基于激光測(cè)距的后車警示系統(tǒng)

肖寶森 阮浩威 簡(jiǎn)彩仁

摘 要：系統(tǒng)根據(jù)兩個(gè)激光測(cè)距信號(hào)相繼到達(dá)接收模塊的時(shí)間間隔，得到后方車輛的速度，再由兩個(gè)后方車輛的速度得到后方車輛在一定時(shí)間內(nèi)的加速度。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法估計(jì)手動(dòng)剎車所需的反應(yīng)時(shí)間，計(jì)算出在該距離情況下兩車應(yīng)當(dāng)保持的速度差值與加速度差值，通過(guò)這兩個(gè)數(shù)值計(jì)算出車輛允許的最大速度和最大加速度。無(wú)論兩車是相對(duì)靜止還是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，均可進(jìn)行停車后兩車安全距離、警戒距離和危險(xiǎn)距離的測(cè)算，當(dāng)兩車距離過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)后車警示功能能夠給予后車駕駛員更多反應(yīng)時(shí)間，降低追尾事故發(fā)生的概率。

關(guān)鍵詞：預(yù)碰撞;激光;速度;加速度;統(tǒng)計(jì)學(xué);警示功能

中圖分類號(hào)：TP39;U491.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-04

0 引 言

有關(guān)調(diào)查報(bào)告表明，大約有68.8%的交通事故是駕駛員在預(yù)計(jì)發(fā)生碰撞的時(shí)間上出現(xiàn)失誤導(dǎo)致的[1-3]。如今大部分中高檔車輛都安裝有預(yù)碰撞剎車系統(tǒng)，但此系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于，成功剎車可保證與前方物體的安全，卻無(wú)法保證本車與后方車輛的距離。有時(shí)，擁有自動(dòng)剎車系統(tǒng)的車輛即使成功剎車，卻還可能遇到被后車追尾的情況，依然會(huì)釀成事故。因此，為了最大限度避免交通事故的發(fā)生，配備自動(dòng)剎車系統(tǒng)的車輛包含后車警示系統(tǒng)功能就顯得格外重要，該系統(tǒng)可以讓車輛在行駛時(shí)提示本車與后車保持安全車距。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 激光測(cè)距原理

激光測(cè)距傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量的儀器。它可以實(shí)現(xiàn)大量程的無(wú)接觸距離測(cè)量，且抗干擾能力強(qiáng)。另外，距離限制在200 m以內(nèi)的小型激光測(cè)距儀器于人眼無(wú)害，因此本設(shè)計(jì)采用該裝置進(jìn)行距離測(cè)量。

多個(gè)激光發(fā)射器安裝在車尾，間隔8 cm。當(dāng)裝置啟動(dòng)后，激光測(cè)距開(kāi)始工作，激光發(fā)射器向車尾各安裝點(diǎn)的正前方發(fā)出激光，在測(cè)距過(guò)程中除激光發(fā)射與接收兩個(gè)模塊外，定時(shí)器也是本系統(tǒng)的核心，它在激光發(fā)射端發(fā)出信號(hào)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在激光接收端收到折返回來(lái)的光束時(shí)停止計(jì)時(shí)，將計(jì)時(shí)結(jié)果轉(zhuǎn)換為以s為單位的參數(shù)，并將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)。

當(dāng)后車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，有公式（1）：

式中：c為激光光速;?t為激光離開(kāi)發(fā)射模塊到返回接收模塊的時(shí)間，（1/2）?t即激光抵達(dá)后車的時(shí)間;S為本車與后車的距離。另外，激光測(cè)距儀的工作溫度要求在-20～200 ℃，正常室外溫度基本處在該范圍內(nèi)。

