汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

來君

【摘 要】本文針對(duì)交通車輛碰撞事故越來越嚴(yán)峻問題，講解設(shè)計(jì)一個(gè)汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)的方法，選用 ADAS-SR 型 77GHz 毫米波雷達(dá)傳感器跟蹤探測汽車前方目標(biāo)“距離及相對(duì)速度”;采用 STM32F103VET6 處理器分別對(duì)采集的信息進(jìn)行分析比較、處理決策;當(dāng)檢測到即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為報(bào)警設(shè)定值范圍時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提醒駕駛員減速操作;假如檢測到障礙物的“距離及相對(duì)速度”為危險(xiǎn)設(shè)定值范圍駕駛員又沒有及時(shí)采取任何措施時(shí)，控制系統(tǒng)采取自動(dòng)制動(dòng)剎車措施，從而避免碰撞事故發(fā)生。通過實(shí)車安裝測試，設(shè)計(jì)的智能防碰撞控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度高、靈敏、穩(wěn)定性高。

【關(guān)鍵詞】汽車智能防碰撞 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 報(bào)警 智能制動(dòng) ?智能防碰撞

【中圖分類號(hào)】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2020）42-0110-03

目前汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)人們的主要交通工具。受汽車數(shù)量的快速增長、道路擁堵及駕駛?cè)藛T人為因素影響，道路上汽車碰撞事故時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)汽車雖然都安裝有被動(dòng)安全裝置，但也只是減小事故人員傷亡度的補(bǔ)救方法。隨著電子智能技術(shù)的快速發(fā)展，汽車主動(dòng)安全技術(shù)研究成為一個(gè)熱門課題。探究交通安全事故發(fā)生的原因無非兩個(gè)：一是駕駛員自身主觀的問題（酒駕或開車不專心等），二是外部的環(huán)境客觀因素影響（突然而來的汽車、人、障礙物等）。面對(duì)突發(fā)情況，如果駕駛員能夠提前警覺危險(xiǎn)并且快速剎車，那么將會(huì)大大減少交通事故的發(fā)生。本文設(shè)計(jì)的智能防碰撞控制系統(tǒng)，采用技術(shù)領(lǐng)先的毫米波雷達(dá)傳感智能控制技術(shù)，面對(duì)各種即將發(fā)生的事故，控制系統(tǒng)會(huì)提前自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，并且替代司機(jī)采取自動(dòng)制動(dòng)剎車措施，從而提高汽車行駛的安全性，避免發(fā)生碰撞事故，保障人們的生命安全及減少財(cái)產(chǎn)損失。本文設(shè)計(jì)的智能防碰撞控制系統(tǒng)可以廣泛安裝于各種類型汽車上，具有較大的社會(huì)實(shí)用價(jià)值。

一、汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)構(gòu)成方框如圖 1 所示。

跟蹤檢測：采用毫米波雷達(dá)傳感器對(duì)汽車前方目標(biāo)報(bào)警的“距離及相對(duì)速度”和危險(xiǎn)的“距離及相對(duì)速度”進(jìn)行精確跟蹤探測，通過 CAN 總線實(shí)時(shí)將探測信息輸送至中央控制單元。

分析處理：中央處理器接收到毫米波雷達(dá)傳感器傳送的信息，對(duì)汽車前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”進(jìn)行綜合分析、比較、處理、決策，再通過 CAN 總線向執(zhí)行單元發(fā)送“報(bào)警減速或制動(dòng)”的控制信號(hào)。

自動(dòng)報(bào)警：當(dāng)汽車與前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為“報(bào)警”設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行中央處理器下達(dá)的報(bào)警指令進(jìn)行報(bào)警，提醒駕駛員進(jìn)行減速操作。

自動(dòng)制動(dòng)：當(dāng)汽車與前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為“危險(xiǎn)”設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行中央處理器下達(dá)的制動(dòng)指令，系統(tǒng)自動(dòng)減速及緊急制動(dòng)剎車。

二、硬件模塊設(shè)計(jì)

汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)硬件模塊如圖 2 所示。

（一）信息采集模塊

信息采集模塊采用毫米波雷達(dá)作為核心部件。智能防碰撞控制系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)傳感器完成對(duì)汽車行駛前方目標(biāo)狀態(tài)的采集工作，并通過 CAN 總線將采集信息輸送至中央控制單元。其工作原理是通過信號(hào)發(fā)射、反射、回收、混頻、放大、產(chǎn)生差頻，依據(jù)差頻信號(hào)計(jì)算出距離及相對(duì)速度，完成碰撞目標(biāo)信息和識(shí)別路面狀態(tài)信息的采集。系統(tǒng)選用磁電類的 ADAS-SR 型 77GHz 防撞毫米波雷達(dá)，測量波長范圍為 1～7. 5 mm，頻譜頻率為 40～300 GHz;采用 1 TX 和 2RX 微型帶天線陣列探測前方目標(biāo)障礙物信息，能跟蹤處理的目標(biāo)達(dá) 32 個(gè)，探測距離達(dá) 200 m，相比其他雷達(dá)，具有遠(yuǎn)、準(zhǔn)、穩(wěn)的特點(diǎn)。

（二）中央控制單元模塊

中央控制單元是智能防碰撞控制系統(tǒng)中樞，其作用是接收信息采集單元輸送來的信息并進(jìn)行分析、處理，判斷汽車所處環(huán)境狀態(tài)是否有碰撞危險(xiǎn)，進(jìn)而決策輸出防碰撞控制指令?？刂浦噶钔ㄟ^ CAN 總線輸送到執(zhí)行單元采取行動(dòng)措施，實(shí)現(xiàn)智能防碰撞控制。中央控制單元選用 ARM32 位 Cortex -M3 的 S TM32F 103 VET6，采用 100 管腳 LQFP 的封裝模式，具有功能及拓展性強(qiáng)、操作簡易、成本低等特點(diǎn)。中央控制單元需要外接 2MB 的 Flash、復(fù)位電路、晶振電路、穩(wěn)壓電源電路。穩(wěn)壓電源電路選用 LTC6655 為電壓基準(zhǔn)芯片，可輸出多組電壓，該芯片選用輸出 3V 電壓供電，電壓精度達(dá) 0.02 級(jí)，電流輸出高達(dá) 1A，使芯片運(yùn)行很平穩(wěn)，同時(shí)集成芯片設(shè)計(jì)有限流保護(hù)及過熱關(guān)斷保護(hù)功能。

（三）執(zhí)行單元模塊

執(zhí)行單元模塊作用是接收控制指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警提示以及智能減速制動(dòng)。主要由報(bào)警裝置、制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。

1.報(bào)警裝置。報(bào)警裝置選用 MSKOlOB 芯片，重復(fù)擦除燒寫語音功能強(qiáng)大，控制方法靈活。當(dāng)檢測到汽車與前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為“報(bào)警”設(shè)定范圍時(shí)，中央控制單元輸出控制指令觸發(fā) MSKOlOB 產(chǎn)生報(bào)警語音信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大推動(dòng)喇叭報(bào)警。報(bào)警電路如圖 3 所示。

2.制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)核心部件是制動(dòng)缸及電磁直線執(zhí)行裝置，把電磁直線執(zhí)行裝置安裝于制動(dòng)缸的活塞內(nèi)。當(dāng)毫米波雷達(dá)檢測到汽車與前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為“危險(xiǎn)”設(shè)定范圍時(shí)，中央控制單元對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析比較、決策，然后控制脈寬調(diào)制（PWM）電路輸出脈寬調(diào)制電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，電流流過電磁直線執(zhí)行裝置產(chǎn)生電磁力，電磁力驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞移動(dòng)，從而對(duì)汽車車輪施加制動(dòng)力，實(shí)施緊急制動(dòng)剎車。

3.節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)。節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、直流電動(dòng)機(jī)三部分。如圖 4 所示。

當(dāng)汽車與前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為“報(bào)警或危險(xiǎn)”設(shè)定范圍時(shí)，節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行中央處理器下達(dá)的減速指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度使汽車減速?？刂齐娐纷饔檬且罁?jù)中央控制單元的控制指令輸出一個(gè)脈寬可調(diào)、頻率為 100Hz 的 PWM 電流信號(hào);電流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路處理、放大后驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)改變節(jié)氣門開度。驅(qū)動(dòng)電路如圖 5 所示。

直流電動(dòng)機(jī)的控制采用線性驅(qū)動(dòng)及脈寬調(diào)制的方式。通過調(diào)制 PWM 占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的電樞電壓改變，以控制直流電動(dòng)機(jī)的扭矩，使電子節(jié)氣門開度改變進(jìn)行自動(dòng)減速。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)主流程

