一種新型的主動式汽車防碰撞系統(tǒng)的研究

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張紅月

確保汽車行車安全是汽車廠商關(guān)注的重點(diǎn)，汽車防碰撞系統(tǒng)是一個比較好的解決途徑。常見的汽車防碰撞系統(tǒng)大都基于紅外雷達(dá)、超聲波及毫米波等雷達(dá)測距完成的，紅外探測范圍有限，超聲波測距容易受外界環(huán)境影響，毫米波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高等不足。本文提出的汽車防碰撞系統(tǒng)克服上述測量方法的不足，可靠性較高，成本低，系統(tǒng)預(yù)留進(jìn)一步升級的功能。

近年隨著我國經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界第一大汽車國，汽車已經(jīng)成了普通家庭可以考慮的消費(fèi)品。汽車給人們的出行帶來極大的便利，但同時(shí)也給人們帶來很多傷害，公路上越來越多的汽車，引發(fā)了越來越多的交通事故。2016年中國共接報(bào)道路交通事故864.3萬起，同比增加65.9萬起，上升16.5%。其中，涉及人員傷亡的道路交通事故212846起，造成63093人死亡、226430人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失12.1億元[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在道路交通事故中，汽車追尾事故約占70%以上。避免追尾，最直接有效的方法就是保持2秒的安全行車距離,這樣可以避免大多數(shù)的追尾事故[2]。預(yù)防事故的發(fā)生通常采取的措施包括安全帶、 安全氣囊等被動的防碰撞措施，這些措施主要是再碰撞發(fā)生后的補(bǔ)救措施，已經(jīng)造成了一定的損害。所以，本文提出一種新型主動的汽車防碰撞系統(tǒng)，主要研究的是在損害發(fā)生前進(jìn)行碰撞的預(yù)警提示并進(jìn)行相關(guān)動作。

1.系統(tǒng)的工作原理

主動式汽車防碰撞系統(tǒng)是安裝在汽車上的一種主動式汽車安全系統(tǒng)，是一種提前向司機(jī)發(fā)出預(yù)警信息的裝置。具體的工作過程是：汽車在行進(jìn)過程中，由前方汽車的防碰撞系統(tǒng)主動發(fā)出設(shè)定好的脈沖波，發(fā)出的脈沖波被后方汽車防碰撞系統(tǒng)接收，后方汽車接收到脈沖波周期與原設(shè)定的脈沖波周期有時(shí)間差，通過時(shí)間差后車可以計(jì)算出于前車的距離，兩車距離遠(yuǎn)時(shí)間差大，兩車距離較近是時(shí)間差小，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，提醒司機(jī)采取措施，距離過小時(shí)由系統(tǒng)采取緊急制動。防碰撞系統(tǒng)主要功能是距離測量、防碰撞預(yù)警及緊急制動。

2.系統(tǒng)的組成

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（見圖1）

汽車防碰撞系統(tǒng)是由電源模塊、距離探測單元、聲光報(bào)警單元、輔助制動模塊和衛(wèi)星授時(shí)單元組成。電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源，衛(wèi)星授時(shí)單元用來提供基準(zhǔn)授時(shí)，距離探測單元是一個無線信號接收裝置，用于接收前車發(fā)出的脈沖波，通過計(jì)算測得后車與前車的距離，為駕駛員提供預(yù)警信息。聲光報(bào)警單元包括報(bào)警LED燈、聲音報(bào)警蜂鳴器及顯示器提供聲、光報(bào)警，顯示器提供信息提示。輔助制動模塊包括電子制動器及離合器，在緊急情況下輔助駕駛員緊急制動，并拉緊安全帶以保護(hù)駕駛員安全。

圖1

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

主控芯片選用ST公司生產(chǎn)的stm32f103C8T6微控制器[3]，使用ARM 32位的Cortex-M3內(nèi)核，最高72MHz工作頻率，程序存儲器容量是64KB，是很多嵌入式系統(tǒng)首選的微控制器。前車發(fā)出的脈沖是均勻的，后車與前車有一定距離發(fā)生變化的時(shí)候，根據(jù)多普勒效應(yīng)，后車系統(tǒng)接收到的脈沖頻率發(fā)生變化，即周期產(chǎn)生變化，可根據(jù)前后的周期差與無線電波的乘積求出后車與前車的距離，當(dāng)后車與前車距離臨近時(shí)，聲光報(bào)警器和顯示屏?xí)崾抉{駛員采取措施，當(dāng)距離過近時(shí)，系統(tǒng)會輔助制動，并根據(jù)速度的快慢產(chǎn)生不同的力矩，直到駕駛員采取制動措施，系統(tǒng)停止輔助制動。

