电子论文-汽车主动避撞系统的改进方法与讨论.pdf

汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 唐文，男，现为桂林电子科技大学，计算机与控制学院研究生，研究方向为嵌入式系统的应用研究；李绍文，男，现为桂林 电子科技大学网络中心副主任，高级工程师，研究方向为计算机应用技术。 汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 唐文 1，2 李绍文2 （桂林电子科技大学计算机与控制学院，广西桂林 541004） （桂林电子科技大学网络信息中心，广西桂林 541004） 摘 要：本文在对现有汽车主动避撞系统分析的基础上，提出了一种改进方法。通过对汽车制动系统增加 有效的发射接收装置，并利用 CAN 网络中的优先级仲裁方式和悬架电脑的控制，使汽车之间可以相互“发 现” ， 能在无人干扰的情况下实现汽车的自动刹车，有效地避免了汽车事故的发生。同时，对汽车的电子 喷油系统也进行了类似的改进。此方法较好地弥补了汽车主动避撞系统的不足。 关键字：汽车；主动避撞系统；改进 中图分类号：TP399 文献标志码：A Improve Methods and Argument of Autocar Collision-avoidance System Tang Wen1,2 Li Shao-wen2 (Department of Compute and Control ，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004) (NetWork Information Center，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004) Abstract：Base on analysing the existing autocar Collision-avoidance system，the arcticle puts forward a improve methods .Adding the effective beam-incept equipment to the autocar，and making use of PRI arbitration mode of CAN-Network and brake system controlling by inner computer，the autocars can be detected one another.It could achieve automatic brake in the case of none disturb，and avoid autocar accidents effectively.So does the electronic fuel injection system .The improve methods could make up the lack of autocar Collision-avoidance system better. Key Words：Autocar；Brake System；Improve 0 引言 随着居民生活水平的提高，汽车也越来越多的进入寻常家庭。美国国家高速公路安全委员会(NHTSA) 的调研表明,在道路交通致死事故中，因驾驶员过失造成的约占90% ，而因车辆故障造成的仅占约3% 。尽 管采用越来越多的被动安全技术(如安全气囊、安全带、行人保护和吸能车体等)减轻了事故的伤害程度， 但引发交通事故产生的根本原因都未得到解决。目前的汽车主动安全技术已日臻成熟,基于智能交通系统 ( ITS)的汽车主动避撞技术已经成为国内外机构的研究热点。本文就汽车的安全化提出一点设想，希望能 有所帮助。 1 主动避撞系统的关键技术 汽车主动避撞系统利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶员的感知能力,将感知技术获取的外界信 息(如车速、行人或其他障碍物距离等)传递给驾驶员，同时在路况与车况的综合信息中辨识是否构成安全 隐患，并在紧急情况下，自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶，从而减少 交通事故，提高交通安全性。