汽車低速測(cè)距報(bào)警與輔助制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（2025）06-0123-03

DesignofLow-speed RangingAlarmand Auxiliary BrakingSystemfor Automobiles

LuJunfengl，SongWei2，Sun Jian3

（1.Schoolof Mechanical andElectrical Engineering，JinlingInstituteof Technology，Nanjing，China; 2.Nanjing Iveco Automobile Co.，Ltd.，Nanjing ，China; 3.Nanjing Chuangyuan Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing ，China）

【Abstract】Aiming at the problem that rear-end colisions are prone to occur when vehicles are following at low speeds，thispaperdesignsasystem integrating ranging alarmand auxiliary braking functionsbasedon theAT89C51 single-chip microcomputer.Bydeplyanalyzing theminimumsafe time modelofthevehicle during dynamic driving，the systemusesultrasonicdistancesensorsandvehicle speed sensors tocolectdatainreal time，combinedwith the environmentaltemperaturecompensationalgorithm，toaccuratelycalculatethevehicledistanceandtheminimumsafe time.When themeasuredvehicle speedand thedistance betweenvehicles fail tomeet theminimumsafety time requirements，thesystemwillimmediately triggeranaudibleandvisualalarm.Intheeventthat thedriverfailsto respond in time，the auxiliary braking program will be automatically initiated.

【Key Words】 low-speed ranging；auxiliary braking； single-chip microcomputer； error compensation

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，交通擁堵已成為全球性問題。在低速跟車場(chǎng)景下， 70%～90% 的交通事故因駕駛員分心或反應(yīng)延遲引發(fā)，其中約 35% 的交通事故是追尾事故。研究表明，若在事故發(fā)生前1.5s向駕駛員發(fā)出報(bào)警并促使其及時(shí)采取措施，可避免90% 的碰撞事故[-4。因此，開發(fā)汽車低速測(cè)距報(bào)警與輔助制動(dòng)系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞汽車測(cè)距防碰撞技術(shù)開展了大量研究。目前，汽車間距離測(cè)量主要采用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外、攝像系統(tǒng)及超聲波等方式。其中，激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)性能優(yōu)異，但成本較高；紅外測(cè)距多用于軍事領(lǐng)域；攝像系統(tǒng)測(cè)距不僅成本高昂，還易受天氣條件影響；超聲波測(cè)距具有原理簡(jiǎn)單、成本低、制造方便的優(yōu)勢(shì)，不過探測(cè)距離有限[2]。文獻(xiàn)[5-7]分別基于激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器設(shè)計(jì)防撞系統(tǒng)，均取得良好效果，但傳感器的選擇需結(jié)合實(shí)際工況與需求。此外，現(xiàn)有研究多聚焦于靜態(tài)距離測(cè)量，采用固定車距報(bào)警閾值，未充分考慮車速與安全距離的動(dòng)態(tài)關(guān)系，缺乏實(shí)時(shí)匹配分析，且報(bào)警后過度依賴駕駛員操作，缺少自動(dòng)制動(dòng)機(jī)制。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款低速測(cè)距報(bào)警與輔助制動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)匹配車距與車速，判斷追尾風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)，優(yōu)先觸發(fā)報(bào)警；若駕駛員未及時(shí)制動(dòng)，系統(tǒng)將自動(dòng)介人，降低追尾事故發(fā)生概率。同時(shí)，系統(tǒng)選用高普及度芯片與元件，有效控制制造成本，利于推廣應(yīng)用。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件方框圖

考慮到低速跟車工況下的成本因素，系統(tǒng)選用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距。按功能劃分，系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊組（車距檢測(cè)、速度檢測(cè)、溫度檢測(cè)、制動(dòng)信號(hào)檢測(cè)）、單片機(jī)模塊、顯示模塊、執(zhí)行模組（制動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聲光報(bào)警）組成，其硬件方框圖如圖1所示。

1.2系統(tǒng)防碰撞控制策略

傳統(tǒng)防碰撞控制策略通常設(shè)定固定安全車距，當(dāng)實(shí)測(cè)車距小于該閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警，這種方式忽略了車速與車距的動(dòng)態(tài)匹配關(guān)系。本文采用最小安全時(shí)間法，該時(shí)間包含駕駛員反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)系統(tǒng)延遲時(shí)間以及汽車以最大制動(dòng)力減速至停止的時(shí)間[8]。三者總和約為 0.5～1.5s ，其中制動(dòng)系統(tǒng)延遲時(shí)間約0.2～0.3s ，并隨車速變化。針對(duì)低速跟車場(chǎng)景（車速小于 20km/h ），此階段制動(dòng)時(shí)間約為 0.7～0.9s ，綜合考慮安全裕量與跟車平穩(wěn)性，選取3s作為最小安全時(shí)間。該值越大，跟車越平穩(wěn)，但會(huì)增大車距，影響通行效率。

