伍尚昆 刘宏捷 汽车安全行驶系统(基于雷达探测技术)申报书

序号： 编码： 第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛华南农业大学选拔赛作品申报书 作品名称： 汽车安全行驶系统(基于雷达探测技术) 所在学院： 工程学院 申报者姓名 （集体名称）： 伍尚昆 刘宏捷 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类科技发明制作B类A2申报者情况（集体项目）说明：1.必须由申报者本人按要求填写； 2.申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列； 3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名伍尚昆 性别男出生年月1987年9月学院工程学院系别、专业、年级06级交通运输学历本科学制4年入学时间2006年9月作品名称汽车安全行驶系统(基于雷达探测技术)毕业论文题目通讯地址华南农业大学华山宿舍5栋407华南农业大学华山宿舍5栋413邮政编码510642办公电话常住地通讯地址华南农业大学华山宿舍5栋407华南农业大学华山宿舍5栋413邮政编码510642住宅电话其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位刘宏捷男21本科华南农业大学工程学院资格认定学院学籍管理部门意见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍本科生、硕士研究生或博士研究生。是 否 （学院盖章）年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。是 否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写； 2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结 构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称汽车安全行驶主动控制系统（基于雷达探测技术）作品分类（ A ）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标发明的目的：研究雷达探测汽车安全行使系统，以提高行驶安全性，减少道路交通事故以及车祸对路人造成的物理损害。实现行车时自动检测路面状况并作出相应的动作将伤害减到最低。基本思路：通过雷达探测技术与车速传感器等模拟仿真汽车行驶状态，系统把数据传入ECU，分析得出汽车是否处于危险并实施相应措施。创新点：系统能根据汽车具体行驶状况预判汽车是否存在危险，并且在有危险趋势时主动进行制动。而且系统在车前与车盖安装有气囊，能很好保护事故时行人的安全及降低事故的伤害。技术关键：CAN总线技术、MATAL软件仿真、ECU算法设定主要技术指标：汽车与障碍物之间的距离、相对速度以及汽车具体的车速等作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）本系统建立在科学的理论基础之上，且雷达、传感器、ECU等技术现今研究比较成熟，实验可行性可以保证。现在的汽车行驶安全性主要决定于驾驶员的具体反应与操作技术，电脑机械式辅助控制系统很少用于汽车的安全行驶保护上，即使是现在较先进的ESP、VSC等汽车主动安全技术也主要是通过探测驾驶在员在行驶过程中的反应，而驱动相应的保护装置，并没有采用探测汽车外部行驶情况而主动判断汽车行驶的状况而作出相应的保护措施。本系统通过雷达获得汽车外部行驶信息，通过转速传感器、方向传感器获得汽车行驶状态，经ECU整合判断出汽车的行驶状态是否安全，并在汽车处于危险趋向时主动实行制动或执行安全装置。系统所实现的功能对现今主动安全技术起到很大的促进作用，并能在现今的基础上提高汽车行驶过程中的安全性。