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汽车安全自动保护系统主动避掩设计与实现 摘要 近年来，由于国民经济的高速稳步发展，汽车保有量迅速增加，同时，交通 事故也日趋频繁，汽车安全性的研究已经成为一个非常严峻的课题。目前，传统 的被动安全技术的研究已基本成熟，而随着电子技术、信息技术的不断发展，以 主动避撞技术为代表的主动安全技术逐渐成为一种具有广阔发展前景的技术。 论文针对汽车安全的这一发展趋势，运用主动避撞技术对汽车安全自动保护 系统展开了研究。 在理论研究阶段，本文搜集了国内外的研究资料，仔细研究了汽车安全自动 保护系统的发展趋势，制定了系统的总体设计方案；根据汽车系统动力学，建立 了汽车系统动力学模型并设定了手动和巡航两个工作模式，分别建立了系统的主 动避撞控制方法。本文重点研究了系统的自动制动距离和报警距离的理论分析和 计算。在手动模式下的控制方法的研究中，根据汽车制动过程中的动力学分析和 前车与自车在制动过程中的运动关系，针对不同的工况，分析了系统的自动制动 距离，并在自动制动距离的计算中考虑了前车的运动状态；在报警距离的分析中， 全面考察了驾驶员影响因素，并选取了驾驶员选项、连续驾驶时间和车速对反应 时间的影响三个因素，通过层次分析法分析了驾驶员的反应时间，并据此对报警 距离进行了分析与运算，较好的体现了不同驾驶员的差异性。在对巡航模式下系 统工作的研究中，根据l q 和模糊控制两种控制方法分别建立了控制方案，并进 行了仿真比较。在硬件开发方面，本文在对系统功能研究基础之上，依据系统设 计方案，对系统的硬件结构进行了构建，基本实现了系统的各项功能，并在产品 开发中进行了相关的实验。 本文在对汽车安全自动保护系统的研究中，对影响行驶安全的各项因素进行 了分析，尤其是对驾驶员差异性进行了全面的分析，具有一定的前瞻性。项目在 开发过程中，取得了大量研究成果，获得多项专利，论文所研究的“汽车安全 自动保护系统已通过湖南省科技厅的研究成果鉴定，并具有全部自主知识产权。 关键词：主动避撞；自动制动；自动报警；巡航 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o my b o t ho fv e h i c l ep o p u l a t i o n a n dt r a f f i ca c c i d e n t si n c r e a s e dc o n s i d e r a b l y i tp u t sf b r w a r dt h em a j o ri s s u e sf b rt h e v e h i c l es a f e t y s of a r ，t h ep a s s i v es a f e t yt e c h n i q u eo ft h ev e h i c l eh a sa l r e a d yb e e n m a t u r ea n dw i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ct e c h n i q u e sa n d i n f b r m a t i o nt e c h n i q u e s ，t h e s t u d yr e q u i r e m e n to ft h e a c t i v e s a f e t yt e c h n i q u e s r e p r e s e n t e db yt h ea c t i v ea n t i c o l l i s i o nb e c o m e su r g e n t t h et h e s i sd i d t h er e s e a r c ho nt h ev 曲i c l es a f e t ya u t o m a t i cp r o t e c ts y s t e m w i t ht h ea c t i v ea n t i c o l l i s i o nt e c h n i q u e sf o r t h es i t u a t i o n i nt h et h e o r yr e s e a r c hp e r i o d ，m u c ho ft h er e s e a r c hm a t e r i a lw a sc o i l e c t e da n d g r e a t e f f o r tw a ss p e n dt os t u d yt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n o ft h ev e h i c i es a f e t y a u t o m a t