車輛安全保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/朱彤彤、蔡乙男、馮芳、杜青，天津天獅學(xué)院信息與自動(dòng)化學(xué)院

車輛安全保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者/朱彤彤、蔡乙男、馮芳、杜青，天津天獅學(xué)院信息與自動(dòng)化學(xué)院

本文設(shè)計(jì)的車輛安全保障系統(tǒng)是針對防撞預(yù)警系統(tǒng)中的安全距離、車速、語音提醒以及緊急求救系統(tǒng)中的GPS定位、GSM發(fā)送短信等部分展開研究，通過遙控控制小車運(yùn)動(dòng)后，由測速模塊測出車速，并根據(jù)車速計(jì)算出制動(dòng)距離，再由超聲波模塊與前方障礙物的距離，與制動(dòng)距離比較大小后，通過語音模塊提醒減速慢行。在小車發(fā)生碰撞后，由GPS模塊定位后，通過GSM模塊將求救信息發(fā)送給預(yù)先設(shè)定好的接收對象，達(dá)到緊急求救的效果。對整個(gè)系統(tǒng)測試結(jié)果表明，當(dāng)車距過近時(shí)，可以發(fā)出語音提醒。在駕駛員遇到突發(fā)事故后，能夠及時(shí)發(fā)送求救信息，保障了駕駛員的生命安全。

STM32；GSM；GPS

序言

民防部門做過一個(gè)這樣的統(tǒng)計(jì)，出車禍后傷勢一樣的重傷員，在半個(gè)小時(shí)內(nèi)獲救，其生存率為80%，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)得救，其生存率為40%，在一個(gè)半小時(shí)內(nèi)得救，其生存率僅僅為10%以內(nèi)，綜上所述，及時(shí)得到救援可大大提高生存率。

研究表明，若駕駛員可以提前1秒意識(shí)到危險(xiǎn)并采取正確措施，可以避免90%的追尾撞車事故，所以防撞預(yù)警在很大程度上可以避免交通事故。車輛安全保障系統(tǒng)的防撞預(yù)警和緊急求救研究可以提高事故救援的響應(yīng)速度和急救效率，明顯減少交通事故以及事故后的人員傷亡。

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于防撞預(yù)警和緊急求救的車輛安全保障系統(tǒng)主要包括三種功能：防撞預(yù)警功能、緊急求救功能、自動(dòng)呼救功能。

（1）防撞預(yù)警功能：系統(tǒng)通過傳感器測出汽車的行駛速度，主控模塊根據(jù)車速來計(jì)算行駛過程中的安全距離S，用雷達(dá)測量汽車與前方車輛或者障礙物之間的距離X，然后比較ΔL與（X–S）的值來確定是否是安全行駛，如果ΔL>0則不觸發(fā)安全警報(bào)；當(dāng)ΔL<0時(shí)觸發(fā)安全警報(bào)，語音模塊發(fā)出語音提示，此時(shí)提醒駕駛員應(yīng)減速行駛，保持安全距離。

（2）緊急求救功能：在遇到緊急情況時(shí)，駕駛員可以通過一鍵式呼救按鈕向外界進(jìn)行呼救，通過系統(tǒng)的GPS模塊進(jìn)行定位，然后GSM模塊把GPS的位置信息向預(yù)設(shè)對象發(fā)送求救信息以達(dá)到求救目的。如果不小心按下按鈕，可以通過取消按鈕進(jìn)行取消，但相隔時(shí)間不能超過3s。

（3）自動(dòng)呼救功能：當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，駕駛員有可能會(huì)因?yàn)榍榫w慌張、時(shí)間緊迫、受傷昏迷等原因無法主動(dòng)的按下緊急呼救按鈕，這時(shí)在車身上安裝的警戒裝置就起作用了，不需要人為的去控制，一旦超過警戒值，它就能自動(dòng)的向預(yù)設(shè)對象發(fā)送求救信息。

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要包括MCU控制器、超聲波模塊、語音模塊、GPS模塊、GSM模塊等。各模塊的功能如下：（1）超聲波模塊的功能用于測量與前方障礙物的距離。（2）語音模塊的功能是發(fā)出語音提醒。（3）GPS模塊的功能是接收GPS定位信息，再將定位到的信息編譯成NMEA0183格式，再傳送給STM32芯片。（4）GSM模塊起到了人機(jī)通信的作用，STM32控制GSM模塊通過短信服務(wù)中心將編輯好的求救信息與定位信息發(fā)送給預(yù)先設(shè)定好的其他用戶。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.硬件設(shè)計(jì)

■2.1 防撞預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

防撞預(yù)警硬件部分采用STM32開發(fā)系統(tǒng)、超聲波模塊L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外遙控模塊和語音模塊，這些模塊構(gòu)成防撞預(yù)警系統(tǒng)，用以在制動(dòng)距離大于安全距離時(shí)，提醒駕駛員減速慢行。

■2.2 車輛制動(dòng)距離模型

一般情況下，駕駛員在公路上遇到突發(fā)情況，會(huì)有駕駛員反應(yīng)到汽車剎車停下的這一完整過程，可將這個(gè)過程分為四個(gè)時(shí)間段：駕駛員反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)做功時(shí)間、汽車制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)結(jié)束時(shí)間，圖2是汽車減速度與這四個(gè)時(shí)間段的關(guān)系。

（1）t1和t2是司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間，t1表示的是司機(jī)意識(shí)到有碰撞的危險(xiǎn)性，其反應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間，t2表示的是司機(jī)意識(shí)到危險(xiǎn)后，把腳移動(dòng)到制動(dòng)板上所消耗的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，車還在行駛的過程中，所以假設(shè)行駛的距離為s1。