参考文献：基于相关理论的汽车防撞用FMCW雷达的改进 基于DSP的毫米波汽车防撞雷达系统作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果作品所处阶 段（ D ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D 研发阶段 （自填）技术转让方式作品可展示的形 式实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围、推广前景的技术性说明、市场分析和经济效益预测本产品的利用雷达探测，利用电控单完作控制元件，反应灵敏，控制精确，适用于电控设备比较完善的中高档辆，随着信息技术的发展，车用雷达的使用将越来越广，利用车用雷达可以更好地帮助汽车实现巡航驾驶功能并提高汽车安全性。车祸事故率的降低，减少人员，私人财产和公共财产的损失，这意味着带来很高的长期利益。人们生活水平的不断提高，人们行车更追求安全性和，因此，该系统将会有较好的市场前景。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日汽车安全行驶主动控制系统介绍申 请 人： 伍尚昆 刘宏捷 学 院： 工程学院 联系电话：15915845970 电子邮件： 740827970 目 录一、研究项目及背景7二、工作原理和方案设想8 影响车辆安全行使因素8 系统结构组成8系统的总体设计81、系统信号102、系统的硬件设计113、系统的软件设计194、系统仿真18三、可能存在的问题191、研究目的：研究 雷达探测汽车安全行使系统，以提高行驶安全性，减少道路交通事故以及车祸对路人造成的物理损害。实现行车时自动检测路面状况并作出相应的动作将伤害减到最低。11项目背景： 全球道路安全形势十分严峻。2004年，在法国的由世界卫生组织组办的世界卫生日首次以道路安全为主题。目前，全世界每年死于车祸的人数达120万，伤残5000万，直接经济损失5000多亿美元。据预测，到2020年，道路交通死亡人数将达234万人，道路交通伤害在人类死亡和致病原因中排第3。值得指出的是，在所有道路交通伤害事故中，中低收入国家占90%，而且这一趋势还在继续上升。 在世界各国相比，我国的道路交通事故就更为严重。20012003年，中国道路交通死亡人数年均超过10万，年均受伤人数50多万，年均经济损失约30亿人民币。 汽车安全性是按交通事故发生前后加以分类的。亿方面是在交通事故发生之前采取安全性措施，特别当即将发生危险状态时，驾驶者操纵方向盘避让或者紧急制动，以避免交通事故发生。汽车在通常的行驶中，为确保驾驶者的基本操作稳定性，对周围环境的视认性和确保车身的基本形式性能，开发了ABS,ASR,4WD,4WS,灯光照明系统，刮水器防止车辆追尾的车距报警系统等，这些安全装置和技术称为主动安全系统。另以方面，为了尽量减少交通事故和司乘人员直接受害程度，保证司乘人员和行认安全，称为冲突安全。当事故发生后，为了防止灾害的扩大，包括防止防止火灾和使乘员能从事故车辆中解脱出来的安全装置和系统，称为防止灾害扩大的安全系统。 我国汽车市场发展迅速，汽车保有量不断攀升，交通安全问题越来越受到重视，减少道路交通事故以及车祸对路人造成的物理损害是今后汽车安全技术发展的主要方向。本系统正是在这样的设计理念下创造得出。2、工作原理和方案设想：21 影响车辆安全行使因素：汽车行使过程中的安全受到不同的交通道路情况所影响，一方面取决于行使路面、自然环境的具体情况，另一方面取决于驾驶员对具体路面情况的判断是否准确，其中驾驶员容易判断错误的具体道路因素有：汽车与障碍物之间的距离，汽车与障碍物之间的相对速度，汽车驾驶过程中的具体车速。这些因素之间相互作用、相互联系，共同影响这汽车的行使安全。22系统结构组成：1、 系统根据汽车在行使过程中与障碍物之间的距离、相对速度以及具体的车速等信息，设置相应的控制机构控制汽车的车速，系统ECU对采集的数据进行处理，并通过控制算法计算后，将得到的控制信息输出到相应的制动力控制机构中，控制汽车的车速，减低交通事故的发生率，从而实现汽车的安全行驶。2、 遇到突发情况，系统通过预设的自动识别功能马上做出应变措施，以减低在突发情况下的事故率与伤亡率。外部环境雷达电控单元车速控制执行装置附件23系统的总体设计：在车头部分设置雷达，探测汽车前方的具体情况，并将所探测得到的信息传到ECU上，通过不同时刻的信息，ECU可以得出车辆与障碍物之间距离的变化，从而得出汽车与障碍物之间的相对速度。同时在转轴安装上光电式传感器测出转速，经过相应的比例运算得汽车的实际车速并将其送到ECU上。