i cp r o t e c ts y s t e m t h ed e s i g np r o g r a m m ew a sm a d e t h es y s t e md y n a m i c s m o d e lw a sd e v e l o p e db yt h ea n a l y s i so ft h ea u t o m o t i v ed y n a m i c sa n dt h es y s t e m w o r km o d u l ew a sd i v i d e di n t oc r u i s ed r i v ea n dm a n u a ld r i v em o d u l e t h et h e s i s f b c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h ea u t 0b r a k ed i s t a n c ea n dt h ea l a r m i n gd i s t a n c e u n d e r t h em a n u a ld r i v em o d u l e ，t h ea u t 0b r a k ed i s t a n c ew a sd e r i v e db yt h ev e l o c i t yc u r v e s a n a l y s i sa c c o r d i n g t ot h ed y n a m i c s0 ft h e b r a k i n g p r o c e s sa n dt h em 0 v i n g r e l a t i o n s h i p0 ft h es e l f c a ra n dt h ef r o n tc a ri nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i nl h eb f a k i n g d i s t a n c ea n a l y s i s ，t h et h e s i st o o km o s t0 ft h ed r i v e rf a c t o r si n t oa c c o u n ta n dc h o s e t h r e e0 ft h e mw h i c hw e r ee a s yt oc h e c ka n dr e a d t h ed r i v e rr e s p o n d i n gt i m ew a s a n a l y s e db yt h ea h p m e t h o d t h ea l a r m i n gd i s t a n c ew a sc a l c u l a t e da n da d ju s t e db y t h a t t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd r i v e r sw a si l l u s t r a t e d i nt h ec r u i s ew o r km o d u l e ，t h e c o n t r o lp r e c e p tw a sd e v e l o p e db yt h el qc o n t r o la n dt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r y o n t h eh a r d w a r es t u d y ，t h eh a r d w a f ec o n s t r u c t i o nw a sb u i l ta c c o r d i n gt ot h es y s t e m f u n c t i o na n dt h er e l a t i v ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t t h et h e s i sr e s e a r c ho ni m p a c tf a c t o r so ft h ed r i v i n gs a f e t y ，e s p e c i a l l ys t u d i e d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd r i v e r sc o m p r e h e n s i v e l ya n di sw i t ht h ef o r w a r dl o o k i n gi n s o m ed e g r e e m u c ha c h i e v e m e n tw a