圖2 制動(dòng)過程曲線示意圖

（2）制動(dòng)做功時(shí)間，所用的時(shí)間為t3和t4，t3是指剎車總泵內(nèi)的活塞將剎車油往前推去并在油路中產(chǎn)生壓力。壓力經(jīng)由剎車油傳送到每個(gè)車輪的剎車分泵活塞，剎車分泵的活塞再推動(dòng)剎車片向外，使剎車片與剎車鼓的內(nèi)面發(fā)生摩擦的這一過程；車輛開始減速直到最大時(shí)，耗時(shí)為t4，設(shè)制動(dòng)做功時(shí)間內(nèi)車輛行駛的距離為s2。

（3）汽車制動(dòng)時(shí)間t5，指的是汽車減速度最大時(shí)，汽車停下來所消耗的時(shí)間，設(shè)這段時(shí)間內(nèi)行駛距離設(shè)為s3。

（4）制動(dòng)結(jié)束時(shí)間t6，這個(gè)時(shí)間汽車已經(jīng)制動(dòng)完成，保持靜止不動(dòng)。

從上述描述可以得出，汽車在四個(gè)時(shí)間段內(nèi)行駛的總距離s為：s=s1+s2+s3。在建立安全距離模型中，先假設(shè)汽車最初的速度為μ1、輪胎與地面的附著系數(shù)為φ、重力加速度為g、汽車最大加速度為a,并且agφ=，通過計(jì)算后制動(dòng)距離為：

■2.3 緊急求救硬件設(shè)計(jì)

緊急求救硬件部分采用碰撞模塊、GSM模塊和GPS模塊，在駕駛員發(fā)生車禍?zhǔn)ヒ庾R(shí)的情況下，自動(dòng)將定位信息通過GSM模塊發(fā)送給預(yù)設(shè)接收對象。

2.3.1 GSM模塊通信設(shè)置

GSM系統(tǒng)的短信息被編碼消息長度為140個(gè)字節(jié)，也就是一條短信的長度不得超過70個(gè)漢字，而本系統(tǒng)所發(fā)送的信息在70個(gè)漢字以內(nèi)，符合GSM系統(tǒng)短消息業(yè)務(wù)的使用條件，而且操作簡便，容易被人們所接受。短信服務(wù)接收和發(fā)送有關(guān)的AT命令如下所示：

（1）AT+CPMS，查詢SIM卡內(nèi)短消息使用狀態(tài)

（2）AT+CNMI，新消息指示設(shè)置

（3）AT+CMGF，選擇短消息格式

（4）AT+CSCS，編碼設(shè)置

（5）AT+CSMP，設(shè)置短消息文本模式參數(shù)

（6）AT+CMGS，發(fā)送短消息

（7）AT+CMGR，讀取短消息

2.3.2 GPS模塊通信設(shè)置

ATK–S1216F8–BDGPS/北斗模塊同外部設(shè)備的通信接口采用UART（串口）方式，輸出的GPS/北斗定位數(shù)據(jù)采用NMEA–0183協(xié)議（默認(rèn)），控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。NMEA 0183是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式。目前也已成了GPS/北斗導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NMEA–0183協(xié)議采用ASCII碼來傳遞GPS定位信息，我們稱之為幀。NMEA–0183常用命令如表1所示。

表1 NMEA-0183常用命令

圖3 程序流程圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分

主程序是按圖3所示步驟執(zhí)行的，該程序分為兩部分，一部分為防撞預(yù)警，先對小車進(jìn)行測速，然后測出與前方障礙物的距離，判斷出制動(dòng)距離與安全距離的大小關(guān)系后，來決定是否語音提醒；另一部分為緊急求救，判斷出小車是否碰撞或按下求救按鍵，在判斷出取消按鍵是否在3s內(nèi)按下，求救有效后對小車進(jìn)行GPS定位，再通過GSM模塊將定位信息發(fā)送給預(yù)設(shè)對象。

4.結(jié)語

本系統(tǒng)完成的內(nèi)容：（1）可以實(shí)時(shí)檢測車速，能根據(jù)車速計(jì)算出安全距離，同時(shí)檢測車輛與前方障礙物間的實(shí)際距離，然后比較這兩個(gè)距離的大小，當(dāng)實(shí)際距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)通過語音提醒駕駛員減速行駛；（2）當(dāng)汽車在行駛過程中遇到緊急情況時(shí)，駕駛員能通過緊急呼救按鈕向外界呼救；（3）在汽車發(fā)生緊急情況時(shí)，即使駕駛員沒有按下緊急呼救按鈕，通過裝在車上的警戒裝置，系統(tǒng)也能自動(dòng)的向外界發(fā)送求救信息。同時(shí)該系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)就是在密閉的地方GPS搜索不到衛(wèi)星，所以定位不能成功；短信發(fā)送響應(yīng)慢，在發(fā)生碰撞30秒后，預(yù)設(shè)短信接收對象才能夠接收到求救短信。

＊ [1]朱丹陽.汽車避撞預(yù)警系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].長春工業(yè)大學(xué),2011.

＊ [2]陽路.汽車前方防撞系統(tǒng)中安全預(yù)警算法研究[D].四川：西南石油大學(xué)，2015.

＊ [3]彭立.基于GSM和GPS的運(yùn)輸車輛狀態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]華南理工大學(xué) 2014

＊ [4]樊杰.基于GPS和GPRS的車載緊急報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都理工大學(xué),2014.

＊ [5]盧麗敏. 基于北斗定位技術(shù)的車載監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]福州大學(xué),2014.

＊ [6]龍永. 基于STM32的車輛遇險(xiǎn)遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].曲阜師范大學(xué),2015.

＊ [7]張玉泉.汽車智能防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].河北科技大學(xué),2013

＊ [8]許洋洋,王瑩.汽車智能防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2014,12:95-98+102.