新能源汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李帆

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學院 教務(wù)處, 陜西 西安 710018)

0 引言

隨著汽車使用量的持續(xù)增加，在為日常生產(chǎn)生活帶來巨大便利的同時導(dǎo)致道路行車安全系數(shù)不高的問題日益突出，道路交通事故頻發(fā)，帶來一定的經(jīng)濟損失，既對人們的生命財產(chǎn)安全帶來不同程度的損害又對社會秩序產(chǎn)生了不良影響。汽車追尾是引發(fā)交通事故的主要原因之一，通過防追尾預(yù)警系統(tǒng)及時檢測到可能發(fā)生的追尾事故，并在較短的安全時間內(nèi)向駕駛員發(fā)出報警提示并提醒其進行正確合理的操作(包括制動、剎車等)。隨著節(jié)能環(huán)保的深入開展，新能源汽車的市場占有率不斷擴大，為此本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種針對新能源汽車的防追尾預(yù)警系統(tǒng)[1]。

1 現(xiàn)狀分析

相關(guān)統(tǒng)計資料顯示在引發(fā)交通事故的多種原因中汽車追尾占比較高，尤其是行駛于高速公路中的汽車發(fā)生追尾事故的概率較高，目前汽車防追尾預(yù)警功能已成為一種實用有效的手段，這就促使種高效可靠的汽車防追尾預(yù)警系統(tǒng)成為現(xiàn)階段領(lǐng)域內(nèi)的一項研究熱點，眾多汽車生產(chǎn)企業(yè)、高校、社會科研機構(gòu)投入到了這方面研究中。在現(xiàn)有的汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)中，自車和前車(包括為靜止障礙物的前車或物體)的距離及相對速度的探測與測量功能通過車載雷達傳感器的使用實現(xiàn)，系統(tǒng)在自車同前方的車輛或靜止物體間的距離(測量數(shù)值顯示于液晶顯示屏上)小于規(guī)定的安全數(shù)值的情況下會及時發(fā)出報警信號(包括聲音和燈光兩種形式)，提醒駕駛員制動或控制車輛自動剎車。目前國內(nèi)外關(guān)于汽車防追尾預(yù)警系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)取得了一定的進展，例如，一種依賴于車與車間的信息交互的主動防追尾預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能主要基于雷達與攝像頭實現(xiàn)，但在工作過程中涉及到大量的信息處理，系統(tǒng)的報警準確率與實時性有待提高；根據(jù)對后向可達性與不變集理論的分析結(jié)果完成的汽車間最大允許安全距離的設(shè)置(包括位置誤差、加速度)，主要通過多個控制器(兩個或兩個以上)的使用實現(xiàn)對汽車相對速度、車間距離的測量，但因?qū)ζ囎赃m應(yīng)巡航系統(tǒng)的要求較高而限制了應(yīng)用范圍；一種結(jié)合運用確定性及隨機參數(shù)的主動防追尾碰撞預(yù)警算法(同時考慮到了駕駛員反應(yīng)時間)，該算法基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使自車與前車追尾碰撞的風險得到有效降低，但要求所探測的數(shù)據(jù)具備較高的精度。為進一步提升系統(tǒng)的工作效率及報警準確率，本文主要對汽車主動防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，通過使用控制器單一的AT89S52實現(xiàn)了系統(tǒng)分模塊的設(shè)計(主要包括車速檢測、聲光預(yù)警、測距信息輸入等模塊)，通過傳感器完成車速、車距等信息的采集，并在此基礎(chǔ)上完成車間安全距離的準確計算，及時向駕駛員發(fā)出聲光報警，從而使汽車追尾碰撞事故得以有效避免。

2 防撞原理

通過安裝在汽車上的防碰撞系統(tǒng)實現(xiàn)在出現(xiàn)追尾隱患時，向駕駛員發(fā)出警報提示，并在較為緊急的情況下進行自動控制和緊急制動，由于在安全距離內(nèi)出現(xiàn)的追尾隱患對汽車防追尾報警系統(tǒng)的靈敏度要求較高，為給駕駛員留出較為充足的反映時間、提高系統(tǒng)的可靠性，需最大程度降低防追尾系統(tǒng)的誤警率和漏警率，汽車防追尾系統(tǒng)的可靠性主要受到行駛車輛的運動狀態(tài)、路面附著系數(shù)、駕駛員的應(yīng)急能力及反應(yīng)時間等因素的影響。經(jīng)進一步優(yōu)化的汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)主要負責檢測自車與前方行駛汽車間的距離，在檢測距離小于安全距離的情況下通過預(yù)先設(shè)置輸入的報警程序通過蜂鳴器向駕駛員發(fā)出報警提示，提醒駕駛員采取剎車操作，緊急情況下可進行自動剎車。