so b t a i n e d i n c l u d i n g s e v e r a lp a t e n t s t h e “v e h i c l es a f e t ya u t o m a t i cp r o t e c ts y s t e m ”h a sa l r e a d yp a s s e dt h ea p p r a i s a lo ft h e h u n a ns c i e n c ea n d r c c h n o l o g yb u r e a ua n do w n e da l lt h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s o fi t k e yw o r d s ：a c t i v ec o l l i s i o na y o i d a n c e ；a u t ob r a k e ；a u t oa l a r m i n g ；c r u i s e m 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车安全自动保护系统概述 自从1 8 8 6 年德国的卡尔本茨发明了世界上第一辆汽车开始，汽车以及由此而 兴旺发达的公路交通系统就极大地改变了整个世界和人们的生活。它关系到整个 国家的经济运行，极大地推动了国民经济的发展，方便了人们的出行。随着科技 的发展和汽车车速的不断提高，人们对汽车安全性提出了越来越高的要求，本文 所研究的汽车安全自动保护系统就是一种利用现代信息技术、电子技术和雷达技 术的汽车安全保障系统。它可以极大地提高驾驶员和车辆的安全性，为人们的驾 驶安全提供保障。 1 1 1 课题研究背景 近年来，随着汽车工业的不断发展，全球汽车保有量不断增加，尤其在是我 国，车辆数目更是直线上升。截至2 0 0 9 年3 月，全国机动车保有量为1 7 27 6 93 7 1 辆。其中汽车6 68 9 80 0 4 辆。全国机动车驾驶人为1 8 43 6 33 7 3 人，其中汽车驾驶 1 2 53 5 44 7 9 人。但是由于汽车车速的不断提高，交通密度的不断加大以及各种 违章现象的出现等原因，汽车在给人们带来便利的同时，也给人类带来了巨大的 损失。 2 0 0 7 年，全国共发生道路交通事故3 2 72 0 9 起，造成8 16 4 9 人死亡，3 8 04 4 2 人受伤，直接财产损失1 2 亿元。 2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故2 6 52 0 4 起，造成7 34 8 4 人死亡，3 0 49 1 9 人受伤，直接财产损失1 0 1 亿元。 2 0 0 9 年上半年，全国共发生道路交通事故1 0 71 9 3 起，造成2 98 6 6 人死亡， 1 2 83 3 6 人受伤，直接财产损失4 1 亿元。 2 0 0 8 年3 月3 1 日交通事故已经被联合国列为与艾滋病、疟疾和结核病并驾 齐驱成为造成人类死亡的主要原因之一心1 。 由这些数据可以看出，虽然随着汽车安全技术的发展，汽车交通事故已经大 为减少，但是其造成的损失和伤亡依然非常巨大。目前，世界各国为了减少交通 事故，提高汽车安全性，一方面，制订了大量的汽车交通安全法规，如国际标准 ( i s o ) 、欧洲共同体标准( e c e ) 、联合国欧洲经济委员标准( e e c ) 以及美国联邦机动 车安全标准f m v s s 等口1 ，有效地保证了汽车交通安全性；另一方面，各国还在 汽车安全技术方面投入了大量的人力物力，积极发展汽车安全保护系统。 目前，汽车安全保护系统主要有两个发展方向陆引： 第一个发展方向是以汽车保险杠、安全带、安全气囊等为代表的被动安全系 统。保险杠能在较低车速下的碰撞中对乘员起到一定的保护作用，但是只能在碰 汽车安全自动保护系统主动避掩设计与实现 撞后发生保护作用，汽车内的乘员仍然有伤亡的可能性；安全气囊只能保护人员， 不能保护车辆，同时存在价格高、结构复杂、一次性使用、存在误动作的可能性 等不足；安全带虽然可减少二次碰撞损失，但却只能在碰撞后发挥作用。以上这 些装备能在一定条件下保护乘员，但不能保护车辆，而且都只能在事故发生后起 到保护作用，不能避免事故的发生。 第二个方向是以a b s ，e s p 等为代表的传统的主动安全系统。这些装备可以 对汽车的行驶或制动过程起到一定的优化作用，减小制动距离，稳定行驶过程， 减小碰撞危险发生的概率。但是这些装备只能在驾驶员进行有效操作的情况之下 才能发生作用，同样不能预测和避免碰撞事故的发生。美国国家高速公路安全委 员会( n h t s a ) 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9 0 ， 而因车辆故障造成的仅占约3 n 。