硕士学位论文-汽车纵向防撞报警系统开发.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 汽车纵向防撞报警系统开发 姓名：贺大松 申请学位级别：硕士 专业：机电系统计算机测控理论与技术 指导教师：杨平 20080304 摘要 摘要 随着我国高速公路交通业的快速发展，交通事故率居高不下，交通安全成为 越来越重要的社会问题，引起了人们的普遍关注。发展智能交通系统与智能车辆 技术是解决我国交通安全问题的有效措施。 本文论述了世界智能交通系统和智能车辆技术在自动防撞方面的应用现状， 结合我国的高速公路情况、驾驶习惯及传感器现有技术，设计了符合中国国情的 汽车纵向防撞报警系统，其目的是：在危急情况下，进行报警，提醒驾驶员，使 之有一定的预处理时间，从而避免由于驾驶员疲劳、疏忽、误判断所造成的交通 事故，实现主动保障交通安全的目的。 其基本工作原理是：利用检测设备准确测量前方障碍物的距离，并迅速反馈 给本车微处理系统，微处理系统经过运算、比较、然后做出判断，如达到危险速 度、距离，启动报警装置，采用语音和灯光的形式进行报警。 在本系统的开发过程中，根据不同的行车情况，较深入地探讨了报警距离和 制动距离情况，建立了报警距离模型和制动距离模型；然后，依据所要达到的基 本功能，设计了系统方案，并以此为基础，选择系统电源、设计信息采集、警报 信号输出及其它装置的应用电路；用m c s - - 5 1 汇编语言编制了系统控制程序； 最后运用p c 机进行模拟信号输入、运用灯光和声音进行报警，得出了模拟实验 的结果。 实验结果表明，输入一个车速信号，报警距离大于安全制动距离，能实现不 同方式的报警。硬件与软件匹配，系统工作稳定。 关键词：汽车碰撞，预警系统，行车，安全 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a yt r a f f i cs y s t e r ni nc h i n a , t h et r a f f i cc r a s h r a t ei s k e e p i n gi nah i g hl e v e l t h et r a f f i cs a f e t ya l s ob e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n ts ot h a tp e o p l ea l w a y sp a ya t t e n t i o nt oi t d e v e l o p i n gt h ei n t e l l i g e n tt r a f f i c s y s t e ma n di n t e l l e c t u a lv e h i c l et e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v em e a s u r et os o l v et h et r a f f i c s a f e t yp r o b l e m f i r s t l y , t h i st h e s i sg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o na r e ao ft h ei n t e l l i g e n tt r a f f i c s y s t e ma n di n t e l l e c t u a lv e h i c l et e c h n o l o g ya tt h ea s p e c to fa u t o m a t i ca n t i c o l l i s i o n s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a ls t a t e so fo u rc o u n t r y sh i g h w a y ，d r i v i n gc u s t o m s a n dt h es e n s o r s ，t h ev e r t i c a la n t i - c o l l i s i o nw a r n i n gs y s t e mo fa u t o m o b i l ei sd e s i g n e d t om e e tn e e d so fc h i n a st r a f f i c s i t u a t i o n a i m i n ga ta l a r m i n gt h ed r i v e r , i t s r e c o g n i z e dt h a td r i v e r sr e s p o n s et i m ei se n o u g ht oa v o i dt h et r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e d b yn e g l e c t i n go rm i s j u d g i n g t h eb a s i sp r i n c i p l el i e si nm e