避撞系统的工作过程可分为3 部分: ( 1 )当车辆正常行驶时，汽车主动避撞系统不停地对车辆行驶的安全程度进行计算，如判断为安全状 态，避撞系统无任何动作，不干扰正常驾驶，同时驾驶员可以随时选取适合当前环境的模式进行车辆的自 动控制； ( 2 )当系统判断为危险状态时避撞系统会首先自动关闭油门，此时若驾驶员尚未采取相应的动作，则 系统将自动控制车辆制动和转向，并调用其他相关控制系统(如ABS、车身稳定性控制程序ESP等)，使车 辆远离危险的同时保证自车的安全，一旦车辆回到安全的行驶状态或驾驶员采取了控制动作，系统对车辆 汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 2 的控制将自动解除，回到正常行驶状态； ( 3 )当系统判断为危险无法避让时，除采取远离和减少危险的控制外，还将根据危险程度的大小和障 碍物的类型(车、行人或者其他障碍物)，选择合适的被动安全(如乘客保护甚至行人保护措施)控制策略。 目前国内外汽车主动避撞系统的研究绝大多数集中在避撞系统的纵向控制。 目前研究开发的汽车主动避撞系统有以下3种类型: ( 1 )车辆主动避撞报警CWS ( collision warning)系统。它是针对减轻车辆碰撞危害研发的，此系统 对探测到的危害情况给出警报，美国已经在一些重型载货车和公交车辆上实现商用； ( 2 )车辆自适应巡航控制ACC ( adaptive cruise control)系统，其主要目的是主动避撞，安装此系 统的车辆可以实现简单交通情况下的主动避撞及巡航控制，一些汽车公司在高档车型上已经开始采用ACC 技术； ( 3 )复合型车辆智能控制系统，该系统针对复杂交通情况，特别是市区交通环境，采用ACC系统辅以 车辆停走( stopgo)系统。提高车辆智能控制的实用性。相对于ACC系统，停走系统由于交通环境的复杂和 系统对硬件的要求苛刻，系统实现的难度更大。 虽然汽车的主动避撞技术比较好的解决一些汽车碰撞事件，但它在解决人与车时，并没有过多的考虑 人的防护。再者，这种技术实现比较复杂，这就意味着成本比较高，所以本文就在主动避撞技术的基础上 对其进行改进，以达到更好的应用。 2 对主动避撞系统的改进 2.1 改进方法的提出 本文中仅以最简化语言讨论，以此来说明该方法的改进之处。考虑在高速公路上直线行驶的两辆相邻 汽车之间，按常理而假设在高速公路上的最高速度为 120 公里每小时（即 33.4 米每秒） ，亦假设汽车在高 速公路上即以该速度进行匀速行驶，则两车之间的车距应至少为 120 米，即以此距离为基准距离。现假设 某一辆车出现故障，当时就停在公路中间。而由于司机不负责的驾驶，比如说疲劳、醉酒驾驶，如此之短 的距离再加上高速行驶，则容易产生交通事故。该类事故的发生数不胜数，而我们便是要让汽车智能化， 从而杜绝此类事故的发生。 可以做这么个假想，假如，在非正常驾驶时（由于某种原因） ，汽车无须干预便能自动发现前面的故 障车，并可以自动的刹车，则可以避免这场事故。与此同时我们也要考虑到不能因为该“自动化”而大幅 增加汽车的成本，亦不能大幅增加汽车的自身载重。本文提出，考虑采用信号发射接收机制（当然，这只 是一种方法，肯定有其他比之更好的方法，在此仅提出假设） 。假设在一辆车的前面（比如说车的前部） 安装信号接收装置，后面（比如说车的尾部）安装信号发射装置，发射接收的频率一致。当前面一辆车的 发射装置发出信号时，在接收范围内后一辆车的接收装置即可接收到信号。便置该信号为最高优先级，并 且该信号可产生中断引起汽车制动系统的作用，从而能控制汽车的刹车。很显然，该汽车便实现了自动刹 车。 如下图 1， 两车的前进方向是向右行驶，车 2 的发射器不间断地发射信号，以便让接收器实时接收。在基准距离 外，车 1 是接收不到信号的，则不会引发中断。此时，车 1 的刹车便要通过驾驶者的自主刹车才能有效。 车 1 车 2 图 1 汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 3 而当车 2 出现情况时，车 1 行驶进发射的范围之内以后，便可接收到信号，从而车 1 产生控制信号， 据此进行自动控制。 让我们先了解车载系统的整个网络，以全 CAN 网络结构为例。 整个网络分为三大模块：内部系统 CAN（左边） ，CAN 舒适网（上边） ，CAN 车身网（下边） 。