因此，只有有效地为驾驶员提供预警，降低 驾驶员发生操作失误的概率，并在驾驶员失误的情况下提供自动制动，才能更加 有效地降低交通事故发生概率。新兴的主动避撞系统正是这种技术的代表。 本文所研究的汽车安全自动保护系统就是一种主动避撞系统。它能为驾驶员 提供自动报警及自动制动，有效的避免碰撞，保护乘员及车辆，克服了被动安全 系统和传统的主动安全系统的缺点。因此具有极大地现实意义和市场前景。 1 1 2 国内外发展现状 目前，国内外对于主动避撞系统的相关研究主要以智能交通系统( i t s ) 为代 表，汽车安全自动保护系统是其中的一个热点。该系统又称为主动防撞系统、智 能防撞系统等。它是一种利用雷达等探测装置探测前方车辆与自车的相对距离和 相对速度，通过系统存储的安全模型和控制算法自动判定汽车安全状态，并在必 要时进行报警和自动制动的汽车安全系统。目前国内外的很多公司与机构都开展 了这方面的研究，并取得了一些成果。 1 国外研究现状 世界范围内对于汽车主动避撞技术的研究兴起于上个世纪六十年代，此后主 要以德国、美国和日本为代表的发达国家热衷于该系统的研究，但是限于当时的 技术水平，硬件成本等问题，一直没有突破。近年来，随着雷达技术、信息技术 和微电子技术的飞速发展，汽车主动避撞系统取得了飞速的发展。目前已形成了 欧洲、美国和日本三大研发生产基地。 1 9 8 6 年，由德国奔驰公司联合欧洲1 7 家主要的汽车生产商和5 0 多个研究所， 发起了“普罗米修斯 计划，从而开始了汽车主动避撞系统的新一轮研究热潮随1 。 该计划将传感器、人工智能和通信技术融为一体，改进汽车的安全性和经济性。 该计划对于汽车主动避撞系统的关键部分汽车防撞雷达的研制起到了极为巨 大的推动作用。当前，测距雷达的研究主要集中在毫米波雷达和激光雷达。目前 采用较多的时调频毫米波雷达( f w c w ) ，频段主要为7 6 7 7 g h z 。例如，1 9 9 4 年德国曾在巴黎汽车展上展示了一种新型防撞雷达装置。这种雷达装置可以按照 需求自动测定自车与前方车辆之间的距离，当有撞车危险时自身车辆会配合执行 2 硕士学位论文 机构自动减速或刹车。目前，该设备已装配在德国奔驰s 级高级轿车上。 上个世纪九十年代以来，同本十多家大型汽车生产商据参与了同本运输省发 起的先进安全汽车计划( a d v a n c e ds a f e t yv e h i c l e ) 。在其制定的未来汽车发展计划 中，明确的将开发智能汽车和安全驾驶支持系统作为交通安全的关键技术之一。 其后若干年里，日本的主动安全系统获得了极大发展，目前已取得实用化成果阳叫。 例如日本的丰田公司，就开发了一种可预测事故发生可能性的主动安全系统。该 系统可通过雷达探测前方障碍物或车辆，并检测驾驶员、前排乘客的安全带等信 息，根据自身的程序，处理各种信息，可实现自动辅助制动的功能。目前，凌志 l s 4 6 0 等高档轿车均装备有类似产品。日本的电子行业的巨头，如电装、富士等， 都开发出了自己的毫米波雷达并投入使用。欧姆龙公司则开发出了可用于防撞系 统的激光雷达，并于2 0 0 4 年开始应用于部分北美销售的车辆。 相对于日本和欧洲，美国在主动避撞系统方面的研究起步较晚，但其发展极 为迅速，其技术目前已处于世界领先地位。t r w 公司研制出的2 4 g h z 波段雷达已 在货车和公共汽车上投入使用引。美国的e t o nv o r a d 公司则在2 0 0 7 年开始生产新 一代汽车安全系统，该系统采用7 7 g h z 的毫米波雷达，其体积和尺寸都大幅缩小， 可用于其生产的a c c ( a d a p t i v ec r u i s ec o n t r 0 1 ) 系统上。福特公司开发的主动防撞 系统采用的毫米波雷达频率为2 4 7 g ，探测距离达到1 0 6 m 。该系统最大的特点是 设计时考虑了转弯工况，能够根据角度信息自动适应路面转弯情况，只探测本车 道内的车辆和障碍信息，因此可以避免其他车道上车辆的影响，降低虚警率。 侧向传 前视雷达 互 圈 图1 1v s 4 0 0 系统组成图图1 2v s 4 0 0 系统上的雷达 图1 1 所示为e t o n 公司所研制的v s 4 0 0 系统的组成，代表了一种较为先进的 主动避撞系统的结构。主要包括了前视雷达、侧向传感器、显示器、驾驶员交互 单元等。图1 2 为该系统安装在卡车上的雷达。其中圆圈内引出的位于右下角的设 备分别为其侧向传感器和前视雷达。 2 国内研究状况 我国对于主动安全系统的研究起于上世纪九十年代。早在1 9 9 9 年北京举办的 “9 9 国际智能交通( i t s ) 技术交流暨展览会”上，时任科技部副部长的徐冠华就提 出了将智能交通系统作为未来交通建设和发展的与优先领域予以重点支持。