高速公路汽車智能防撞系統(tǒng)研究

車威

（1.黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

高速公路汽車智能防撞系統(tǒng)研究

車威1,2

（1.黃淮學(xué)院 電子科學(xué)與工程系，河南 駐馬店 463000；2.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

高速公路的交通事故中，車輛追尾事故占很大一部分．發(fā)生車輛追尾事故的主要原因是車間距離不足．設(shè)計(jì)了一個(gè)汽車智能防撞系統(tǒng)，主要通過車間距離的自動(dòng)報(bào)警提示和強(qiáng)制減速達(dá)到安全駕駛的目的．

高速公路；車間距離；智能防撞；強(qiáng)制制動(dòng)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路交通發(fā)生了很大的變化．截至2009年底，我國汽車保有量已達(dá)7619.31萬輛，高速公路通車?yán)锍踢_(dá)6.5萬公里．公安部交通管理局發(fā)布的全國道路交通事故情況顯示，2009年全國共發(fā)生道路交通事故238351起，共造成67759人死亡，275125人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失9.1億元，這些數(shù)字雖然較2008年都有所下降，但是損失還是非常慘重的．追尾事故在高速公路交通事故中所占比例最高，而追尾事故發(fā)生的主要原因就是駕駛員未能保持安全的車間距離．因此，設(shè)計(jì)一個(gè)智能防撞系統(tǒng)顯得很有必要．本文所設(shè)計(jì)智能防撞系統(tǒng)的基本思想是：當(dāng)車間距離不足時(shí)，系統(tǒng)提醒駕駛員減速，若駕駛員不采取有效措施，則系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行減速操作直到車間距離超過安全距離．

1 系統(tǒng)的基本組成

所設(shè)計(jì)汽車智能防撞系統(tǒng)由4部分組成，如圖1所示．

圖1 汽車智能防撞系統(tǒng)組成框圖

信號(hào)采集單元的作用是通過車速傳感器測(cè)出當(dāng)前車速，通過測(cè)距雷達(dá)測(cè)出自車與前車距離．處理控制單元的作用是測(cè)出實(shí)際車距，并根據(jù)當(dāng)前速度計(jì)算出安全距離，再將兩距離進(jìn)行比較．當(dāng)車輛間距離小于規(guī)定的安全距離時(shí)通過報(bào)警信號(hào)提醒駕駛員減速以增大車距．自動(dòng)減速制動(dòng)單元的作用是當(dāng)報(bào)警信號(hào)發(fā)出后若駕駛員未采取有效措施，則系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行減速操作．

2 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）的改造[1]

當(dāng)測(cè)距雷達(dá)測(cè)量出車輛與前車的距離達(dá)到危險(xiǎn)報(bào)警距離時(shí)，若駕駛員仍未通過踩制動(dòng)踏板、松油門等措施增加車輛間距，系統(tǒng)必須自動(dòng)啟動(dòng)強(qiáng)制剎車系統(tǒng)，并保證車輛不發(fā)生抱死．當(dāng)車間距離增大到安全距離后，強(qiáng)制制動(dòng)系統(tǒng)解除，以防止車速降低過多而造成后車追尾．為了強(qiáng)制制動(dòng)系統(tǒng)正常工作，需要對(duì)原有的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造方法是模擬制動(dòng)踏板力向制動(dòng)防抱死系統(tǒng)提供液壓力．

輔助強(qiáng)制剎車系統(tǒng)如圖2所示．當(dāng)輔助強(qiáng)制系統(tǒng)工作時(shí)，電磁換向閥受微處理器控制向右移動(dòng)，由蓄能器通過左工作通道提供壓力，通過電磁換向閥向系統(tǒng)供油；當(dāng)需要停止輔助強(qiáng)制剎車時(shí)，電磁換向閥向左移動(dòng)，右通道打開，壓力油回到儲(chǔ)油室．壓力傳感器的作用是檢測(cè)系統(tǒng)油壓，當(dāng)壓力油都回到儲(chǔ)油室時(shí)，壓力傳感器輸出信號(hào)變?yōu)榱悖藭r(shí)電磁換向閥由微控制器控制回到中間位置．蓄能器的壓力由定量泵提供，而定量泵的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供．

圖2 輔助強(qiáng)制剎車系統(tǒng)裝置

圖3為汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它增加了輔助強(qiáng)制剎車系統(tǒng)．梭閥用于人為制動(dòng)與輔助強(qiáng)制制動(dòng)間的轉(zhuǎn)換．當(dāng)有制動(dòng)踏板作用時(shí)，輔助剎車系統(tǒng)不起作用，這是由于制動(dòng)踏板產(chǎn)生的液壓力大于輔助剎車系統(tǒng)的液壓力；當(dāng)制動(dòng)踏板不起作用時(shí)，輔助剎車系統(tǒng)起作用．一般情況下輔助剎車系統(tǒng)不會(huì)干擾駕駛員對(duì)車輛的操控，只有駕駛員未采取剎車措施或者剎車力不夠時(shí)，強(qiáng)制輔助剎車系統(tǒng)才起作用．

