莫舒玥，林土淦

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023)

0 引言

道路上經(jīng)常發(fā)生因駕駛員技術(shù)不嫻熟，跟車距離太近未及時剎車等導(dǎo)致的機(jī)動車追尾事故，甚至引發(fā)人員傷亡。因此，國外汽車企業(yè)已經(jīng)開始研發(fā)車輛智能防撞剎車系統(tǒng)，如沃爾沃的City Safety主要通過車身周圍的攝像頭和傳感器感應(yīng)路況，系統(tǒng)控制車輛實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航、主動剎車等功能；奔馳公司利用毫米波雷達(dá)探測前方車輛運(yùn)行情況，通過處理毫米波雷達(dá)返回的電波判斷危險級別自動調(diào)節(jié)車速，使之與前車保持安全距離，避免事故發(fā)生[1]。

國內(nèi)開展相關(guān)研究的主要是高校。吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高精度定位GPS等設(shè)備搭建了整車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了道路的3D建模以及典型道路工況下的自動駕駛[2]。長安大學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)和Zig Bee傳輸技術(shù)，通過識別前方車牌的方式，在此基礎(chǔ)上開發(fā)車輛行駛狀態(tài)的汽車防撞預(yù)警模型[3]。河南護(hù)航公司開發(fā)的護(hù)航衛(wèi)士AEBS主動預(yù)警防撞輔助主要通過激光測距雷達(dá)測距測速，通過信息處理控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷并通過制動電機(jī)控制剎車實(shí)現(xiàn)前向碰撞預(yù)警和自動剎車功能。國內(nèi)市場目前的汽車智能預(yù)警防撞剎車系統(tǒng)產(chǎn)品非常少，且價格超過2萬元。因此，研發(fā)汽車智能預(yù)警防撞剎車系統(tǒng)，對保障行車安全很有意義，此系統(tǒng)在提升車輛道路安全行駛方面具有很大的市場前景，如實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，售價可以降至8 000元以下。

1 設(shè)計(jì)思路及原理

智能防撞剎車系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測車輛前后方(倒車時檢測車輛后方)道路狀況，判斷與障礙物相對距離是否處于設(shè)定的安全閾值內(nèi)，如果低于報警的一級安全閾值，系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出聲光報警，如果此時駕駛員沒有剎車，且同時距離進(jìn)一步縮短，低于制動的二級安全閾值，系統(tǒng)會主動介入剎車以避免發(fā)生碰撞事故。

1.1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的智能預(yù)警防撞剎車系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：車速0～80 km/h內(nèi)實(shí)時監(jiān)測車輛前方障礙物的相對距離和相對速度；對0～10 km/h等起步或倒車情況，監(jiān)測車輛前后方的車輛和行人，判斷相對距離；在10～80 km/h車速時監(jiān)測車輛前方障礙物，判斷相對距離；當(dāng)車輛與障礙物距離低于一級報警安全閾值時發(fā)出提醒，低于二級安全閾值時主動剎車，以最大限度避免事故的發(fā)生。同時系統(tǒng)盡量提高反應(yīng)準(zhǔn)確性。

1.2 設(shè)計(jì)原理

該汽車智能預(yù)警防撞剎車系統(tǒng)主要由測量感應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊和執(zhí)行命令模塊三部分組成。

測量感應(yīng)模塊主要就是通過車頭正前方的激光傳感器和車頭、車尾紅外傳感器對前方車輛或行人等進(jìn)行實(shí)時探測，傳感器發(fā)送信號遇到障礙物或行人時反射回來被接收，信號經(jīng)過濾波、降噪處理；同時OBD接口讀取實(shí)時車速、方向盤轉(zhuǎn)角及檔位信息；以上信息被數(shù)據(jù)接收處理模塊處理后判斷當(dāng)前是否處于安全閾值內(nèi)，當(dāng)?shù)陀谝患壈踩撝禃r，執(zhí)行聲光報警，如果駕駛員未做出正確反應(yīng)，兩車距離繼續(xù)靠近，如果此時低于二級安全閾值，則制動電機(jī)驅(qū)動制動踏板進(jìn)行車輛的制動。