a s u r i n gt h ed i s t a n c ef r o mt h ef r o n tb a r r i e rw i t ht h e c h e c k o u te q u i p m e n ta n df e e d b a c kq u i c k l yt ot h e m i c r o p r o c e s s i n gs y s t e mw h i d l s t a r t so u tt h ea l a r m i n gd e v i c ei nt h ef o r mo fs o u n da n dl i g h ti fa ne m e r g e n c ys p e e do r d i s t a n c ei sf o u n d i nt h ep r o c e s so fe x p l o i t i n g , b a s e do nt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，t h em o d e lo f a l a r m i n gd i s t a n c ea n db r a k i n gd i s t a n c ei sc o n d u c t e da n dt h e ns y s t e mi sb u i l tt of u l f i l l t h eb a s i cf u n c t i o n s o nt h eb a s i so ft h et h i s ，t h ea p p l i c a t i o nc i r c u i t so ft h es y s t e mi s d e s i g n e d ，s u c ha st h ep o w e ra p p l y , i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，a l a r me x p o r t i n ga n de t e ， a n dt h es y s t e m a t i c c o n t r o l l i n gp r o g r a mi sd e v e l o p e db yt h em c s 5 1a s s e m b l e l a n g u a g e f i n a l l y , s i m u l a t i o no ft h es y s t e mi np ci sc o n d u c t e da n dt h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h es y s t e mc a nr e a l i z ed i f f e r e n tf o r m so fa l a r m i n gw h e nt h ea l a r m i n gd i s t a n c ei s l a r g e rt h a nt h es a f eb r a k i n gd i s t a n c e k e yw o r d s ：c a rc o l l i s i o n ，p r e a l a r m i n gs y s t e m ，d r i v i n g ，s a f e t y h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：该参彳! ) 日期：少，暑年弓月乒日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：旦 日期：庐箩年弓月乒日 第一章绪论 1 1 我国高速公路发展概况 第一章绪论 1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车，结束了我国大陆没有高速公路的历 史。到2 0 0 6 年底，全国高速公路总里程达到4 1 万公里，继续稳居世界第二。到 2 0 1 0 年，新建高速公路2 4 万公里，全国高速公路总里程达到6 5 万公里，到2 0 2 0 年，我国高速公路网将要达到8 2 万公里，可以覆盖1 0 多亿人口，接近高速公路 世界第一美国8 8 万公里的规模。经过1 8 年的持续快速发展，国家高速公路网骨 架基本形成，使公路基础设施总体水平实现了历史性跨越。使主要公路运输通道交 通紧张状况得到明显缓解，长期存在的运输能力紧张状况得到明显改善。高速公 路的快速发展，大大缩短了省际之间、重要城市之间的时空距离，加快了区域间 人员、商品、技术、信息的交流速度，有效降低了生产运输成本，在更大空间上 实现了资源有效配置，拓展了市场，对提高企业竞争力、促进国民经济发展和社 会进步都起到了重要的作用。 