其中， 以主动避撞系统为代表的汽车主动安全系统是其重要组成部分。 汽车安伞自动保护系统主动避撞设计与实现 目前，我国在主动避撞系统方面的研究尚处于理论研究和初步开发阶段。其 主要技术瓶颈是雷达技术的滞后。在这方面上海系统与信息技术研究所已经有所 突破，在国内首次研制成功集成毫米波雷达前端关键m m i c 混频器和m m i cv c o 芯片，该芯片采用国际先进的g a a s 0 2 5 “m 工艺加工完成，具有独立的知识产权。 其工作频率为3 5 g h z ，测距范围大于1 0 0 m ，测速范围大于1 0 0 k m l l ，采用了先进 的d s p 技术n 引。航空工业总公司8 3 5 8 所激光室采用窄脉冲半导激光测距技术所 开发的汽车防撞雷达作用距离大于3 0 米，测距精度小于1 米，但仍存在一些关键 性技术有待解决，而且价格偏高。江苏赛博电子有限公司也曾推出自己的汽车雷 达防撞系统。该系统的雷达使用3 8 g h z 毫米波技术和高速d s p 数字信号处理器， 可以探测到2 0 0 米内的障碍物，并可在存在危险时予以报警。但是由于技术和价 格等原因，这些产品和系统在国内还没有得到推广应用n 钔。 自上世纪九十年代以来，国内以清华大学、吉林大学为代表的一批高校也开 始在主动避撞系统方面进行了相关研究，并取得了一些成绩。 在硬件研究方面，长安大学的王军雷以毫米波雷达探测装置为基础，利用 p 8 9 v 5 1 r d 2 芯片，采用c a n 总线通讯技术，设计相关的信号处理和控制单元n 钉。 重庆大学的曾宪文在车辆的前方、侧翼和后方分别采用激光雷达、超声波探测器 和红外雷达对汽车的前中后实现了全方位的信号检测，为汽车提供自动报警和辅 助制动的功能n 们。重庆大学的刘涛以机器视觉探测方式为基础，运用m a r s 视觉计 算理论，通过分析车道和3 d 路面，实现对前方障碍和路径的识别与检测n 。山东 大学的戴日章以红外激光探测器为基础进行了主动避撞系统硬件设计的探索n 引。 但是这些研究成果的成本较高，因此均没有取得推广及应用 在主动避撞控制方法的研究方面，清华大学的侯德藻对汽车行驶过程中的动 力学特性进行了细致的分析，并利用鲁棒下位控制器设计方法，对安全车距和预 警车距的控制进行了深入的研究，并取得了一定的成果n9 i 。吉林大学依靠“高速 智能车辆行驶安全综合保障机理及关键技术研究”项目d 们，在国家自然科学基金 委与教育部科学基金的资助下，运用现代控制理论中的线性二次型最优控制器设 计方案，设计出了一种最优控制器。清华大学的高锋等人在研究过程中，为避免 线性化造成的不确定性，基于一个简化的非线性汽车纵向动力学模型，应用 l y a p u n o v 方法设计了鲁棒自适应车速控制器，并对汽车纵向模型存在未建模动态 特性时的系统稳定性进行了分析心乜刳。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室 与智能技术与系统国家重点实验室的智能汽车组、吉林大学、天津天桓科技开发 公司、重庆汽车研究所、中国第一汽车集团公司等单位合作承担了国家十五科技 攻关项目“汽车安全辅助装置开发的研究心引。该研究项目主要对汽车辅助制动 的控制方法进行了研究，分别以模糊控制和p i d 控制方法设计控制器，对控制效 果进行了比较，并搭建了实验平台，进行了相关的实验论证。其硬件系统实现图 如图1 3 所示。 4 硕士学位论文 图1 3 汽车安全辅助驾驶系统的硬件实现图 总的来说，我国的主动避撞系统研究大多还处在论证和实验阶段，主要是一 些基础性和控制策略的研究。缺少价格合适的硬件系统和虚警率过高等都是急需 解决的问题。 1 2 研究内容 1 2 1 课题来源及研究内容 1 课题来源 本课题来源于湖南省科技厅计划重点项目“汽车智能防撞系统”，由湖南大 学和湖南亮才汽车安全科技发展有限公司合作研究开发“汽车安全自动保护系 统”，并展开相关研究。 2 研究内容 该项目利用现代电子技术、信息融合技术和雷达技术等开发汽车安全自动保 护系统。本文根据汽车系统动力学，分析汽车行驶和制动过程中的运动学和动力 学特性，建立汽车行驶安全模型，设计相关的程序和硬件电路。考虑到目前越来 越多的车辆开始安装巡航系统，本文专门针对巡航状态下的自车安全控制方法进 行了相应的研究，将系统的工作模式设定为巡航和手动驾驶两种模式，在巡航状 态下，系统具备一般巡航系统的自动跟车功能，同时可以根据设定的工作模式依 靠发动机油门和制动控制自车的行驶车速并在紧急状态下自动制动。在手动驾驶 模式下，根据分析得到的自动报警距离和自动制动距离判定汽车的安全状态，采 取相应措施。 3 课题特点 ( 1 ) 本课题所研究的主动避撞系统分别考虑了在手动模式和巡航模式两种状 态下的主动避撞控制方式，适应了汽车发展的趋势，考虑情况也更全面； ( 2 ) 针对不同驾驶员的差异性，分析驾驶员因素对汽车自动报警距离的影响， 使系统更能反映不同驾驶员的驾驶特点，可以在一定程度上降低虚警率，减轻驾 驶员的心理压力，提高人机功效。 