系統(tǒng)由單片機(jī)組成電路中產(chǎn)生40 kHz頻率信號(hào)的定時(shí)器、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、信號(hào)處理電路、OLED液晶顯示電路與后車報(bào)警電路模塊等組成。單片機(jī)是所有工作的核心，它操控各模塊電路的工作，包括系統(tǒng)的啟動(dòng)與復(fù)位功能。在啟動(dòng)并復(fù)位后單片機(jī)發(fā)出10個(gè)40 kHz脈沖信號(hào)傳遞到激光發(fā)射模塊對(duì)應(yīng)單片機(jī)的命令端，發(fā)射模塊開(kāi)始工作，發(fā)出激光。當(dāng)激光信號(hào)完全發(fā)射之后，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，且接收端不斷掃描，一旦檢測(cè)到折返的激光信號(hào)，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，得到公式（1）中的?t，再得到本車與后車的距離S，然后將該數(shù)據(jù)送入單片機(jī)以計(jì)算危險(xiǎn)距離、警戒距離、安全距離，得到兩車同時(shí)剎車并停車后的相對(duì)距離。

為了驗(yàn)證激光測(cè)距的準(zhǔn)確性，做了16組測(cè)距實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)測(cè)距精度高。實(shí)際應(yīng)用中激光測(cè)距的誤差見(jiàn)表1所列。

1.2 本車與后車的車速、加速度的計(jì)算

當(dāng)激光測(cè)距得到的電信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器將其轉(zhuǎn)化為距離數(shù)值，即S。當(dāng)后車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將兩車互為參照物進(jìn)行比較，得到后車相對(duì)前車的平均速度：

式中：ΔS為第一個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離減去第二個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離的值;Δt為兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的反饋間隔時(shí)間，2.5×10-5 s（f=40 kHz）。

式中：V1表示本車車速;V2表示后車車速。當(dāng)V>0時(shí)，本車車速大于后車;當(dāng)V<0時(shí)，本車車速小于后車。

通過(guò)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的間隔時(shí)間即可得到第一個(gè)后車速度，而計(jì)算后車加速度需要利用2個(gè)節(jié)點(diǎn)的后車速度，即由4個(gè)測(cè)試點(diǎn)得出2個(gè)后車速度，由此可求后車速度增量：

式中：V21表示后車經(jīng)過(guò)第一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的速度;V22表示經(jīng)過(guò)第二個(gè)測(cè)試點(diǎn)的速度。

由此得到后車加速度：

式中?t=2.5×10-5 s。兩倍是因?yàn)閺牡谝粋€(gè)V到第二個(gè)V經(jīng)歷了2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，即2個(gè)信號(hào)周期，所以兩車相對(duì)加速度?a=a1-a2，a1為本車加速度。因此，為了得到1個(gè)相對(duì)加速度的數(shù)據(jù)需要4個(gè)周期的激光信號(hào)，單片機(jī)連接激光接收模塊所接收的電平信號(hào)如圖1所示。

每一個(gè)脈沖點(diǎn)代表單片機(jī)收到一個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成距離數(shù)據(jù)。例如一個(gè)周期4個(gè)點(diǎn)就會(huì)得到4個(gè)S的值，如20 m，30 m，23 m，14 m。圖1的脈沖點(diǎn)代表著每一次計(jì)時(shí)器的停止、每一次距離計(jì)算的開(kāi)始、每一次信號(hào)記錄的開(kāi)始。測(cè)試點(diǎn)1～4為一個(gè)數(shù)據(jù)收集周期。