1 2 我国高速公路交通安全现状及其预防对策 1 2 1 我国高速公路交通安全现状 随着我国交通运输行业的蓬勃发展，高速公路总里程已突破四万多公里，跃 居世界第二位，目前汽车保有量已达到3 8 6 0 万辆以上，是世界第三大汽车生产国、 表1 - 1 交通事故统计表 直接经济损失 年份汽车保有量( 万辆)交通事故起数 死亡人数( 人) ( 亿元) 2 0 0 2 2 0 5 37 7 3 0 0 0 1 0 9 0 0 03 3 2 2 0 0 3 2 4 0 06 6 7 5 0 71 0 4 3 7 23 3 7 2 0 0 42 6 9 45 1 7 8 8 9 1 0 7 0 7 72 3 9 2 0 0 5 3 1 6 04 5 0 2 5 49 8 7 3 818 8 2 0 0 63 8 6 03 7 8 7 8 1 8 9 4 5 51 4 9 电子科技大学工程硕士学位论文 第二大汽车消费国。伴随着交通事业的高速发展，交通事故率也居高不下，严重 威胁着人民的生命安全、财产安全，交通安全已成为越来越重要的社会问题，引 起了人们的普通关注，加强交通安全工作刻不容缓。表1 1 统计了2 0 0 2 年至2 0 0 6 年五年间的交通事故起数、死亡人数和直接经济损失情况。 1 2 2 高速公路事故特点 高速公路事故特点主要表现在以下几个方面： 1 ) 事故发生的原因方面，表现为超速行驶、不按规定保持行车间距、违章 变更车道以及道路缺陷等四个方面。 2 ) 在事故发生的形态方面，主要表现为撞钢板护栏、尾随相撞两种形态。 3 ) 从事故发生的日期、时段上看，双休、节假日、雨雪雾天呈现事故较多 的趋势。 4 ) 从时段上看，中午1 2 时至1 4 时，凌晨2 时至7 时为事故集中时段。 5 ) 从事故发生路段来看，高速公路交通事故多发生在下坡、急弯、施工路 段、破损路段、易积水处。 6 ) 从事故的损害后果上来看，高速公路交通事故往往造成严重人身伤亡和 较大财产损失。 1 2 3 高速公路交通事故发生原因 下面以2 0 0 5 年发生的4 7 起特大交通事故为例，分析高速公路事故发生的原 因。在这4 7 特大交通事故中，有2 1 起为坠车事故，多发生在西部多山地区，占 总数的4 4 6 ；有8 起正面碰撞事故，7 起追尾碰撞事故，两者合计占事故总起数 3 1 9 。在公路上发生4 4 起，造成7 4 6 人死亡，分别占总数的9 3 6 ，其中，国道、 省道上共发生2 2 起，占总数的4 6 8 ；县道、乡道上共发生7 起，同比减少1 5 起。 高速公路上发生1 0 起，同比增加了2 起。 1 ) 造成交通事故的主要原因是机动车驾驶人违法驾驶 2 0 0 5 年，全国机动车驾驶人交通肇事4 1 7 3 5 5 起，占事故总数的9 2 7 ，造成 9 1 0 6 2 人死亡，占死亡总数的9 2 2 。因超速行驶导致1 6 0 1 5 人死亡，占死总数的 亡1 7 6 ；疲劳驾驶导致2 5 6 6 人死亡，占2 8 ；违法超车、会车导致6 8 7 1 人死亡， 2 第一章绪论 占7 5 ；违法占道行驶导致4 4 8 8 人死亡，占4 9 ，超员客车交通事故导致3 0 3 9 人死亡，占3 3 。 纵向间距不够导致追尾事故的发生。追尾碰撞事故占非单方事故起数的 4 6 7 。 2 ) 机动车方面的原因 目前在我国道路上行驶的机动车辆，车况差，安全性能低，许多都不能满足高 速公路行驶的需要，一旦出现紧急情况，或者制动不良或者制动失效，严重危害了 行车安全。 3 ) 行人及非机动车驾驶员方面的原因 因非机动车驾驶人、乘车人及行人过错导致交通事故2 0 0 9 0 起，造成4 2 0 7 人死亡，分别占总数的4 5 和4 3 。 4 ) 道路方面的原因 5 ) 交通环境方面的原因 交通环境如边沟、边坡、雨、雪、雾、风等都会对高速公路行车安全产生一 定的负面影响，从而导致交通事故的发生。 6 ) 管理方面的原因 对交通肇事案件追究刑事责任的力度不够，交通肇事当事人得不到应有的惩 处和教育，其他交通参与者不能及时从中受到警示和教育，不利于避免交通事故 发生。 1 2 4 我国高速公路交通安全预防对策 针对高速公路交通事故的成因，应加强对机动车驾驶员管理，提高车辆的科技 含量，改善道路交通环境，完善管理措施，预防交通事故发生。 1 3 智能车辆系统研究概述 由上论述可知，高速公路交通安全已成为越来越重要的社会问题，加强交通 安全工作刻不容缓。要改变这种状况，一方面要加强交通安全管理，另一方面也 要依靠先进科技的力量，最大程度地避免交通事故，其中开发智能交通系统就是 一项重要内容。 电子科技大学工程硕士学位论文 1 3 。1 智能交通系统( it s ) 简介 智能交通系统，即i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ，就是通过采用先进 的电子技术、信息技术、通信技术等高新技术，对传统的交通运输系统及管理体 制进行改造，从而形成一种信息化、智能化、社会化的新型现代交通系统。智能 交通系统涉及7 大领域和2 9 个用户服务功能，其中7 大领域包括：出行和交通管 理系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费 系统、应急管理系统、先进的车辆控制和安全系统。采用智能交通系统，每年交 通事故死亡人数可减少3 0 以上，提高交通工具的使用效率5 0 以上。 i t s 的兴起极大地促进了智能车辆技术水平的提高，使智能车辆作为i t s 的 重要组成部分得以被系统地研究开发n 1 。