ECU对采集的数据进行相应处理，并通过控制算法计算后，判断汽车处于何种行驶状态，根据不同的行驶状态系统作出相对应的解决方法。CAN总线停车灯传感器传感转弯灯传感器转速传感器转向传感器A/D转换器雷达信号 ECUABS信号制动系统附件执行装置输出电路各部分功能介绍:1、控制系统中的各类传感器测量转速，车距等汽车行驶状况的现状，得到的数字信号及模拟信号传送到系统控制器中。2、模拟量采集模块负责由传感器输出的模拟信号的采集，利用A/D转换器把模拟量转换成数字量，并通过CAN总线控制器与工控机实现通讯，接收工控机请求数据命令，传输数据到ECU中。3、数字量采集模块负责采集执行机构的状态信号，通过CAN总线控制器接收命令 ，把数据传输到工控机中以便控制信号的计算。4、CAN总线适配卡实现CAN总线与工控机的连接。5、ECU是系统的主要控制部件，实现汽车行驶状况数据的处理，通过控制算法，判断出汽车是否处于突发情况的行使环境6、汽车正常行驶过程时，ECU通过整合传感器收集的信息，在设定的最大减速度下分析得出汽车是否有危险趋向。发现有危险趋向ECU向执行器发出信号，让执行器向驾驶员发出提示，若提示后车辆继续处与危险趋势，则ECU发出执行信号到制动系主动进行减速，直到系统检测到汽车已脱离危险趋向。7、汽车处于突发行驶状态时，ECU通过上面一点的判断方法，判断汽车是否会发生事故，发现汽车将会发生事故时，ECU向制动器发出信号的同时车头前气囊发和车盖气囊出信号让工作，从能更好保护行人安全以及增大碰撞时的缓冲。2.3.1系统信号：传感器信号输入：汽车与障碍物的距离、汽车的车速、方向盘的转角等信息通过传感器检测，输送到控制器中，进行后期处理。信号输出： 报警信号:当系统检测到汽车有发生危险的趋向时，控制系统发出警报信号，并语音、制动踏板震动提示，提醒驾驶员进行及时地处理。 运行信号:、当系统发出提示信息后，汽车仍有危险趋向时，ECU向制动器液压电机发出动作信号，调节制动液的压力用以具体调节汽车的车速。、对于路面突发情况，ECU通过算法可得出汽车是否会发生事故，若判断汽车将会发生事故，ECU向制动器发出信号的同时向保护系统发出信号，用以启动保护装置，保护车内人员与车外人员。通讯信号:下位机与上位机之间通过现场总线进行通讯。上位机采用主动的形式对各输入输出模块进行访问，请求数据以及实行控制。2.3.2系统硬件设计：检控系统针对模拟信号、数字信号、开关量控制信号设计了系统硬件的布置情况，结构图如下图所示模拟信号A/D转数字信号光耦隔离单片机CANCPU继电器液压系统信号输入模块：数字信号（速度传感器）：单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，都统称为速度传感器。速度传感器的选用：接触式速度传感器工作原理：当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值，从而就能测出线速度V。特点及注意问题：接触式旋转速度传感器结构简单，使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差，滑差的存在也将影响测量的正确性。因此传感器使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大的材料，尽可能减小滑差。模拟信号（雷达）： 汽车雷达方案比较目前汽车防撞技术按目标探测方式和工作原理的不同,主要有超声波、红外线、激光、以及毫米波。其中前三种雷达都是通过对回波的检测, 与发射信号相比较, 得到脉冲或相位的差值, 从而计算出发射波与回波的时间差, 再分别根据超声波、红外线、激光在空气中的传播速度, 计算出与目标物的相对距离。这三种技术的汽车雷达结构简单, 成本低, 但使用过程存在不同程度的局限性。红外线测距在技术上难度不大, 但受天气的影响较大, 且红外线穿透力不强, 在长距离探测方面不能满足汽车防护的要求。超声波同样受大气紊流和气涡的影响, 且探测距离短, 主要用于倒车雷达等近距离测距。激光具有高单色性、方向性和相干性强等特点, 且光束很少扩散,波速能量集中, 适用于远距离测量, 在汽车防撞领域, 受汽车的震动以及反射镜面磨损、污染、灰尘等因素影响较大, 测距精度难以保证。