某一時(shí)刻測(cè)得的A和B間距為D，并且A、B兩車停止時(shí)需保持由d0表示的額定安全距離(通常在2～5 m之間)，汽車相對(duì)速度及駕駛員反應(yīng)時(shí)間是影響d0大小的主要因素，危險(xiǎn)報(bào)警距離由Sw表示，本文在此基礎(chǔ)上確定了Sw=d0+dmin≥D的報(bào)警規(guī)則，防尾預(yù)警剎車系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)車間相對(duì)距離差(即D-dmin)不超過d0的情況下開始向駕駛員發(fā)出語音報(bào)警，提醒其采取避免追尾碰撞的相應(yīng)措施[2]。

2.2 汽車制動(dòng)距離

駕駛員接受緊急制動(dòng)信號(hào)后，汽車制動(dòng)狀態(tài)下的制動(dòng)減速度、踏板力、制動(dòng)時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 汽車的制動(dòng)過程

(1)

2.3 危險(xiǎn)報(bào)警距離的建立

在前后兩車均處于行駛狀態(tài)下，后車A的駕駛員難以預(yù)知前車B接下來的行為，尾隨車的危險(xiǎn)報(bào)警距離根據(jù)車輛不同行駛狀態(tài)可分為三種情況[4]。

(1) 前車靜止或前方存在靜止障礙物時(shí)，此時(shí)推得SB=0，車間距離表達(dá)式，如式(2)。

(2)

假設(shè)，后車最大制動(dòng)減速度由aAmax表示，前車的速度和制動(dòng)減速度分別由vB和aB表示，后車停止時(shí)兩車間的額定安全間距由d0表示，此時(shí)的危險(xiǎn)報(bào)警距離表達(dá)式，如式(3)。

(3)

(2) 前車減速行駛時(shí)，后車車速和前車車速分別由vA和vB表示，如式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中，vr表示相對(duì)速度，Δt表示單位時(shí)間間隔，D2和D1表示Δt內(nèi)的實(shí)時(shí)測(cè)量值(由激光測(cè)距傳感器完成)，vB=vA-vr，vr=(D2-D1)/Δt。報(bào)警模型通常會(huì)受到aA、aB大小的較大影響，前后兩車都采用最大減速度計(jì)算以簡(jiǎn)化計(jì)算，取aAmax=aB時(shí)的危險(xiǎn)報(bào)警距離表達(dá)式，如式(6)。

(vA+vB)vr/25.92aAmax+do

(6)

(3) 前車勻速或加速行駛時(shí)，尾隨車車速小于前車車速時(shí)不會(huì)發(fā)生追尾碰撞的情況，在尾隨車車速大于前車車速時(shí)發(fā)生碰撞的可能性較大，危險(xiǎn)報(bào)警距離表達(dá)式，如式(7)。

(7)

3 汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所構(gòu)建的系統(tǒng)主要由信息采集(主要由包含三個(gè)按鈕的路面情況選擇開關(guān)、安裝于車前保險(xiǎn)桿處的激光測(cè)距傳感器、安裝于變速箱蝸輪軸上的霍爾車速傳感器、駕駛員反應(yīng)時(shí)間構(gòu)成)、中央信息處理(系統(tǒng)的運(yùn)算核心)、負(fù)責(zé)系統(tǒng)輸出執(zhí)行部分的聲光預(yù)警3大模塊構(gòu)成，其總體架構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

信息采集模塊負(fù)責(zé)采集自車和前車信息，霍爾車速傳感器主要負(fù)責(zé)測(cè)量自車速度以供中央信息處理模塊使用；采用測(cè)程可達(dá)200 m的脈沖激光測(cè)距傳感器負(fù)責(zé)完成對(duì)自車同前車的間距及路況信息的實(shí)時(shí)測(cè)量功能，并經(jīng)射頻模塊向中央信息處理模塊傳送檢測(cè)到的參數(shù)信息(測(cè)距精度在0.15～0.2 m之間)；路面情況選擇開關(guān)主要針對(duì)干燥、潮濕和泥漿3種路面進(jìn)行選擇；以實(shí)際不同的駕駛員信息及車速為依據(jù)輸入相應(yīng)的駕駛員反應(yīng)時(shí)間。選用AT89S52單片機(jī)作為處理器的中央信息處理模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的全部測(cè)量參數(shù)的分析運(yùn)算與融合(使用中央處理器完成)，可使用同AT89S52所有外設(shè)配套的函數(shù)庫(由ATMEL公司編寫)。主要由聲光報(bào)警器(蜂鳴器，)和 LED 顯示器(用于實(shí)時(shí)顯示自車速度及兩車的實(shí)際距離)構(gòu)成的聲光預(yù)警模塊主要負(fù)責(zé)在系統(tǒng)預(yù)測(cè)到存在追尾碰撞危險(xiǎn)時(shí)及時(shí)向駕駛員發(fā)出語音報(bào)警提示，避免碰撞事故的發(fā)生[5]。