世界各国对智能车辆技术的研究开发表 现出空前的热情，为此投入了大量的人力、物力，智能车辆技术也相继取得了突 破性的发展。 1 3 2 智能车辆的研究与发展 智能车辆i v ( i n t e l l i g e n tv e h i c l e ) 的研究始于五十年代美国，19 5 4 年美国的 b a r r e t e l e c t r o n i c s 公司研究开发出世界上第一台自动引导车辆系统 a g v s ( a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l es y s t e m ) ，并在s o u t hc a r o l i n a 州的m e r c u r ym o t o r f r e i g h t 公司的仓库内投入运营，用于实现物品的自动运输。该a g v s 是一种无人 驾驶的自动拖车装置，可跟踪埋在地面下的带电导线实现车辆的自动引导。尽管 这只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本 的特征即无人驾驶。 伴随着计算机、电子、通信技术的飞速发展，智能车辆的研究从上世纪6 0 、 7 0 年代的初步，8 0 年代国外掀起研究热潮，9 0 年代进行深入、系统、大规模研 究阶段。 近年来，随着西方各国对智能交通运输系统( i t s ) 研究的投入，作为i t s 重要组成部分的智能车辆技术也得到了飞速的发展倥1 。如美国i t s 的开发项目中 的先进车辆控制系统a v c s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ) 、自动高速公路系 统a h s ( a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m ) 、先进的驾驶员信息系统a d i s ( a d v a n c e d d r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 就紧紧围绕智能车辆进行。欧洲的普罗米修斯计划 ( p r o m e t h e u s ) 和欧洲交通安全和道路系统计划。目前，智能车辆系统正向着 实用化方向发展，重点研制适应性更强、动态能力更好的智能传感器系统并努力 4 第一章绪论 提高智能车辆的“智能水平“ 。事实上，美、日等已经开始投入市场的碰撞报警 系统( c w - c o l l i s i o nw a r n i n g ) 、防撞系统辅助驾驶系统( c a d a c o l l i s i o n a v o i d a n c e d r i v ea s s i s t a n c e ) 、智能速度适应系统( i s a i n t e l l i g e n ts p e e d a d a p t a t i o n ) 等，都是智能车辆技术实用化的阶段性标志口】。 无人驾驶智能车辆在工业柔性生产、公路交通运输、精细农业、物流自动化、 军事等领域具有十分广阔的应用前景和重大的社会经济效益。智能车辆体现多种 高新技术的交叉融合，是当今世界车辆工程、交通工程、机器人与自动化等领域 的研究前沿h 1 。 1 3 3 智能车辆技术应用现状 智能车辆( i n t e l l i g e n tv e h i c l e - i v ) 作为我国i t s 的重要组成部分，智能车辆 系统是利用安装在汽车上的感应器和通讯设施来辅助车辆的安全驾驶，从而预防 交通事故的发生或减轻事故的严重性。目前正在发展测试和应用的智能车辆技术 可以分为三类： 1 ) 车辆相撞警示系统 监测行驶中车辆的周边情况，如有危险情况发生，能及时警示司机采取相应 行动，以避免可能的交通事故。主要包括碰撞预警系统和驾驶员状态监测系统。 碰撞预警系统( c w - c o l l i s i o nw a m i n gs y s t e m ) ：前方碰撞警告、盲点警告、车道 偏离警告、换道并道警告、十字路口警告、步行人检测与警告、后方碰撞警告。 驾驶员监测系统主要有：驾驶员打盹警告系统、驾驶员位置占有状态监测系统等。 2 ) 辅助驾驶系统 提供行驶路线，帮助搜寻满足出行需求的目的地，具有导航的功能。同时， 在某些情况下，能部分控制车辆的驾驶，以避免车辆相撞事故。主要包括：巡航 控制、车辆跟踪系统、准确泊车系统及精确机动系统。 3 ) 事故通报系统 在事故发生后，自动发出紧急求救信号，能加速救护伤员的过程。智能车辆 的关键支持技术主要包括机器视觉技术、雷达技术、磁性导航技术、高精度的数 字地图和g p s 技术等晒】。 智能车辆技术的应用主要体现在车辆的碰撞预警系统、防撞及辅助驾驶系统、 自动操作等方面。 电子科技大学工程硕士学位论文 1 3 4 世界智能车辆技术在自动防撞方面的研究现状 国际上对汽车防撞雷达的研究始于2 0 世纪6 0 年代，在此后的1 0 多年内，以 德国、美国、日本为代表的主要西方国家内形成了一股研究热潮，众多研究机构 和汽车制造厂家合作，有多台样机问世，并有一些相应的实验结果和论文发表， 但是，局限于当时的微波理论及器件的发展水平，加上系统其他硬件成本居高不 下，导致雷达难于做到结构简单、体积轻巧、成本低廉，些外，汽车防撞雷达的 工作环境恶劣，干扰因素众多，科研工作者在实验室制造样机时，对许多因素考 虑并不全面，造成在实际应用中，防撞雷达的工作效果并不理想。 