基于激光測距的自動防撞系統(tǒng)方案設計

康迂福，馮 桑，陳 愛

（1.河源職業(yè)技術(shù)學院，廣東河源 517000）；2.廣東工業(yè)大學，廣東廣州 510090）

隨著我國經(jīng)濟水平和百姓生活水平的提高，國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)不斷壯大，越來越多的汽車進入普通家庭，每年新增大量駕駛員。汽車保有量的劇增，新增駕駛員的駕駛技術(shù)方面不夠嫻熟，使得交通事故的發(fā)生率大大提高，其中最為突出的就是汽車的碰撞?，F(xiàn)有的車輛防碰撞系統(tǒng)只有停留在低速狀態(tài)下基于超聲波雷達的研究，其他防碰撞系統(tǒng)都由于其技術(shù)、經(jīng)濟性能等原因而沒能普及。對交通事故應該盡量做到防患于未然，本文所研究的車輛防碰撞系統(tǒng)是一種主動式車輛事故規(guī)避系統(tǒng)，能夠大量減少車輛碰撞事故，提高行車安全性。

1 測距原理

目前測距技術(shù)，主要采用超聲波、紅外線和激光測距。其原理基本相似，測距是對目標發(fā)射一個或一列很窄的脈沖，通過測量脈沖到達目標并由目標反射返回到接收系統(tǒng)的時間計算出目標的距離。設目標距離為S0，脈沖往返時間為t，測量脈沖在真空中的傳播速度為v（在空氣中傳輸受介質(zhì)、氣壓、溫度、濕度的影響可忽略），則目標距離為：

在脈沖測距中，t通常是通過測距計數(shù)器對從發(fā)射脈沖到目標并從目標返回到接收系統(tǒng)期間，累計進入計數(shù)器的時鐘脈沖個數(shù)來測量的。

設在t 時間內(nèi)，有N 個時鐘脈沖進入計數(shù)器，則目標距離可由式（2）計算：

2 防撞系統(tǒng)整體方案設計

本文研究汽車自動防撞系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)功能原理，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、聲光報警以及執(zhí)行制動若干個部分。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 ABS制動距離算法與建模

汽車制動距離是指對行駛中的汽車實施緊急制動，從踏制動踏板開始到完全停車為止，汽車所駛過的路程，即汽車需要緊急停車時，其行車制動系所能實現(xiàn)的最小停車行程[2]。

ABS（Anti-lock Braking System防抱死制動系統(tǒng)），其作用是在汽車制動時，防止車輪抱死，防止汽車在緊急制動時產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏，以提高汽車制動過程中的行駛穩(wěn)定性的汽車安全控制系統(tǒng)。

圖2 控制單元工作流程圖

從制動時刻開始，制動距離S、行駛速度vt，制動阻力f，車輪與地面的摩擦系數(shù)之間的關系分別為[3-4]：

在地面附著系數(shù)φ 與汽車行駛過程中的滑移率s 決定，通過文獻[5]的研究結(jié)果，φ-s 的關系可用圖3所示曲線描述。

綜合算式（3）～（6）和圖3，可以得到ABS制動距離的計算模型如圖4所示。

該ABS 算法模型中設置車身參數(shù)，并將行駛過程中其他參數(shù)理想化之后，在模型中輸入Initial Vehicle Speed v0（行車速度v0）后，經(jīng)過計算便可得到Stopping Distance（制動距離S0）。

圖3 附著系數(shù)和滑移率曲線

圖4 制動距離算法模型

4 系統(tǒng)建模及仿真分析

根據(jù)行車的實時速度，可以得到一個在該車況下的ABS 制動距離S0。再將S0作為參考值，與激光傳感器獲取的行車與障礙物間的距離S 進行比較，當S ≤SS·S0（其中SS為安全系數(shù)）時，單片機向ECU 發(fā)出指令。當ECU 接收到指令時，ECU立即啟動ABS進行制動。

因此，基于Matlab/Simulink 的建模，得到整個系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

首先通過產(chǎn)生一個線性信號，模擬激光測距系統(tǒng)傳送距離值，通過分析計算出此時的行駛車速。筆者設定初始速度為80 km/h的速度行駛，并且計算出在此行駛初速度下需要的最小制動距離S0，當實際行車與障礙物的距離小于最小制動距離S0的時候，單片機（MCU）向ECU 發(fā)出信號，要求ECU啟動ABS制動。

圖6 行車與障礙物距離

5 實驗仿真結(jié)果及分析

行車以80 km/h的初速度行駛過程中，當距離障礙物60 m時，系統(tǒng)檢測到了前方有障礙物，并計算出制動距離S0，當行車與障礙物距離為SS·S0時（SS為制動距離安全系數(shù)），系統(tǒng)開始啟動ABS進行制動，并且隨之汽車開始減速，直至汽車完全停止。

根據(jù)文獻[6]的大量數(shù)據(jù)實驗分析，Jetta GTX轎車的實車緊急制動實驗數(shù)據(jù)。其制動距離與制動初速（試驗車速范圍：30～80 km/h）的關系（擬合公式）為：

式（7）中，S—制動距離（m）；v—制動初始速度（km/h）。

結(jié)果表明，在一定誤差范圍內(nèi)，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果是一致的。通過該模型，根據(jù)行車初始速度計算制動距離，并做出預測，能非常有效地減少汽車行駛碰撞事故。

6 結(jié)束語

（1）通過基于Matlab/Simulink 的建模仿真，對ABS 制動系統(tǒng)進行仿真分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了ABS 的實時控制功能。在同一模型上，進行了車速與制動距離的仿真，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)模型在理論計算上能夠有效的實現(xiàn)防撞功能，從一定程度上減少交通事故的發(fā)生和損失。

（2）本系統(tǒng)模型基于干燥良好路面上進行計算分析，得到的模型會有一定局限性。下一步研究將綜合考慮影響汽車制動距離的各種因素，改進制動距離模型算法，提高系統(tǒng)精度。

［1］劉巖川，王玲芬，欒慧，等.基于激光測距技術(shù)的汽車防撞系統(tǒng)的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008（11）：96-98.

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［6］羅新聞.汽車ABS 試驗系統(tǒng)開發(fā)研究［D］.天津：河北工業(yè)大學，2007.