CAN收發(fā)器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，通過CAN總線接收傳感器信息，傳送到數(shù)據(jù)接收處理模塊，相應(yīng)的執(zhí)行命令也通過CAN收發(fā)器發(fā)送給執(zhí)行命令模塊。系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

圖1 預(yù)警防撞剎車系統(tǒng)控制原理圖

2 建立安全測距模型

合理地設(shè)計(jì)安全閾值，能保證系統(tǒng)做出正確的判斷，要實(shí)現(xiàn)兩個功能：(1)預(yù)警后駕駛員有充足的時間剎車；(2)系統(tǒng)執(zhí)行主動剎車情況下，停止后能與障礙物保持一定的安全距離。

當(dāng)駕駛員遇到危險時，需要時間反應(yīng)并踩制動踏板。安全距離S需滿足駕駛員意識到危險，踩下剎車，車輛開始減速直至靜止的要求。假設(shè)駕駛員意識到危險并踩下制動踏板的時間為t1，制動踏板被踩下到消除制動踏板間隙需要的時間為t2，從產(chǎn)生制動力到制動力達(dá)到最大的時間為t3，此時減速度達(dá)到最大值amax，此后駕駛員松開制動踏板制動力消失，減速度為零。假設(shè)初始速度為v0，則此時安全距離S為S1，安全閾值設(shè)定如式(1)所示[4]。如果前方障礙物為靜止，則車輛也應(yīng)該制動到停止，且應(yīng)該保持安全距離為S0，為了避免碰撞，此時設(shè)定S0最小值為2 m。

(1)

如果駕駛員沒有制動，相對距離進(jìn)一步縮短，則需要制動電機(jī)驅(qū)動剎車執(zhí)行器進(jìn)行減速。則此時安全距離為S2，安全閾值設(shè)定如式(2)所示[4]。

(2)

經(jīng)查詢資料，駕駛員反應(yīng)時間t1一般為1.0～1.36 s[5]。液壓制動器消除踏板間隙的時間t2一般為0.15～0.25 s，達(dá)到最大減速度的時間t3一般為0.2 s[6]，為保障車輛盡快停止，最大減速度amax取7.5～8 m/s2。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全測距模型中，t1取值1.1 s，t2取值0.15 s，t3取值0.2 s，最大減速度amax取8 m/s2。

當(dāng)車速<10 km/h時，因?yàn)檐囁俦容^慢，一般報警后駕駛員有足夠的時間執(zhí)行剎車，因此設(shè)定安全距離S≤0.5 m時執(zhí)行剎車。

系統(tǒng)判斷邏輯如圖2所示。系統(tǒng)實(shí)時探測車輛的實(shí)時車速以及與障礙物相對距離，當(dāng)車速≤10 km/h時，傳感器探測車輛與障礙物的相對距離是否≤2 m且>0.5 m，如果是則采取聲光報警，如果<0.5 m，則執(zhí)行剎車。如果車速>10 km/h，則傳感器探測相對距離是否>S2且≤S1，如果是則執(zhí)行報警，若此時駕駛員仍沒有采取制動操作，則傳感器探測到的相對距離進(jìn)一步減小，當(dāng)≤S2且>S0時，自動執(zhí)行剎車操作。如果相對距離不在系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值內(nèi)，則重新進(jìn)行探測。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件單元選擇及設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的汽車智能防撞剎車系統(tǒng)包括TF03激光雷達(dá)、紅外線傳感器、STM32f103vet6單片機(jī)、CAN總線、制動電機(jī)、語音報警及顯示屏等。

圖2 智能防撞自動剎車系統(tǒng)判斷邏輯圖

TF03激光雷達(dá)測量距離可以達(dá)到180 m，雷達(dá)體積小，是汽車專用的用于前方探測預(yù)警防撞的最佳傳感器，安裝在車頭中網(wǎng)正中。

STM32f103vet6單片機(jī)芯片提供十多種接口，數(shù)據(jù)通信方便，方便連接各類模塊開發(fā)。

紅外線傳感器選用熱釋電紅外傳感器，主要裝在車頭、車尾保險杠處，各均勻分布5顆。其探測范圍達(dá)到3 m，作為激光傳感器的補(bǔ)充，主要探測車輛低速狀態(tài)前方和后方近距離(如起步、倒車)周圍行人、動物等障礙物。