由于超聲波在空氣中傳播的速度受溫度影響，為降低測(cè)距誤差，系統(tǒng)引入環(huán)境溫度檢測(cè)模塊，在計(jì)算距離時(shí)，采用公式（1）的計(jì)算方法。

L=（331.4+0.6T）×t/2

式中： L 距離， m ; T -環(huán)境溫度， °C ;

-時(shí)間，s。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)模塊電路與制動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

為平衡系統(tǒng)的成本與可靠性，本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)接收傳感器信號(hào)，通過程序判斷車距與車速是否處于安全范圍，若存在追尾風(fēng)險(xiǎn)，則控制執(zhí)行模塊動(dòng)作。制動(dòng)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)駕駛員是否踩下制動(dòng)踏板，其一端連接制動(dòng)燈開關(guān)，通過由 14kΩ 與 10kΩ 電阻組成的分壓電路，將電壓轉(zhuǎn)換為5V輸入單片機(jī)P1.7端口。當(dāng)制動(dòng)踏板踩下時(shí)，單片機(jī)接收高電平信號(hào)，電路如圖2所示。

2.2 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器選用DS18B20，該傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，采用單總線的接口方式通信，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和較強(qiáng)的抗干擾能力。傳感器有3個(gè)引腳，其中DQ為數(shù)字信號(hào)輸出端，接入單片機(jī)P3.0口，如圖3所示。

2.3車距檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

車距檢測(cè)采用AJ-SR04M超聲波傳感器，該傳 感器具備防水功能，工作可靠，探測(cè)距離可達(dá) 8m 。 車距檢測(cè)電路如圖4所示，TRIG端口連接單片機(jī) P3.5端口接收TRIG觸發(fā)信號(hào)，ECHO端口連接單片 機(jī)P3.6接收回波信號(hào)。

2.4車速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用A44E霍爾測(cè)速傳感器進(jìn)行車速測(cè)量，其OUT輸出端與單片機(jī)P3.2端口相連。該傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)與車輪轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)，車輪每旋轉(zhuǎn)1周，傳感器輸出1個(gè)脈沖，結(jié)合輪胎參數(shù)計(jì)算輪胎周長(zhǎng)，即可得出汽車實(shí)時(shí)速度。車速檢測(cè)電路如圖5所示。

2.5 制動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)不同車型的適用性，設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留電機(jī)接口，需主動(dòng)輔助制動(dòng)時(shí)可接入制動(dòng)電機(jī)。電路采用TB6612芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片支持雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中，VM為電機(jī)輸入電源（12V）；AN1、AN2分別與單片機(jī)P2.6、P2.5端口相連，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向；PWMA連接P2.3控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；BN1、BN2、PWMB分別接P2.7、P2.8、P3.0；STBY為使能端接VCC;OUT1-OUT4為電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出端，制動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

2.6報(bào)警模塊與顯示模塊電路設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊由蜂鳴器與LED組成，當(dāng)單片機(jī)2.4引腳輸出低電平時(shí)，PNP三極管飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器與LED實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。顯示模塊采用LCD1602顯示屏，實(shí)時(shí)顯示車速與車距，其RS、RW、E端分別與單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2端口相連，D0-D7端與單片機(jī)P0.0-P0.7端口相連。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主流程如圖7所示。主程序首先對(duì)各傳感器進(jìn)行初始化，隨后單片機(jī)接收傳感器信號(hào)，獲取并顯示溫度、車距、車速數(shù)據(jù)。當(dāng)車速低于 20km/h 時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)追尾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，若車距與車速比值小于3，則觸發(fā)報(bào)警。若0.5s后駕駛員未采取制動(dòng)措施，系統(tǒng)將自動(dòng)執(zhí)行1s輔助制動(dòng)，隨后重新評(píng)估追尾風(fēng)險(xiǎn)。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的測(cè)距報(bào)警與輔助制動(dòng)系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)固定車距報(bào)警閾值模式，基于最小安全時(shí)間法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)報(bào)警，并在駕駛員未及時(shí)制動(dòng)時(shí)提供輔助制動(dòng)功能。系統(tǒng)選用低成本元件，具有良好的工程應(yīng)用與推廣價(jià)值。

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（編輯凌波）