1.3 剎車反應(yīng)時(shí)間的分析

危險(xiǎn)狀況發(fā)生時(shí)，一名正常情緒的健康男性駕駛員在無(wú)機(jī)械故障情況下采取的制動(dòng)反應(yīng)過(guò)程所需時(shí)間為其意識(shí)危險(xiǎn)到采取制動(dòng)動(dòng)作（剎車系統(tǒng)開(kāi)始工作）所需的時(shí)間（包括剎車系統(tǒng)的機(jī)械反應(yīng)時(shí)間）。通過(guò)對(duì)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行分析，得到的平均值為一般情況下該駕駛員制動(dòng)反應(yīng)所需時(shí)間[7]。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]所做的實(shí)驗(yàn)，在測(cè)試車輛上安裝一個(gè)實(shí)時(shí)速度檢測(cè)器，駕駛員以60 km/h的速度在平坦地面正常駕駛，并在遠(yuǎn)處設(shè)置海綿障礙物，當(dāng)海綿障礙物進(jìn)入駕駛員認(rèn)為的危險(xiǎn)距離時(shí)，駕駛員剎車，最終將速度降為0。經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)速度檢測(cè)器的反饋得到數(shù)據(jù)，剎車速度曲線圖2所示。從圖中可以得到當(dāng)駕駛員意識(shí)到危險(xiǎn)時(shí)到車輛開(kāi)始剎車時(shí)所經(jīng)歷的反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)時(shí)間到達(dá)1.5 s時(shí)，剎車系統(tǒng)開(kāi)始工作，所以從危險(xiǎn)預(yù)警開(kāi)始的時(shí)刻，到剎車系統(tǒng)正式工作的時(shí)刻即為本系統(tǒng)需要手動(dòng)控制的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

經(jīng)以上計(jì)算和判斷，可以估算手動(dòng)制動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間約為1.5 s。另外，在真實(shí)交通場(chǎng)景下我們還需要判斷駕駛時(shí)的環(huán)境、情緒等不可控因素對(duì)駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間的影響[10]，因此對(duì)所有駕駛員中最有代表性的五種人群類型，即成年男性駕駛員、微酒駕男性駕駛員、個(gè)人情緒不穩(wěn)定的男性駕駛員、高齡男性駕駛員、成年女性駕駛員進(jìn)行抽樣調(diào)查，調(diào)取每類人群所涉及的事故近200起進(jìn)行剎車反應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：微酒駕男性駕駛員的制動(dòng)反應(yīng)平均時(shí)間是所有類型人群中最長(zhǎng)的，為1.36 s。所以，如果保證了微酒駕男性駕駛員剎車時(shí)不發(fā)生危險(xiǎn)則理論上其他類型人群也基本不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

將“危險(xiǎn)開(kāi)始到駕駛員意識(shí)到危險(xiǎn)所需要的時(shí)間Tμ”與“駕駛員意識(shí)到危險(xiǎn)到車輛制動(dòng)裝置開(kāi)始工作的時(shí)間間隔Td”相加，得到系統(tǒng)需要額外補(bǔ)償給自動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間Tμ+Td=1.36 s+1.5 s=2.86 s。

1.4 距離控制

為了保證系統(tǒng)剎車的可靠性，采用的駕駛員反應(yīng)時(shí)間Tμ=1.36 s，另外，制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間Td=1.5 s。

根據(jù)上文，由激光收到反饋信號(hào)的間隔時(shí)間（2.5×10-5 s）

計(jì)算得出?a，再由四節(jié)點(diǎn)算法得出后車車速V2和加速度a2。

由以上各參數(shù)值求得本車剎車后車速降至0的時(shí)刻本車與后車的瞬時(shí)距離D為：

在市區(qū)車速偏低時(shí)，為了讓系統(tǒng)不輕易啟動(dòng)工作，應(yīng)將危險(xiǎn)距離與警戒距離設(shè)置為動(dòng)態(tài)值，可根據(jù)車速的變化而變化。假設(shè)最大警戒距離為2 m，則D≥2 m時(shí)為安全距離。因此，當(dāng)D=2 m時(shí)，利用上式逆推計(jì)算得到V1值。此時(shí)為保持安全車距，后車最大車速應(yīng)不高于該值，即V2max≤V1。一旦后車車速高于V2max則報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)置最大危險(xiǎn)車距為最大警戒車距的40%，當(dāng)后車與本車剎車后距離小于警戒車距時(shí)車尾警示黃燈亮并閃爍以警示后車保持車距，當(dāng)后車與本車剎車后距離小于或等于危險(xiǎn)車距時(shí)，本車警示喇叭響起以警示后車危險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 流程