各子网之 间通过网关，即智能服务器 BSI 进行通信控制，同时各子网亦有各自独立的电脑进行控制。本文中所讨论 的，即把内部系统 CAN 网络进行优化（在该网络内部增加发射接收装置） ，以此达到自动控制的目的。 本文中在前面所提到的信号，可以引起汽车的自动刹车，但该信号不解除，则汽车便处于刹车状态而 无法行驶。所以就必须有另一解除该信号的一个信号 （我们称前一个信号为刹车信号， 后一个为安全信号， 而此时的主动碰撞系统就称之为改进型主动碰撞系统） 。正常驾驶中，人们一般是踩着油门，遇到紧急的 情况之时才踩刹车踏板。当不能进行正常驾驶，或遇到意外来不及反应时，改进型主动碰撞系统就会提供 一个刹车信号实现紧急自动刹车；而当汽车紧急停下后，或驾驶者已经意识到必须刹车时，即可用安全信 号来解除刹车信号，从而驾驶者可以继续行驶。 接下来了解汽车刹车的刹车原理，以及本方法是如何改进主动碰撞系统的。众所周知，当我们踩下制 动踏板时，汽车会减速直到停车，而刹车是需要巨大的力量的，人腿所产生的力量是不足以使车停下，那 么制动系统是怎么样产生这巨大的力量的呢。这便是利用了摩擦力、杠杆原理和帕斯卡定律。制动踏板能 够利用杠杆作用放大人腿部的力量（杠杆原理中距离与力成反比） ，然后把这个力量传递给液压系统。而 任何液压系统背后的基本原理都很简单：作用在一点的力被不能压缩的液体传递到另一点，这种液体通常 是油。绝大多数制动系统也在此中放大制动力量。液压传力系统最大的好处即是可以以任何长度，或者曲 折成各种形状绕过其他部件来连接两个圆桶型的液压缸。还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主 缸可以被分成多个副缸。使用液压系统的另外一个好处就是能使力量成倍的增加。在液压系统中你需要做 的只是改变一个活塞和液压缸的尺寸。 车 1 车 2 图 2 悬架电脑 GEP ABS ESP 自动变速器 轮胎全压报警 发动机电脑 驻车辅助 空调 收放机 多功能屏幕 BSI 组合仪表 前车门模块 发动机室控制 盒 雨水传感器 报警 转向盘下转换 模块 安全气囊 拖挂伺服控制 盒 图 3 汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 4 图 4 表示的就是力的加倍放大，力放大的倍数要以活塞的直径来定。左边的活塞直径为 2 寸（注：相 当于 5.08cm） ，右边的活塞直径为 6 寸（相当于 15.24cm） 。因为圆的面积等于 Pi * r2，所以左边的活塞面 积为 3.14 平方厘米，右边的活塞面积为 28.26 平方厘米。右边的活塞面积比左边的大 9 倍。这就意味着给 左边的活塞施加任何一个力，右边的活塞就会产生一个比左边大 9 倍的力。因此当你给左边的活塞施加一 个 100 磅的向下的力时，右边的活塞就会产生一个 900 磅的向上的力。唯一的不足就是当左边的活塞向下 运动 9 寸时，右边的活塞只能向上运动 1 寸。 摩擦力与物体接触面上的正压力成正比，如果给制动碟（可压制车轮转动）的压力越大则车辆获得的 制动力就越大。由此，我们可以得出一个简单的结论，要使汽车停下来，那么人腿踩踏板的力要通过杠杆 原理和帕斯卡定律把力放大，这个放大后的力传导到刹车的蹄片，蹄片与制动碟产生的强大摩擦力，让车 减速，最后停下来。 图 5 是制动系统的简单模型，我们在踏板处进行改进。 把踏板剥离出制动系统后如图 6，在踏板杠杆的两端增加弹簧，由图 5 可知，不刹车的时候，活塞 1 是靠右边的，也就是说我们增加的两根弹簧要在不刹车的情况下，把活塞 1 拉到其容器的最右边（此时两 弹簧状态假设是原始状态，即不伸缩） ，当刹车时要把活塞 1 压到最左边。在踏板杠杆两端再各增加一对 图 4 图 6 图 5 汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 5 电磁铁，那么就可以这样假设，当不刹车时，上边的电磁铁通电有了磁性（此时是同性相克）同时上边的 弹簧被拉伸，下边的弹簧被压缩，磁力远大于弹力，把活塞 1 拉到最右。当刹车时，上边的电磁铁立即断 电无磁性，下边的电磁铁立即导电有磁性产生磁力同时下边的弹簧被压缩，上边的弹簧被拉伸，磁力远大 于弹力开始拉踏板，把活塞 1 压到最左边，这个力被传导到活塞 2，最后制动汽车使其停下来。 汽车要运行，离不开汽油，所以汽车的电子喷油系统是至关重要。