与超声波、红外线、激光相比, 毫米波雷达分辨率高, 不受大气絮流的影响, 而且穿透能力很强, 受雨、雪、雾等天气的影响较小。同时毫米波多谱勒频移大, 不仅可以测量目标的距离, 还可以测量目标的相对速度, 因较好的稳定性和适应性特点, 毫米波雷达成为最有发展潜力的汽车防撞雷达 毫米波雷达原理毫米波是指波长在1- 10mm 的电磁波, 其带宽大, 能适应恶劣环境。毫米波雷达按波的形式可分为脉冲波和连续波。以脉冲波为基础的脉冲雷达一般发射宽度非常短的脉冲,接收电路的时间分辨率要求高, 采样电路复杂。而基于步进调频编码的调频连续波FMCW 结构简单, 成本低, 适合近距离探测。毫米波雷达其基本原理可描述为: 天线向外发射频率随时间线性变化的电磁波, 若前方有目标时反射回波, 将发射波信号和回波信号进行混频, 从混频器输出得到的频谱信号中提取包含目标相对距离和相对速度的信息。发射信号采用线性调制三角波, 周期为T, 频率随时间按调制电压的规律变化。记发射信号上升和下降阶段分别为f(t+)、f(t- ), 对应回波信号为fb(t+)、fb(t- ),k 为斜率, 如图1 所示。图中实线是发射信号, 虚线是相对静止和相对运动时目标的反射信号。设发射波与回波的时间差为td, 则: 2R=Ctd式中R 为目标距离, C 为光速根据多谱勒效应原理, 当发射物体和反射物体相对运动时, 将产生频移.发射信号与回波信号混频后输出的差拍信号为: 雷达系统硬件原理系统硬件设计采用主从处理器结构, 主处理器采用数字处理器DSP TMS320VC5416, 主要完成数据的采集和处理, 利用DSP 处理数字信号快的特点, 对采集信号进行数字滤波和FFT 变换。从处理器采用单片机AT89C51, 控制比较灵活, 主要完成人机交互, 显示和控制报警的任务。通过键盘可以设置系统运行参数和在不同条件( 如车速、不同天气状况) 下的报警门限, 并通过LCD 中文显示, 操作方便, 显示直观。当主处理器运算后得到的目标信号( 距离、车速) 超过设定的门限时,通过AT89C51 控制启动声光报警电路。如图2 所示, A/D 转换芯片采用TI 公司THS1206 的12位多通道高速并行A/D 转换器。作单输入通道时, 采样频率可达6M, 芯片内部集成了16 字节的FIFO, 采样转换数值自动写入FIFO。通过控制寄存器设置触发水平向DSP 发出中断请求。为快速读取采样数据, 减少中断次数, 设置触发水平为8,当有连续8 个采样值写入FIFO 时, THS1206 向DSP 发出中断请求, DSP 响应中断后可连续读取8 个采样值到内部RAM。CPLD 完成A/D 转换芯片的启动、地址译码、各种控制逻辑信号的产生以及VC5416 与单片机之间的数据交换。信号的产生及处理流程信号的产生根据多谱勒效应原理, 发射信号的频率越高, 频移越大,越容易测量, 选择35GHz 的频率, 该频率是毫米波波段中在大气衰减最小的传播频段。为保证FMCW 连续波的线性度, 采用VCO 压控震荡电路可得到较理想的压频曲线线性度, 经天线向外辐射, 如图3 所示。 中频信号的放大, 滤波由于发射、接收单元的发射功率较小, 信号在空气中传播会衰减部分能量, 从混频器输出的差拍信号较小, 并且会参杂很多杂波信号, 因此对差频信号首先进行放大, 低通滤波后,再进行中频放大送A/D 转换器。DSP 程控自适应滤波器的设计为更有效的提取有用信号,避免通频带内的某些干扰,设置了DSP 程控自适应滤波器. 根据雷达两个差频信号的特点,使用MAX262 可编程滤波器.DSP 通过对采集的雷达信号进行频谱分析,获得两个差频的频率信息. 然后,DSP 可以根据滤波器MAX262 的滤波参数算法计算全部参数,并通过接口传输数据给MAX262 ,以准确的提取下次采集信号中的两个差频,实现程控滤波. 通过分析实际雷达信号特点得知:通常,在相邻两次测量间,两个有用差频信号的变化较小,其变化值小于频率分辨力F( F = 1 kHz) . 所以用本次滤波结果控制下次滤波参数,通常是有效的. 通过这种方法可以实时跟踪频率目标,达到自适应滤波的目的.、MAX262 特性介绍MAX262 是CMOS 双二阶通用开关电容有源滤波器,可构成各种带通、低通、高通、陷波和全通电路,且不需外部元件. 