3.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

(1) 測(cè)距信息接口。AT89S52的電平為 TTL 電平，采用RS232標(biāo)準(zhǔn)通信接口的傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息需通過相應(yīng)接口完成到AT89S52的傳送，本文使用MAX232(一種電平轉(zhuǎn)換芯片)實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距傳感器測(cè)算的距離信息的電平轉(zhuǎn)換后再同單片機(jī)接口電路相連。(2) 車速檢測(cè)模塊。該模塊主要由霍爾元件H、三極管和光耦開關(guān)TLP521構(gòu)成。將一塊正對(duì)面安裝霍爾元件的磁鋼(使霍爾H與磁鋼間形成磁場(chǎng))固定到蝸輪軸轉(zhuǎn)軸上(以霍爾元件的靈敏度為依據(jù)對(duì)空隙進(jìn)行調(diào)節(jié))，轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)(每次霍爾在其正對(duì)面面向轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵時(shí)即會(huì)發(fā)出一次脈沖信號(hào))，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速以I/O 口輸出高低電平的個(gè)數(shù)(指標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路)為依據(jù)計(jì)算獲取，3 腳的低電平在磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)釋放點(diǎn)時(shí)向高電平跳變，從而導(dǎo)通三極管和光耦的6、7 腳，此時(shí)I/O 輸出低電平；3 腳的高電平在磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)工作點(diǎn)時(shí)向低電平跳變，從而截止三極管和光耦的6、7 腳，此時(shí)I/O 輸出高電平[6]。(3) 基于ISD2560 語音芯片的聲光預(yù)警模塊。AGC 為自動(dòng)增益控制端，麥克風(fēng)輸入端和補(bǔ)償端分別對(duì)應(yīng)MIC和MIC REF，連接模擬信號(hào)的輸入端(ANAIN)和輸出端(ANAOUT)的耦合電容的取值一般在0.22～10 μF間，EOM 表示播音結(jié)束，高電平的P/R 引腳激活芯片播放提示音功能[7]。

3.3 軟件工作流程

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)主要包括主程序和判斷子程序，系統(tǒng)主程序流程，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序算法流程示意圖

通過支持 C 語言程序編譯功能的Keil-uVision 軟件的使用完成系統(tǒng)單片機(jī)的調(diào)試，初始化單片機(jī) AT89S52后通過信息采集模塊完成車速、地面附著系數(shù)等信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲取，然后以危險(xiǎn)報(bào)警距離為依據(jù)，根據(jù)動(dòng)態(tài)車間相對(duì)距離差(實(shí)測(cè)距離與最小縱向距離之差)的計(jì)算結(jié)果完成對(duì)碰撞發(fā)生與否的判斷，在差值小于5 m的額定安全距離時(shí)及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警裝置，同時(shí)向駕駛員發(fā)出轉(zhuǎn)向、剎車等提示信息，緊急情況下控制車輛自動(dòng)剎車；超過額定安全距離則抑制報(bào)警功能[8]。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

表1 前車不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)在危險(xiǎn)報(bào)警距離大于兩車相對(duì)距離時(shí)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)出報(bào)警提示，達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9]。

5 總結(jié)

不斷提升的社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平以及家庭生活水平促使汽車逐漸成為不可缺少的代步工具，汽車保有量不斷增加，在為日常生產(chǎn)生活帶來了極大便利的同時(shí)，道路擁堵及交通安全問題日益突出，本文以對(duì)汽車防撞原理的分析結(jié)果為依據(jù)完成了一種防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件功能實(shí)現(xiàn)流程，硬件模塊可使主要的測(cè)距和測(cè)速功能得以有效實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明通過該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)到前后兩車存在的潛在危險(xiǎn)并發(fā)出警報(bào)提示，提醒駕駛員采取剎車等應(yīng)對(duì)措施。