但刹车时，驾驶员不仅要踩踏板还 要放松油门踏板，使汽车发动机没有汽油的燃烧，在这两者的作用下，自然就可以使汽车停下来了。假设 我们不仅在制动系统处进行改进，同时还在电子喷油系统处改进，那就更好了。同样可以利用接收到的信 号来对电子喷油系统进行控制。 2.2 嵌入式系统在汽车网络中的应用 从汽车的车载网络图中可以看出，在网络中应用到了许多智能处理器，通常这些智能处理器就是采用 微处理器，这样就给了 ARM 嵌入式系统大展拳脚的机会。由于单片机控制简单，而在相对控制复杂的系统 中，单片机会相当的复杂而可能导致系统的崩溃。相对而言，ARM 嵌入式系统比较稳定，而且在扩展时不 需要重新编写整个程序，在挂载一个新的外设时，只需要对相应的外设编写驱动程序就可以了。 LINUX 的内核空间与用户空间的内存管理是分开的，不会因为用户的单个程序错误而引起系统死掉， 这在汽车的安全方面是至关重要的。很难想象，如果在未来汽车的设计时，由于控制的原因而造成汽车事 故是什么样的一种状况。我认为，那肯定是难以被人们所原谅的，这也是汽车产商选择嵌入式系统的原因 之一。引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。在传统的单片机开发中大多是基于中断的前后台 技术，对多任务的管理有局限性。系统运行的高效也就在某种程度上意味着汽车运行的高效。在出现故障 时，ARM 嵌入式系统的调试也是比较容易排查问题。 比如本文仅对汽车网络的一个子网进行改进，即内部系统 CAN 网。如果是由 ARM 嵌入式系统进行控制 汽车的， 那么， 只需要在该子网内增加一对发射接收装置， 编写相应的驱动程序即可。 接收到信号通过 CAN 总线传递到内部系统 CAN 的中心计算机（悬架电脑）上，由该子网的计算机进行优先级判断。由于本文定 义该接收到信号的优先级是最高的，则该信号立即被响应，于是产生中断，使图 5 所增加的踏板杠杆上边 的电磁铁立即断电而下边的电磁铁立即导电，以此来控制制动系统，迫使汽车停下。 同时，接收到的信号还可传输至电子喷油系统，同样该信号在电子喷油系统中被定义为最高优先级， 则该信号产生的中断就可以中断电子喷油系统，使汽油停止喷出。 在此还应该加上一个发射接收装置的开关，默认情况应该是打开的，当驾驶人员认为在可控制的范围 内时可以自行关闭开关，这样就可以是更人性化的设计。 2.3 无线技术的应用选择 本文中应用了无线发射接收技术，有许多的无线技术可供选择，比如红外线等。在这里，假设选择红 外线发射接收来进行对汽车制动系统的自动控制。设定红外线在这个系统中的最大探测距离是 120 米，汽 车的发射接收装置是不间断的进行信号发射，也就是说当相邻的两辆车之间的距离在基准距离内，后一辆 车的接收装置就可以接收到信号。假设红外线信号的传输接收是及时的，即忽略了红外线在空气中的传播 速度，前车发出信号而后车接收到信号的时间忽略不计（因为是瞬时速度） 。则从后一辆车一接收到信号 就立即把该信号传输至汽车的控制系统，汽车便开始制动刹车。 在本文中只假设了最基本的情况，即是两车基本上是直线行驶的时候，两车的发射接收是处于同一平 行线上的。当汽车转弯的时候，由于无线发射接收是直线传输，所以在这个时候是能够探测到的，只不过 这个时候的两车距离会比直线距离远一点。在实际中，我们还应该考虑到人与车的情况，我们不能排除高 速公路上会有人的行进，也还要考虑到在城市中人与车的现象。而人的身上不可能带有发射装置，那么， 对无线技术的选择就要进行改进。这时的无线技术应该选择具有反射探测作用的，也就是说，当射线发射 到人的身上后，可以反射回来，或者这么说，当射线在发射的时候能探测到前方一定范围内的障碍物，这 样才能适应突发的情况。可以想象这样一个图 7： 汽车主动避撞系统的改进方法与讨论 6 图 7 是无线射线的发射范围，假设车辆行驶在公路上，此时有行人想穿行公路（当然在汽车的前方， 这种情况是随机的） 。这时，在发射范围内发射器探测到前方有障碍物，射线经过障碍物的反射后，接收 器接收到反射信号，通过这个信号就可以控制刹车，是汽车慢下来或停下来直到驾驶者意识到为止，方由 驾驶者解除这个信号。但本文这么认为，这个发射范围不应该是一个圆形的，即，一辆车发射出来的信号 不应该影响到该车的接收装置。 同样的情形在城市之中也会发生，而城市之中车辆人流更加密集，这样就需要更智能的汽车来帮助。