每个器件含有两个二阶滤波器,在程序控制下设置中心频率f 0 、品质因数Q、和滤波器工作方式. 输入时钟频率f CLK与6 位f 0 编程输入代码一起决定滤波器的中心或截止频率f 0 (64步f 0 控制) ,滤波器Q 值也可独立编程(128 步Q 值控制) .、程控自适应滤波器的DSP 硬件实现为了有效的提取差频分量,系统使用了两个独立的MAX262. 前级电路输出的信号被分别送入两个MAX262 ,由DSP 通过相关算法控制其提取两个差频分量,然后使用反向求和放大器将两个滤波器的输出相加,合成一个信号并送到后级采集电路.本系统使用的DSP 为TMS320C30 ,它是一种高性能浮点数字信号处理器【4】. TMS320C30 有两组外部接口,即主总线和扩展总线. 为使TMS320C30 更有效的控制MAX262 ,将两个MAX262 同时配置在它的扩展总线上,由TMS320C30 的控制信号IOSTRB、XR/ W,以及外部地址XA8XA10 来产生两个滤波器的写信号WR. 数据线XD0XD5 连接MAX262 的地址线A0A3 和数据线D0D1. 译码器74HC138的Y3 端负责选中MAX26221 , 它的Y4 端负责选中MAX26222 ,因为TMS320C30 扩展总线的地址范围为804000H 805FFFH , 所以MAX26221 的口地址为804300H ,MAX26222 的口地址为804400H. 硬件接口电路如图4 所示.信号的处理流程采样的中频信号为时域信号, 为对中频信号进行频谱分析, 获得频率参数, 必须将信号从时域变换到频域。采用傅立叶FFT 法获得频率参数, 并计算出与目标物的相对距离和速度, 当超过门限值时启动报警控制单元, 达到提前预警的目的, 信号处理流程如图4 所示。模拟信号转换模块信号放大电路模块采用两个前置放大器实现对采集的模拟信号的放大。我们选用的芯片为ADG509 为四选一的多路模拟差分开关，其使能引脚EN为高电平有效。模块中该引脚接电源，使芯片一直处于工作状态。芯片左侧信号为四组外部数据输入信号，信号通道选择由引脚AO、Al的值决定，其真值表如表所示。ADG509真值表ALA0EN输出管道XX0NONE001101121013 1114 A/D转换电路A/D转换模块选用MAXIM 公司的12位低功耗AD芯片MAX178，其内部包括转换速度为8.5us的AD转换器(逐次比较式)、T/H(采样保持)和内置4.096V的参考电压源，以串行方式输出，减少连线，简化系统布线。若外接基准电压，其稳定性对A/D转换精度有很大影响，应采用高精度的稳压源。 CAN通讯模块CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串性通讯网络。CAN总线的通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps/40m，通信距离可达10km/40Kbps。由于其通信速率高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统中。CAN控制器CAN控制器是以一块可编程芯片上的逻辑电路的组合来实现网络层次结构中数据链路层和物理层功能的器件，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口。系统选用PHILIPS公司的SJA100作为CAN总线控制器。SJA100是一种独立的CAN控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制。在系统中主要承担完成CAN协议的任务，实现物理层和数据链路层的所有功能，如发送缓冲、接收缓冲、错误处理等。CAN控制器与其他芯片的连接原理图如下： CAN总线驱动器控制系统中的CAN 总线驱动器选用PHILIPS 公司的PCA82C250。PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用而设计的。PHILIPS 公司的PCA82C250内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载的短路。器件可提供对总线的差动发送和接收功能。CAN总线驱动器连接原理图如下：2.3.3系统软件设计1、CAN总线协议