1 9 8 6 年，奔驰公司发起，包括遍及欧洲的1 7 家主要汽车生产厂和5 0 多个研 究所，制订了“p r o m t h e u s ”计划，将组合传感器、通信、人工智能技术于一个系 统中，其目的是改进汽车的安全性、经济性和有效性，其中研制出的性能优良的 汽车防撞雷达，帮助驾驶员避免发生交通事故，是该计划的一个重要组成部份， 该计划，随着微波器件及其集成技术的高速发展，以及微处理器性能价格比的突 飞猛进，使得制造出低成主本、高性能的汽车防撞雷达成为可能，进入9 0 年代 后，德国在这方面的研究工作处于领先地位。 2 0 世纪9 0 年代中期以后，一些公司开始将注意力转向汽车的新型防撞雷达， 这种新型防撞雷达应用于高速公路，称为“a i c c “ ，即自主智能巡航控制。是汽 车雷达发展的高级阶段，就实际情况看，国际上研制出的用于高速公路的防撞雷 达基本上都只需完成向驾驶员提供危险警报功能，为驾驶员争取一定的反映时间。 日本富士通t e n 开发了一款7 6 g h z 毫米波雷达，其外形更小、检测范围更大， 其信号处理内部电路芯片已实现单片化，电路板面积减少了4 0 ，其毫米波收发 零部件也有所减少，厚度仅为7 0 毫米，减少了2 0 ，整体重量5 6 0 克，降低2 2 ， 检测距离从1 0 0 米延长到1 5 0 米。富士通t e n 还研发了一款2 4 7 6 g h z 毫米波雷达， 被安装在带有入侵传感器的自动报警器上，于2 0 0 4 年7 月装备在新款“皇冠 m a r k x ”汽车上。日立制作所也开发了一款毫米波雷达，能近距离检测障碍物， 检测角度扩大为水平方向4 0 0 。 欧盟r a d a r n e t 研究项目整合已有研究成果，研制新型多功能汽车防撞雷达， 其中，德国奔驰公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞雷达工作于 3 5 g h z ，探测距离1 5 0 米，信号处理系统可以计算出前方车辆或障碍物的距离及 相对速度，并根据后车速度计算出必要的安全距离，当两车距离小于安全距离时 发出灯光和声音报警信号，安装在轿车、客车上试用，效果较好。 6 第一章绪论 美国防撞技术研究起步较晚，但目前已处于世界领先水平。主要代表有福特 和e a t o nv o r a d 公司开发的汽车防撞雷达系统，其前方探测距离1 0 6 米，可在探测 范围内跟踪2 0 多个目标，工作频率2 4 7 2 5 g h z ，雷达功率5 m w 。 国内对汽车防撞装置的研究相对比较晚，整体水平也相对较低。具有代表性 是有：上海汽车电子工程中心研制的s a e 一1 0 0 型毫米波汽车防撞雷达样机，采 用l f m c w 制式，工作频率3 5 g h z ，测距范围大于1 0 0 米，测速范围大于1 0 0 k m h ， 采用增益为2 6 d b 的喇叭天线，发射功率4 0 5 m w ，以d s p 为中央处理器。 上海微系统与信息技术研究所射频与微波课题组研究出小型防撞雷达，其前 端芯片是国内首次开发，具有独立知识产权，该机具有重量轻、体积小和全天侯 的特点。在2 0 0 7 年底投入应用。 1 4 汽车纵向防撞系统开发课题的提出 由于高速公路属于全封闭、立体交叉，具有中央分隔带，行车道上车辆与横 向车辆、行人及对面车辆的碰撞的事故较少。但其车速高，在雨天、雪天路面滑 溜，在雾天视线不良的情况下，很容易发生制动侧滑、甩尾和追尾碰撞事故。 汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距前方物体( 如：汽车、行人、或其他 障碍物) 的距离近而相对车速太快。为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车的 车速就要根据与前方物体的距离进行调节，使汽车始终在安全车速下行驶，减少 事故发生。 在过去的二三十年中，人们的注意力主要集中在汽车被动安全性方面。例如： 在汽车的前部和后部安装保险杠、在汽车外壳四周安弹性材料、在汽车座椅上安 装安全带、在方向盘上装安全气囊等，以减轻汽车碰撞带来的危害。保险杠可以 缓冲但无法消除对被碰撞物体撞击，发生车祸时，安全气囊不一定总能有效保护 车内人员安全。因此，被动安全技术不能从根本上解决汽车行驶中碰撞所造成的 破坏。 通过测试，给驾驶员一定的预处理时间砸3 ，可分别减少追尾事故的3 0 ，路面 相关事故的5 0 ，迎面撞车事故的6 0 。所以应从预防碰撞事故发生的角度出发， 提高汽车的主动安全性能。 从安全行车角度出发，开发汽车主动安全性技术，预防汽车碰撞，能取得比 被动防碰更好的效果，实现汽车安全性突破。目前，主动防撞安全技术成本较高， 尚不能普及。因此，从技术措施方面寻求对策，进行高速公路汽车纵向防撞报警 7 电子科技火学工程硕士学位论文 系统的开发研究，以求最大限度的降低交通事故率，降低生产成本，是非常必要 的。这也符合我国i t s 发展的需要。 