系統(tǒng)所需要檢測(cè)的是激光模塊發(fā)出并且遇到物體折返回來(lái)的信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)初始化之后，不斷進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)控制計(jì)數(shù)器的開(kāi)啟與關(guān)閉得到兩次信號(hào)之間的時(shí)間差值?t，這是需要從外部輸入的數(shù)據(jù)。軟件的核心部分是對(duì)數(shù)據(jù)的處理，處理后可得到與障礙物的距離、后車車速和后車加速度等信息，用于準(zhǔn)確計(jì)算安全距離界限值與危險(xiǎn)距離界限值。最后是顯示部分和控制部分。單片機(jī)將車距和后車速度顯示于液晶顯示器上，然后根據(jù)當(dāng)前車距的情況向后車做出不同的報(bào)警動(dòng)作，具體流程如圖3所示。

2.2 激光發(fā)生電路

激光發(fā)生電路的調(diào)制編碼部分采用集成芯片的硬件實(shí)現(xiàn)一個(gè)8地址4數(shù)據(jù)的編碼。LDM激光發(fā)射器為自動(dòng)功率的電路驅(qū)動(dòng)，可以保證激光二極管的輸出功率穩(wěn)定。激光發(fā)生電路如圖4所示。

2.3 激光接收電路

使用接收探測(cè)器接收紅光波段的光線，響應(yīng)時(shí)間為5～30 μs。使用集成芯片電路系統(tǒng)進(jìn)行檢波放大輸出，放大后的信號(hào)傳輸?shù)浇庹{(diào)解碼芯片處，將其解調(diào)為8地址4數(shù)據(jù)的解碼輸出。激光接收電路如圖5所示。

2.4 危險(xiǎn)距離警示電路

本系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)楸拒嚺c后車剎車后距離小于安全距離而對(duì)本車進(jìn)行速度控制以改變車距。本模塊不操縱車輛的速度，當(dāng)后車與本車剎車后距離小于警戒車距時(shí)車尾警示黃燈L1，L2閃爍以警示后車保持車距，當(dāng)后車與本車剎車后距離小于或等于危險(xiǎn)車距時(shí)，本車警示喇叭響起以警示后車危險(xiǎn)（電路圖設(shè)計(jì)中暫時(shí)用蜂鳴器代替警示喇叭）。

警示電路由蜂鳴器、三極管和LED警示燈等組成，利用PNP三極管控制蜂鳴器。當(dāng)本車與后車處于安全距離以外時(shí)，BUFF引腳無(wú)輸出，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器無(wú)電流通過(guò)。當(dāng)本車與后車進(jìn)入安全距離范圍時(shí)，BUFF引腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)，將原本的高電平置為低電平，此時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器有電流通過(guò)，蜂鳴器工作。危險(xiǎn)距離警示電路如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距得到本車與后車之間的距離，由單片機(jī)處理核心數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算后得到本車與后車速度、加速度等數(shù)據(jù)。設(shè)定合理的安全距離的界限值和危險(xiǎn)距離的界限值，通過(guò)這兩個(gè)距離的界限值將兩車所處狀況劃分為三個(gè)區(qū)域，即安全區(qū)域、警戒區(qū)域與危險(xiǎn)區(qū)域。本系統(tǒng)相比于探測(cè)前方車輛并形成剎車方案的自動(dòng)控制系統(tǒng)，增加了兩車停車后距離的動(dòng)態(tài)把控。當(dāng)本車車速低時(shí)該系統(tǒng)的啟動(dòng)距離非常小，當(dāng)本車車速為0時(shí)，系統(tǒng)不再工作。若本車車速不斷增加，則兩車停車后的安全距離隨之增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率逐步加快。本系統(tǒng)與測(cè)量前方車距的“預(yù)碰撞自動(dòng)剎車系統(tǒng)”互不沖突，可同時(shí)工作，在保證本車與前車安全距離的同時(shí)提示本車需要與后車保持安全距離，以最大可能防止追尾事件的發(fā)生。

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