制動執(zhí)行器主要包括制動電機(jī)和單向拉桿，制動電驅(qū)動單向拉桿的齒條拉動制動踏板執(zhí)行剎車的操作。不需要執(zhí)行制動操作時，則不與制動踏板接觸，不影響駕駛員操作。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)及電路控制原理

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及控制原理如圖4所示。單片機(jī)U1負(fù)責(zé)與360°激光測距傳感器通信，讀取所需要的角度和距離信息；與紅外傳感器陣列通信，讀取各個位置傳感器信息，并進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的分析處理。同時，單片機(jī)U1與CAN收發(fā)器U2連接進(jìn)行通信，CAN收發(fā)器U2讀取車速、方向盤轉(zhuǎn)角和檔位信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。單片機(jī)U1對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和綜合分析，對比安全距離閾值，根據(jù)智能防撞自動剎車系統(tǒng)判斷邏輯控制器計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果判斷，若需要提醒駕駛員，則將提示內(nèi)容發(fā)給聲光報警電路，實(shí)現(xiàn)報警功能；若需要剎車，則通過控制電機(jī)控制拉桿拉動剎車踏板實(shí)現(xiàn)剎車。

4 試驗(yàn)分析

將智能預(yù)警防撞剎車系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)車輛上，選擇平直、路況良好的封閉路段，在晴朗天氣條件下，于干燥水泥道路進(jìn)行了0～80 km/h的實(shí)車試驗(yàn)。測試內(nèi)容為檢測系統(tǒng)是否能在車輛與障礙物相對距離低于一級安全閾值范圍時進(jìn)行報警，且相對距離進(jìn)一步縮短到二級安全閾值范圍時，驅(qū)動電機(jī)成功介入制動。

在試驗(yàn)車輛前方停放一臺靜止車輛，試驗(yàn)車輛分別以10 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h和80 km/h的速度進(jìn)行試驗(yàn)，各試驗(yàn)10次。另外，針對車輛倒車后方有障礙物(行人)的情況進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖4 主控電路板電路圖

表1 系統(tǒng)執(zhí)行報警及制動試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.理論值指該車速下理論情況做出相應(yīng)反應(yīng)時試驗(yàn)車輛與障礙物的相對距離(m)；

3.實(shí)際值指該車速下實(shí)際情況做出相應(yīng)反應(yīng)時試驗(yàn)車輛與障礙物的相對距離平均值(m)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)車輛在低速10 km/h以下時，系統(tǒng)能較好地識別判斷車輛前方的障礙物，并能發(fā)出預(yù)警或自動剎車的操作。速度在40 km/h以下時，系統(tǒng)反應(yīng)準(zhǔn)確率較高，隨著車速的增加，系統(tǒng)檢測和判斷率有所下降。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能預(yù)警防撞系統(tǒng)，與目前市場上單獨(dú)前向或后向預(yù)警防撞有所不同，將前向預(yù)警防撞和后向預(yù)警防撞進(jìn)行了融合，使得車載系統(tǒng)進(jìn)一步簡化，但隨著車速的增加，系統(tǒng)的探測精度和反應(yīng)準(zhǔn)確度有所下降；另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全閾值設(shè)定的數(shù)值較大，在實(shí)際的道路中，特別是城市道路中，此距離可適當(dāng)縮短，以提升車多路況的適應(yīng)性。經(jīng)分析，下一步研究計(jì)劃可進(jìn)行以下改進(jìn)：激光傳感器在檢測中存在一定的誤判，可采用在前方增加一個毫米波雷達(dá)共同與激光雷達(dá)檢測的方式增加探測精度；通過改進(jìn)系統(tǒng)控制模型以及安全閾值算法，如增加雨霧天氣、濕滑路面的安全距離模型來增加系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性；增加對道路旁邊樹木、路牌、隔離欄等的虛警率的處理，以應(yīng)對更加復(fù)雜的道路情況，使得系統(tǒng)的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升，以適應(yīng)市場的需要。