1 5 课题目标及主要研究内容 1 5 1 课题目标 该课题的目标是开发一套可预防纵向追尾碰撞的设备，装在车辆前部，测量 前后车距、速度，在出现行跟车距离小于安全距离等紧急情况时，发出警报，提 醒驾驶员注意，采取减速或制动等必要措施口3 ，从而达到有效预防追尾碰撞事故 发生的目的。 1 5 2 系统开发的主要研究内容 1 ) 对后车、前车的速度、加速度和驾驶员反应时间进行讨论和分析，建立合 理的行车临界安全车间距数学模型。 2 ) 选择激光测距信号的发射、反射及接收装置。 3 ) 进行硬件和软件进行设计，基本实现整体功能。 ( 1 ) 车间距离计算： ( 2 ) 根据测算出的后车速度、对方车速、车间距、路面附着系数等信息，计 算出此时的行车安全跟车距离； ( 3 ) 在实际距离小于此时的行车安全跟车距离时发出警报。 4 ) 选择警报装置； 5 ) 进行模拟实验。 1 5 3 系统开发的技术路径 本课题采用理论研究与技术开发相结合的方法，先从数学模型建立开始，研 究系统元件配置，选择合适的测距传感器及具型号，设计软件，然后进行模拟实验， 再从系统实验中得出理论依据，指导和改进系统。 1 ) 选择合适的单片机、显示装置、报警装置，探讨行车信号采集与处理办法。 2 ) 编程调试验证其系统性能和实用性，分析数据，提出改进意见。 3 ) 给出工作原理和逻辑电路图。 4 ) 确定报警方案。 第一章绪论 5 ) 进行模拟实验，优化系统，确定开发方案。 1 5 4 该系统的经济技术指标 1 ) 检测距离大于1 5 0 米。 2 ) 模拟实验，警报发生及时。在模拟实际行车距离一旦小于行车安全距离时 发出警报，灯光闪烁，报警声音洪亮。 3 ) 在后车速度小于4 0 k m h 、堵车、起步、停车、转弯时，抑制警报。 4 ) 该系统成本较低。 9 电子科技大学工程硕士学位论文 第二章汽车纵向防撞报警系统方案 2 1 汽车纵向防撞报警系统模型 2 1 1 行车安全距离 1 ) 行车安全距离的概念 在高速公路上同一车道、同向行驶的各车辆之间保持一定的车头间距，如果 车头间距过小，则易发生汽车追尾碰撞事故，车头间距过大，又影响道路的通行 能力。 行车安全距离就是指同一车道、同向行驶的各车辆之间( 指后车车头与前车 车尾之间) ，保持既不发生追尾碰撞事故，又不降低通行能力的适当距离。 2 ) 行车安全距离的法律基础 高速公路交通管理办法第十五条规：机动车在高速公路上正常行驶时， 同一车道的后车与前车必须保持足够的行车间距。正常情况下，当行驶时速在1 0 0 公里时，行车间距为1 0 0 米以上；时速7 0 公里时，行车间距为7 0 米以上。遇上风、 雨、雪、雾天或者路面结冰时，应当减速行驶。 中华人民共和国道路交通安全法第六十七条规定：高速公路限速标志标 明的最高时速不得超过一百二十公里。 2 1 2 车辆制动减速过程分析 按照汽车制动过程理论瞳1 ，对车辆制动减速过程作如下分析： 1 ) 车辆制动减速过程旧1 如图2 1 ( a ) 所示，一次完整的制动减速过程包含以下几个时间段： ( 1 ) 驾驶员反应时间t ， 包括驾驶员发现、判别障碍物、做出决定，并把脚从油门踏板换到制动踏板 上所需要的时间。 ( 2 ) 制动协调时间f 。 包括驾驶员踩制动踏板、消除制动踏板间隙、消除各种铰链和轴承间隙、制 动摩擦片靠紧制动鼓或制动钳夹住制动盘等各环节所需要的时间。 1 0 第二章汽车纵向防撞报警系统方案 ( 3 ) 减速度增长时间t ， 随着制动力逐步增加，减速度逐步增长，车速增长逐步减慢所需要的时间。 ( 4 ) 持续制动时间f 制动力和减速度增加长到最大，持续发生制动作用，车速变慢的时间。 2 ) 车辆制动后行驶距离分析 如图2 1 ( a ) 所示，假设后车初速度为，车辆制动时的最大减速度为a 。 时间t时间t ( 酌实际车辆制动c 啐：速过程分析( b ) 模型车辆制动减速过程分析 图2 - 1 车辆制动减速过程分析 车辆制动后行驶距离由以下几部分构成： ( 1 ) 驾驶员反应时间t ，和制动协调时间t 。内后车的行驶距离s 。： s l 2 v o x ( t ，+ f x ) ( 2 ) 减速度增长时间t ：内后车的行驶距离j ： s 2 2 j ：。1 ，2 ( t ) d t 一 ( 3 ) 持续制动时间t 。内后车的行驶距离曲： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 电子科技大学工程硕士学位论文 s 3 = 【屹( t ) d t ( 2 3 ) 后车制动开始到停车行驶的总距离： s = s l + s 2 + s 3 ( 2 - 4 ) 在实际制动过程中，由于各阶段速度v ：( f ) 及v ，( f ) 随路面条件、驾驶员不同等 外界条件而变化，但在相同驾驶员、相同制动初速度、相同路面条件下，制动距 离应呈现一定规律。 3 ) 模型车辆制动减速过程分析 对上述实际车辆制动过程进行简化，可以得到如图2 - 1 ( b ) 所示的模型车辆 制动减速过程模型。它包括驾驶员反应时间t ，、制动协调时间t d 、制动持续时间乞。 对此模型做如下假设： ( 1 ) 假设持续制动时间t 内减速度恒定 在车辆持续制动时间内，由于驾驶员用力不稳定，造成制动力不均和减速度 波动，若用波动的算术平均值直线代替此波动曲线，所带来的误差是可以忽略的。 