圖3 汽車制動(dòng)系統(tǒng)圖

3 智能防撞系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

行駛于車道后方的車輛稱為自車，行駛于自車前方與自車距離最近的車輛稱為前車[2]．要避免車輛發(fā)生追尾，就要時(shí)刻保證車輛間實(shí)際距離d大于自車車速下的安全距離d0．為了確保數(shù)學(xué)模型安全可靠，我們?nèi)∏败囲o止，后車從制動(dòng)到靜止需要的安全距離這種情況．駕駛員制動(dòng)的時(shí)間分為反應(yīng)時(shí)間和實(shí)際制動(dòng)時(shí)間．大多數(shù)追尾交通事故是由于車輛間距離過小和駕駛員反應(yīng)時(shí)間過長、行為遲鈍造成的，所以將反應(yīng)時(shí)間區(qū)分出來可以有效地提醒駕駛員制動(dòng)．設(shè)v1為自車速度，a1為自車加速度（制動(dòng)減速度），thum為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，tx為制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間，ts為制動(dòng)減速度增長時(shí)間，dw為提醒報(bào)警距離，db為危險(xiǎn)報(bào)警距離，不難推出以下關(guān)系：

根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法實(shí)施條例》第七十八條的規(guī)定，高速公路應(yīng)當(dāng)標(biāo)明車道的行駛速度，最低車速不得低于60 km/h，小型載客汽車最高車速不得超過120 km/h，摩托車不得超過80 km/h，其他機(jī)動(dòng)車不得超過100 km/h．本模型中為了提高實(shí)用性與安全性，設(shè)定最高車速為120 km/h，最低車速為30 km/h．

a1主要與路面附著系數(shù)有關(guān)，附著系數(shù)與制動(dòng)減速度之間的換算關(guān)系如表1所示[3―4]．本模型中，對(duì)于干燥瀝青路面和干燥水泥混凝土路面，a1取6.0 m/s2；對(duì)于潮濕瀝青路面和潮濕水泥混凝土路面，a1取5.0 m/s2；對(duì)于冰雪路面，a1取2.85 m/s2．

表1 附著系數(shù)與制動(dòng)減速度的換算

根據(jù)測(cè)定，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間thum一般在0.3～1.2 s之間，且性別、年齡等因素對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響較大．出于安全駕駛考慮，本模型中thum取為1.2 s．

制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間tx由制動(dòng)器的制動(dòng)間隙和駕駛員踩制動(dòng)踏板的速度決定[5―6]．汽車制動(dòng)方面的相關(guān)資料表明，氣壓式制動(dòng)器的協(xié)調(diào)時(shí)間為0.2～0.9 s，液壓式制動(dòng)器的協(xié)調(diào)時(shí)間為0.1～0.2 s．本系統(tǒng)中的tx選為0.2 s．制動(dòng)減速度增長時(shí)間ts主要與制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，在本系統(tǒng)中取0.2 s．查閱國內(nèi)外資料，高速公路上車輛間的安全距離一般為2～5 m，本系統(tǒng)取最大值5 m．

把以上參數(shù)代入式(1)和式(2)，得干燥路面時(shí)提醒報(bào)警距離和危險(xiǎn)報(bào)警距離分別為：

4 智能防撞系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

行車過程中，汽車智能防撞系統(tǒng)通過安裝在自車前端的測(cè)距微波雷達(dá)，實(shí)時(shí)地測(cè)出自車與前車距離，并把該距離送到處理控制單元進(jìn)行處理，與當(dāng)前速度下的提醒報(bào)警距離、危險(xiǎn)報(bào)警距離進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際車距大于提醒報(bào)警距離時(shí)不報(bào)警；當(dāng)實(shí)際車距小于提醒報(bào)警距離而大于危險(xiǎn)報(bào)警距離時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)實(shí)際車間距離小于危險(xiǎn)報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行強(qiáng)制制動(dòng)減速，以增加車間距離，直至車距大于提醒報(bào)警距離時(shí)，強(qiáng)制制動(dòng)減速解除．該系統(tǒng)可以有效地避免高速公路汽車追尾碰撞事故的發(fā)生．

[1] 韓洋．高速公路追尾防撞預(yù)警系統(tǒng)研究[D]．太原：中北大學(xué)，2008．

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[4] 陳光武．高速公路追尾碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)研究[D]．西安：長安大學(xué)，2000．

[5] 李新佳．歐洲智能交通建設(shè)情況及啟發(fā)[J]．城市交通，2004(2)：58―62．

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U463.6，TP273.5

A

1006-5261(2011)05-0028-02

2010-09-05

車威（1981―），男，河南駐馬店人，助教，碩士．

〔責(zé)任編輯 張繼金〕