衛(wèi)星授時(shí)單元主要為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)間信號，確保前車與后車防碰撞系統(tǒng)時(shí)間一致。衛(wèi)星授時(shí)芯片采用ATGM336H-5N31，該芯片是中科微第四代低功耗芯片，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的北斗，美國的GPS，歐洲的GALILEO,俄羅斯的GLONASS，可以實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航與授時(shí)等功能。

距離探測單元選擇成都澤耀科技有限公司的無線通訊模塊AS07-M1101S，該模塊采用的是433MHz頻段貼片封裝，通訊方式采用SPI模式，具有全雙工、低功耗及抗干擾性好等特點(diǎn)，同時(shí)體積小、安裝使用方便，所以該模塊得到廣泛使用。該模塊是通過串口來進(jìn)行無線通信的，一般是由無線收發(fā)芯片和一個帶串口的單片機(jī)組成，用戶只要了解串口通信，不用了解復(fù)雜的無線通訊知識，就能完成無線通信產(chǎn)品的開發(fā)。

聲光報(bào)警單元包括報(bào)警LED燈、聲音報(bào)警蜂鳴器及顯示器，在后車與前車距離小于安全距離時(shí)，蜂鳴器會鳴叫，LED燈會閃爍，顯示屏?xí)@示與前車距離信息，提示駕駛員采取避讓或制動措施，輔助制動模塊可以在前車與后車距離過小時(shí)，會控制離合器及電子制動器來緊急輔助制動，根據(jù)后車車速快慢產(chǎn)生不同的力矩，直到駕駛 員剎車或達(dá)到安全距離，系統(tǒng)停止輔助制動。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

具體的測距原理就是：前車防碰撞系統(tǒng)會在時(shí)間點(diǎn)t1，t2，...，tm發(fā)連續(xù)發(fā)射m個脈沖信號，由于后車與前車保持一定的距離，后車在時(shí)間點(diǎn)T1，T2，...，Tm接收到m個脈沖信號，則可以求出前車與后車的距離：

由于電磁波的速度與光速接近，這里脈沖波速度采用光速c。

在汽車啟動后，汽車防碰撞系統(tǒng)開始初始化，前車定時(shí)先后車發(fā)送特定的脈沖波，后車通過接收脈沖波來計(jì)算與前車的距離。由于汽車行車速度不同需要的安全距離也不同，當(dāng)汽車速度達(dá)到20km以上的時(shí)候，汽車開始進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，汽車在行進(jìn)過程中要保持足夠的安全距離[4]。一般來說人們常常以“3s原則”來判斷，比如行駛速度108km/h，也就是30m/s，則安全距離就是90m；行駛速度72km/h，也就是20m/s，則安全距離就是60m，則根據(jù)速度以“3s原則”來求得的距離作為安全距離的標(biāo)定值。

后車防碰撞系統(tǒng)不斷測定與前車的行車距離，依據(jù)行車速度不同，與相應(yīng)的安全距離標(biāo)定值進(jìn)行比較，行車距離接近安全距離15%范圍內(nèi)，系統(tǒng)開始提示駕駛員提示預(yù)警信息采取措施，如果駕駛員沒有動作，則汽車防碰撞系統(tǒng)輔助制動，直到駕駛員踩下剎車或到達(dá)安全距離，輔助制動停止。

2.4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分，硬件部分包括最小系統(tǒng)的調(diào)試，距離探測單元，聲、光及顯示器預(yù)警單元以及汽車輔助制動模塊調(diào)試，要確保硬件設(shè)計(jì)焊接沒有問題。軟件的設(shè)計(jì)要配合硬件電路進(jìn)行調(diào)試，分模塊的調(diào)試最小系統(tǒng)、距離探測單元、聲光報(bào)警單元及輔助制動模塊，最后完成整機(jī)調(diào)試。

3.結(jié)束語

傳統(tǒng)的汽車防碰撞系統(tǒng)，大都是基于紅外雷達(dá)、超聲波及毫米波等雷達(dá)測距完成的，紅外探測范圍有限，超聲波測距容易受外界環(huán)境影響，毫米波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高等不足。本文提出的汽車防碰撞系統(tǒng)，通過前車向后車主動發(fā)送信號，由后車完成測距，可靠性更高，系統(tǒng)簡單易用、成本較低，同時(shí)系統(tǒng)還具有進(jìn)一步升級定位、導(dǎo)航功能的潛力，更易融入未來發(fā)展的車載物聯(lián)網(wǎng)。