因此，假设在持续制动时间t 内，减速度恒定。 ( 2 ) 合并制动协调时间t ，和减速度增长时间t ， 在实际车辆制动过程中，假设在减速度增长时间内，减速度呈匀减速增长， 则在时间t ，内车辆行驶距离为： j ：= 胁。一- c ) d r ( 2 - 5 ) 即： 昆= 访圭a t ：2 ( 2 6 ) 由于减速度增长时间t ：很短，在模型制动过程中，若将f 。和与t ：合并，称制 动协调时间f d ，即认为t ：区间内无减速度，则在时间t d 内车辆行驶距离为： s 2 = v o t d ( 2 7 ) x - j “ l l ( 2 6 ) 、( 2 7 ) 两式可发现，模型的误差仅为7 1a t ：2 ，其值很小，故此项误差 可以忽略不计。 ( 3 ) 模型车辆从制动开始到停车行驶距离为： 。( 1 f + t d ) 唾 1 2 ( 2 8 ) 第二章汽车纵向防撞报警系统方案 2 1 3 行车安全距离计算模型 1 ) 基本原则 如图2 2 所示，为避免后车与前车之间追尾碰撞事故的发生， 车到前车的距离d 必须大于行车安全距离d ，。 d d r 所检测到的后 ( 2 9 ) 图2 - 2 行车安全距离模型 1 ，21 ，2 巧 q 2 v l ( 0 + t f j ) + 一2 a l 。一2 a 2 ( 2 1 0 ) 其中：d 一前后两车间实际距离( m ) ； d ，一前后两车间的安全距离( m ) ； m 一后车速度( m s ) ； v 2 一前车辆速度( 州s ) ；在计算模型中，用1 ，一1 ，删替代1 ，2 ； 1 ，。，为相对速度。 t d 一制动协调时间( s ) ： f ，。一后车驾驶员对前面动目标的反应临界时间( s ) 。 a ，一后车减速度( m s 2 ) ； 1 3 电子科技大学工程硕士学位论文 口2 前车减速度( m $ 2 ) ； 在实际行驶中，口、口：的值随车辆种类、车辆装载情况及路面条件等的不 同而是不同，且应取每一车辆的最大值。在本系统中，为了便于研究，即令口= 口。 = 口2 。于是方程( 2 一1 0 ) 简化为： d r 训d + t n ) + 掣 当前车为静止车辆时，p 2 = o ，则后车到静止目标的安全距离应为： d d s 1 ，； 见2m ( t d 嘞) + 2 口 ( 2 - i i ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 其中：d s 到静止物体的安全距离( m ) ； 拓一后车驾驶员对前面静止物体的反应临界时间( s ) ； 2 ) 报警距离及制动距离的计算 如图2 - 3 所示，在报警前时刻，后车的位置在x ”速度为v 。，与前车的位 置在x ：。、速度为屹，两车相距为d o 。若后车驾驶员预测，再经过f 秒后，后车 图2 3 报警距禹不总图 与前车的车间距离d 。将达到驾达驶员认为的危险车间极限距离x 。；。，即要在此时 采取制动，因此，报警前时刻的车间距离或即为报警距离d 。，而极限车间距离 x 。i 。便是制动距离d b r 。 图2 3 中，x 。表示t 秒内后车走过的距离，x ，表示f 秒内前车走过的距离。 由图可得到： d 。= 墨一x 2q - d r( 2 - 1 4 ) 1 4 第二章汽车纵向防撞报警系统方案 制动距离可由图2 2 算得： 图2 _ 4 制动距离不意图 在图2 4 中p 加表示后车运行距离；d ，表示后车制动停车距离；d 2 表示前车 辆制动停车距离；5 米表示后车与前车均制动停止后的车间距离。 d l o = v l ( t d + f ，)( 2 - 1 5 ) ，； d n 2 2 a 1 ( 2 1 6 ) 可得制动距离公式： 即： 陟哮 ( 2 - 1 7 ) d 打2d l o + d 1 1 一9 2 + 5 ( 2 18 ) 驴u c 毗，+ 丢。掣+ 5 亿柳 式中定义： t a - n 动协调时间与制动减速度的增长时间之和，一般情况取为o 2 秒。 t ，一驾驶员听到报警并采取制动措施的临界反应时间。t ，依驾驶员的不同而 有差异，一般在o 2 秒之间，在此取t ，= 1 3 秒。 a 一后车最大制动减速度，与路面附着系数有关。 a ，一前车辆减速度。 当实际车距达到报警距离d 。，时，便启动报警装置，即点亮黄灯并弱声长音报 警；若达到制动距离时，红灯闪烁加短促宏亮声音报警。 电子科技大学工程硕士学位论文 在这里，我们根据前车的行驶状态分三种情况继续讨论该模型： ( 1 ) 前车为静止障碍物时： x l = 叶t ；x z = o ；v 22 0 ； 将x i 、x 2 、屹代入式( 2 - 1 2 ) 、式( 2 8 ) ，得： v ； d b r 。v 1 ( 付f ，) + 五l + 5 d 。= mt + d b r ( 2 ) 前车相对后车为静止或加速状态时： d b r2 0 d 。2 0 ( 3 ) 前车相对后车为减速状态时： ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) x l = mt ；x 2 - = - ( v i 一) t 竿； d o t = v i 时o ) + 堕2 a 1 一生丛+ 5 ( 2 - 2 4 ) 时厂) + 一一半+ 5 在此，取a 。