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用毫米波雷達(dá)傳感器對(duì)汽車行駛前方目標(biāo)進(jìn)行跟蹤探測，實(shí)時(shí)獲取距離和相對(duì)速度等信息，信息經(jīng)過與設(shè)定的安全閾值比較、分析處理后判斷汽車是否處在設(shè)定的安全范圍內(nèi)。假如探測到前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”達(dá)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警裝置自動(dòng)報(bào)警提醒駕駛員進(jìn)行減速操作，如果駕駛員沒有及時(shí)采取任何行動(dòng)措施，并且判斷前方即將碰撞障礙物的“距離及相對(duì)速度”為危險(xiǎn)設(shè)定值范圍時(shí)，系統(tǒng)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)采取自動(dòng)制動(dòng)剎車措施，實(shí)現(xiàn)汽車的智能防碰撞控制，從而避免汽車發(fā)生碰撞交通事故。

智能防碰撞控制系統(tǒng)軟件采用 KeiluVision4 作為設(shè)計(jì)環(huán)境。依據(jù)汽車安全行駛制動(dòng)特性要求，設(shè)定安全距離與相對(duì)速度對(duì)應(yīng)值。當(dāng)車分別以 10km/h，30km/h，5Okm/h，70km/h，90km/h 的行駛相對(duì)速度時(shí)，毫米波雷達(dá)報(bào)警距離設(shè)定為 9m，13m，29m，52m，68m，對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)制動(dòng)距離設(shè)定為 1.5m，3.5m，9.5m，20.5m，26.5m，34.5m，制動(dòng)閾值設(shè)定為1.8m，3.8m，9.8m，20.8m，26.8m，34.8m。智能防碰撞控制系統(tǒng)軟件主流程如圖 6 所示。

（二）報(bào)警及危險(xiǎn)處理子程序流程

汽車行駛于不同車速時(shí)，汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)能進(jìn)行實(shí)時(shí)快速分析、比較、判斷，如果汽車與前方目標(biāo)物間距小于或等于報(bào)警距離時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)判定當(dāng)前汽車處于臨近危險(xiǎn)狀態(tài)并提醒司機(jī)進(jìn)行減速操作，如果報(bào)警后司機(jī)還不采取任何行動(dòng)，且達(dá)到小于或等于危險(xiǎn)距離時(shí)汽車自動(dòng)制動(dòng)剎車，以免發(fā)生碰撞事故，保障汽車駕駛的安全行駛。汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)的報(bào)警及危險(xiǎn)處理子程序流程如圖 7 所示。

四、實(shí)驗(yàn)測試

選用 1.4T 速騰車型安裝智能防碰撞控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。

（一）毫米波雷達(dá)報(bào)警實(shí)驗(yàn)

為了安全，采用低速 10km/h，15km/h，20km/h，25km/h，30km/h 的行駛速度分別測試毫米波雷達(dá)報(bào)警時(shí)汽車與前方障礙物目標(biāo)的實(shí)際距離，測試的實(shí)際距離與設(shè)定的值進(jìn)行比較，誤差為 0.07～0.20m，測試結(jié)果說明智能防碰撞控制系統(tǒng)毫米波雷達(dá)報(bào)警的靈敏度達(dá)到本設(shè)計(jì)要求。

（二）緊急制動(dòng)實(shí)驗(yàn)

為了安全，采用低速 10km/h，15km/h，20km/h，25km/h，30km/h 的行駛速度分別測試毫米波雷達(dá)報(bào)警直至車自動(dòng)減速、制動(dòng)停止，測試車與前方障礙物之間的間距與設(shè)定的最小制動(dòng)閾值比較，測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

五、結(jié)論

汽車智能防碰撞控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選用毫米波雷達(dá)傳感器跟蹤探測前方目標(biāo)距離及相對(duì)速度，利用 KeiluVision4 進(jìn)行軟件流程設(shè)計(jì)，通過 STM32F 103 VET6 處理器對(duì)跟蹤探測信息實(shí)時(shí)進(jìn)行分析、處理、決策，使控制執(zhí)行單元準(zhǔn)確無誤報(bào)警、減速、制動(dòng)。通過實(shí)車低速實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明該智能防碰撞控制系統(tǒng)完成報(bào)警、減速、制動(dòng)、停車的智能控制過程靈敏度及準(zhǔn)確度高，運(yùn)行穩(wěn)定，測試指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。各種類型汽車均可安裝使用該智能防碰撞控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在汽車工程領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

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【作者簡介】來 君（1970— ），女，廣西南寧人，廣西機(jī)電工程學(xué)校高級(jí)講師，研究方向?yàn)槠囯姎庀到y(tǒng)智能控制。

（責(zé)編 李 言）