2.1 碰撞分析模型

對于行駛在高速公路同一車道上兩個任意時刻的前后兩輛汽車(后車A和前車B，行駛方向相同)的相對位置，如圖1所示。

圖1 前后車相對位置示意圖

使用激光測距傳感器探測距離，某一時刻A和B的間隔距離由d表示，A采取制動后由SA表示其行駛的距離，B行駛的距離由SB表示，最小縱向安全距離由dmin表示(即SA-SB)，假設(shè)，某一時刻測得的A和B間距為D，并且A、B兩車停止時需保持由d0表示的額定安全距離(通常在2～5 m之間)，汽車相對速度及駕駛員反應(yīng)時間是影響d0大小的主要因素，危險報警距離由Sw表示，本文在此基礎(chǔ)上確定了Sw=d0+dmin≥D的報警規(guī)則，防尾預(yù)警剎車系統(tǒng)在動態(tài)車間相對距離差(即D-dmin)不超過d0的情況下開始向駕駛員發(fā)出語音報警，提醒其采取避免追尾碰撞的相應(yīng)措施[2]。

2.2 汽車制動距離

駕駛員接受緊急制動信號后，汽車制動狀態(tài)下的制動減速度、踏板力、制動時間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 汽車的制動過程

(1)

2.3 危險報警距離的建立

在前后兩車均處于行駛狀態(tài)下，后車A的駕駛員難以預(yù)知前車B接下來的行為，尾隨車的危險報警距離根據(jù)車輛不同行駛狀態(tài)可分為三種情況[4]。

(1) 前車靜止或前方存在靜止障礙物時，此時推得SB=0，車間距離表達式，如式(2)。

(2)

假設(shè)，后車最大制動減速度由aAmax表示，前車的速度和制動減速度分別由vB和aB表示，后車停止時兩車間的額定安全間距由d0表示，此時的危險報警距離表達式，如式(3)。

(3)

(2) 前車減速行駛時，后車車速和前車車速分別由vA和vB表示，如式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中，vr表示相對速度，Δt表示單位時間間隔，D2和D1表示Δt內(nèi)的實時測量值(由激光測距傳感器完成)，vB=vA-vr，vr=(D2-D1)/Δt。報警模型通常會受到aA、aB大小的較大影響，前后兩車都采用最大減速度計算以簡化計算，取aAmax=aB時的危險報警距離表達式，如式(6)。

(vA+vB)vr/25.92aAmax+do

(6)

(3) 前車勻速或加速行駛時，尾隨車車速小于前車車速時不會發(fā)生追尾碰撞的情況，在尾隨車車速大于前車車速時發(fā)生碰撞的可能性較大，危險報警距離表達式，如式(7)。

(7)

3 汽車防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文所構(gòu)建的系統(tǒng)主要由信息采集(主要由包含三個按鈕的路面情況選擇開關(guān)、安裝于車前保險桿處的激光測距傳感器、安裝于變速箱蝸輪軸上的霍爾車速傳感器、駕駛員反應(yīng)時間構(gòu)成)、中央信息處理(系統(tǒng)的運算核心)、負責系統(tǒng)輸出執(zhí)行部分的聲光預(yù)警3大模塊構(gòu)成，其總體架構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

信息采集模塊負責采集自車和前車信息，霍爾車速傳感器主要負責測量自車速度以供中央信息處理模塊使用；采用測程可達200 m的脈沖激光測距傳感器負責完成對自車同前車的間距及路況信息的實時測量功能，并經(jīng)射頻模塊向中央信息處理模塊傳送檢測到的參數(shù)信息(測距精度在0.15～0.2 m之間)；路面情況選擇開關(guān)主要針對干燥、潮濕和泥漿3種路面進行選擇；以實際不同的駕駛員信息及車速為依據(jù)輸入相應(yīng)的駕駛員反應(yīng)時間。選用AT89S52單片機作為處理器的中央信息處理模塊主要負責實現(xiàn)對采集到的全部測量參數(shù)的分析運算與融合(使用中央處理器完成)，可使用同AT89S52所有外設(shè)配套的函數(shù)庫(由ATMEL公司編寫)。主要由聲光報警器(蜂鳴器，)和 LED 顯示器(用于實時顯示自車速度及兩車的實際距離)構(gòu)成的聲光預(yù)警模塊主要負責在系統(tǒng)預(yù)測到存在追尾碰撞危險時及時向駕駛員發(fā)出語音報警提示，避免碰撞事故的發(fā)生[5]。