= a ：。考虑到在实际行车过程中，后车制动减速度a 。一般大于前 车制动减速度a ：，取以= a 。= 口：，则更偏向安全。 吼d b r ：v i ( t d + t 厂) + 立冬! + 5 ( 2 - 2 5 )。 z a d 。= 卅f + i 1a l f 2 + d 打 ( 2 2 6 ) 式中：相对速度。 3 ) 有关参数的说明 ( 1 ) 关干t 的取值 根据经验，在障碍物为静止的情况下，取为1 5 秒；对于第二、第三种动态 运行的情况时，取为3 0 秒。 关于a 取值，我们可以通过实验数据而得到。可选择数名有代表性的驾驶员 以及几种有代表性的路面情况进行下述实验： 让实验车以一定速度接近静止物，驾驶员感觉危险时，踩下制动，记录下此 时车与静止物的距离及后车速度。从中算得a 的值，并可同时验证有关t 的取值。 ( 2 ) 关于t ，、f ，的取值 1 6 第二章汽：乍纵向防撞报警系统方案 令t ，= t ，+ f 一称为驾驶员制动操作反应时间，包括驾驶员的反应时间t 厂和 制动传递延迟时间t 故驾驶员制动操作反应时间f ，经验参数取0 6 - - 2 秒聃1 ，对 于液压制动系统t ，= o 5 - - 一1 2 秒，对气压制动系统t ，= o 8 1 5 秒；令制动力增 长时间t z = f ，一般取f ，- - 0 1 o 5 秒。 ( 3 ) a ，取值 后车加速度a ，可根据减速运动规律求得，设汽车初速度为，则： 旷一妄 ( 2 2 7 ) 式中s ，为汽车制动距离，它与车速y 和路面状况有关，根据典型制动距离数 据曲线和制动距离数据表，归纳汽车制动距离计算经验公式： s ，= a v + b y 。 ( 2 2 8 ) 其中，a 、b 是与车型有关的系数。当车型为小轿车时，a = 0 0 6 ，b - - 0 0 0 6 ； 当车型为液压制动的客车和货车时，a - - 0 0 6 ，b - - 0 0 0 8 5 ；当车型为气压制 动的客车和货车时，a - - 0 1 4 ，b = 0 0 0 8 5 。根据a 、b 和汽车初速度v ，计算出s 再由公式计算出a ，。 在实际计算中，在汽车制动系统技术状况良好的前提下，a ，主要取决于路面 附着系数。以小轿车在清洁干燥的沥青水泥路面行驶为例，计算不同车速下最大 制动减速度a 。，a ，近似于常数。因此，对同一路面状况、同一车型，口，视常数， 若取口1 = 一0 。7 9 ，g 为重力加速度，相对误差小于0 7 。计算时，1 ，从1 0 - - 一1 2 0 k m h 范围内变化，每隔5 k m h 取样。 4 ) 行车安全距离数学模型的初步建立 ( 1 ) 报警原理 通过激光测距传感器测出d ，通过车速传感器直接测到m 、通过计算得到。 如果此时己预先设定好了t d 、t r ，、t y ：和d 的值，就可以据上述信息计算出d r 或 q 。当d 小于q 或口时，信息与处理单元就会判断出潜在的危险情况并给驾驶 员发出警告。 ( 2 ) 综上所述，同向行驶两车不发生追尾碰撞的条件是： 若d 口，正常行驶；( 2 2 9 ) 若d d r ，则报警。 ( 2 - 3 0 ) 5 ) 行车安全距离数学模型的修正 ( 1 ) 测距传感器的精度和定位误差的影响 1 7 电子科技火学工程硕士学位论文 利用电波往返的时间差来测量汽车之间的距离时，计时精度将影响测量精度。 1 纳秒内，电波运动0 3 3 米，若时间分辨率为1 珊，定位精度可达到0 3 3 m ， 除此处，设备噪声带来7 n s 的误差、电波传送及信号识别带来2 n s 的误差，则综 合测时误差为1 2 + 7 2 + 2 2 = 7 3 n s ，转化为位移，定位精度为2 5 m ，沿路的前 进方向的测量误差约为3 m ，为了消除测量误差带来的影响，在d ，的基础上加 上一个修正值d ，取z k l ) = 3 m 。 ( 2 ) 相邻车辆运行状况的影响 汽车在高速公路上行驶的安全程度也受到路段内其他相邻车辆运行状况的影 响，必须加以考虑。其影响的大小用宏观碰撞危险率来体现。这种危险率可以采 用概率理论作定量描述，首先要研究高速公路车流的宏观确定性变化规律，建立 速度变化模型和车流密度变化模型，然后根据速度、密度的分布特点、气候条件、 路况等，求出不同路段内的碰撞危险概率，根据这个概率的大小，调整相应的附 加距离d 。，对行车安全车距进行修正。比如，在雾天，对研究区段内的所有车辆 的行车安全距离都要增加一个适当的修正值d 。 6 ) 行车安全距离数学模型的确定 根据上述分析，经过修正后的行车安全距离d ：为： 4 = b + d + d 。( 2 3 1 ) 同向行驶两车不发生追尾碰撞的条件是： d 巧；( 2 3 2 ) 若d d ：，则报警。 由以上行车安全距离数学模型，采用实时检测数据进行安全车间距离计算， 十分复杂，为了方便计算，使行车安全距离更为可靠，可假设前车制动减速度口， = 一8m s ，后车最大减速度a ，= - - 5m s 2 ，这样，前车所取绝对值大于o 7 9 ，后 车所取绝对值小于0 7 9 ，这种假设使所得行车安全距