3.2 硬件模塊設(shè)計

(1) 測距信息接口。AT89S52的電平為 TTL 電平，采用RS232標準通信接口的傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息需通過相應(yīng)接口完成到AT89S52的傳送，本文使用MAX232(一種電平轉(zhuǎn)換芯片)實現(xiàn)激光測距傳感器測算的距離信息的電平轉(zhuǎn)換后再同單片機接口電路相連。(2) 車速檢測模塊。該模塊主要由霍爾元件H、三極管和光耦開關(guān)TLP521構(gòu)成。將一塊正對面安裝霍爾元件的磁鋼(使霍爾H與磁鋼間形成磁場)固定到蝸輪軸轉(zhuǎn)軸上(以霍爾元件的靈敏度為依據(jù)對空隙進行調(diào)節(jié))，轉(zhuǎn)速對應(yīng)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)(每次霍爾在其正對面面向轉(zhuǎn)動的磁鐵時即會發(fā)出一次脈沖信號)，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速以I/O 口輸出高低電平的個數(shù)(指標準數(shù)字電路)為依據(jù)計算獲取，3 腳的低電平在磁場強度到達釋放點時向高電平跳變，從而導(dǎo)通三極管和光耦的6、7 腳，此時I/O 輸出低電平；3 腳的高電平在磁場強度到達工作點時向低電平跳變，從而截止三極管和光耦的6、7 腳，此時I/O 輸出高電平[6]。(3) 基于ISD2560 語音芯片的聲光預(yù)警模塊。AGC 為自動增益控制端，麥克風輸入端和補償端分別對應(yīng)MIC和MIC REF，連接模擬信號的輸入端(ANAIN)和輸出端(ANAOUT)的耦合電容的取值一般在0.22～10 μF間，EOM 表示播音結(jié)束，高電平的P/R 引腳激活芯片播放提示音功能[7]。

3.3 軟件工作流程

設(shè)計系統(tǒng)軟件時主要包括主程序和判斷子程序，系統(tǒng)主程序流程，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序算法流程示意圖

通過支持 C 語言程序編譯功能的Keil-uVision 軟件的使用完成系統(tǒng)單片機的調(diào)試，初始化單片機 AT89S52后通過信息采集模塊完成車速、地面附著系數(shù)等信息實時準確的獲取，然后以危險報警距離為依據(jù)，根據(jù)動態(tài)車間相對距離差(實測距離與最小縱向距離之差)的計算結(jié)果完成對碰撞發(fā)生與否的判斷，在差值小于5 m的額定安全距離時及時啟動報警裝置，同時向駕駛員發(fā)出轉(zhuǎn)向、剎車等提示信息，緊急情況下控制車輛自動剎車；超過額定安全距離則抑制報警功能[8]。

4 實驗測試與結(jié)果分析

表1 前車不同運動狀態(tài)的模擬實驗數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)在危險報警距離大于兩車相對距離時能夠及時準確的發(fā)出報警提示，達到了預(yù)期效果，具有一定的實際應(yīng)用價值[9]。

5 總結(jié)

不斷提升的社會經(jīng)濟水平以及家庭生活水平促使汽車逐漸成為不可缺少的代步工具，汽車保有量不斷增加，在為日常生產(chǎn)生活帶來了極大便利的同時，道路擁堵及交通安全問題日益突出，本文以對汽車防撞原理的分析結(jié)果為依據(jù)完成了一種防追尾預(yù)警剎車系統(tǒng)的設(shè)計，詳細闡述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件功能實現(xiàn)流程，硬件模塊可使主要的測距和測速功能得以有效實現(xiàn)。實驗仿真結(jié)果表明通過該系統(tǒng)可實時準確的檢測到前后兩車存在的潛在危險并發(fā)出警報提示，提醒駕駛員采取剎車等應(yīng)對措施。