汽车安全自动保护系统主动避掩设计与实现 1 2 2 论文结构 一 本文的论文结构和主要内容如下： 第1 章绪论：主要介绍汽车安全自动保护系统的研究背景和国内外的发展现 状，概述系统的研究内容和论文结构； 第2 章系统总体方案与结构设计：根据系统具体功能的需要，设定系统的设 计目标，制定总体方案；根据各单元的具体功能，搭建系统的基本硬件结构； 第3 章汽车系统动力学分析与系统建模：通过对汽车系统动力学的分析，在 m a t l a b s i m u l i n k 中建立汽车运动模型； 第4 章系统主动避撞控制方法设计：将系统的工作模式设定为手动模式和巡 航模式，在手动模式下研究了系统的自动制动和自动报警距离；在巡航模式下研 究比较了l q 和模糊控制两种控制方法。在第3 章建立的模型中，对控制策略的相 关数据进行了运算和仿真分析和比较； 第5 章系统产品开发：简述了产品的研究现状和特点。根据现有研究成果进 行了部分实验； 结论：总结论文和研究内容，提出不足并展望发展前景。 1 3 本章小结 本章对汽车安全自动保护系统研究的重要性作了简要描述，结合国内外汽车 主动避撞系统的研究历史与现状，提出了本文研究工作的目的、意义和课题来源， 最后对本文的研究内容及论文结构作了简要介绍。 6 硕士学位论文 第2 章系统总体方案与结构设计 2 1 系统总体设计目标 汽车主动安全防护装置的发展趋势是向自动化、多功能的复合型方向发展， 即在事故前能预警，事故中能对人、车进行保护，价格能被市场接受的多功能系 统。系统设计应当考虑这些因素的影响。 2 1 1 系统总体设计的目标功能 一般情况下，为了确保汽车和驾驶员的安全，汽车安全自动防护系统必须满 足下列要求： ( 1 ) 能够检测自车及周围车辆和道路的基本情况，判明车辆安全状态； ( 2 ) 能够在危险发生前提醒驾驶员； ( 3 ) 能够在驾驶员来不及反应时切断动力，自动减速。 针对汽车智能防撞系统的上述要求，系统必须具备下列功能： ( 1 ) 实时监测：采用雷达等测距装置和综合信息处理技术，对车辆前方道路环 境状况进行实时监测，收集相对距离、相对车速等信息；通过汽车本身的传感器 收集自车运动信息； ( 2 ) 智能预警：在判定汽车处于危险状态时，在驾驶员有足够时间进行反应的 距离内，对驾驶员通过声光信号进行预警，提醒驾驶员采取减速措施； ( 3 ) 自动缓冲、自动熄火、自动刹车：在判定现有的相对距离和相对车速下驾 驶员没有足够时间进行反应时，能够自动减小油门开度，自动熄火，切断发动机 动力输出，并采取刹车措施减速停车，避免车祸发生。 同时，为了使驾驶员能够更加直观的了解车辆行驶的安全信息，系统应当具 备显示装置如液晶显示屏等。 在设计系统的控制方法时，由于系统需要经过单片机进行控制，因此要求控 制方法运算量不能过大。系统的控制方法必须具有技术成熟、运算量相对较小、 控制实时性好等特点。 此外，由于目前市场上越来越多的车型都装备了巡航系统，因此，系统的功 能设定及控制方法应能够同时满足手动驾驶和巡航驾驶下两种工作状态的需求。 2 1 2 系统总体设计性能要求 汽车安全自动防护系统作为一种产品，必须考虑各种现实因素对于系统设计 的约束。系统整体性能和设计指标必须满足下列要求： 1 工作可靠 汽车安全自动防护系统是一种安全装置，作为保护驾驶员人车安全的屏障必 7 汽车安全自动保护系统主动避掩设计与实现 须具备很高的可靠性。尤其是对汽车而言，其工作环境一般电磁干扰比较严重， 天气、灰尘、振动等都会对系统的工作产生影响。 2 价格合适 系统的成本只有控制在可承受的范围内才有推广的意义和可能。尤其是对于 汽车前部的探测装置，一般成本较高，必须选择价格合适的探测装置才能有效地 降低系统的成本。此外，在主控芯片、电子元器件等的选择上，在保证性能的前 提下，也应适当考虑成本问题。 3 反应迅速 汽车在高速运动状态下往往以3 0 m s 以上的速度行驶，因此要求系统必须反 应迅速，能够及时更新信息以应对随时可能发生的危险。 4 尺寸适当 汽车内部能够安装系统的空间有限，系统的安装不能破坏汽车原有的结构和 布局，所以系统尺寸要合适，不能太大。 5 满足公路的通过性 公路作为公共交通载体，必须要保证足够的交通流量。尤其是高速公路，车 流量是普通公路的1 0 倍心钔。因此，系统在确保安全的前提下必须减少不必要的车 辆间隔，避免不必要的车速限制，以提高车流量，增大公路的通过性。 6 可以体现道路的差异性 不同道路条件下汽车轮胎与地面的接触情况不同，导致在其他条件相同时， 汽车所受阻力不同。尤其是在制动时，这会直接影响到汽车的最大制动减速度， 因而会对汽车制动距离产生影响。 7 能够避免驾驶员和系统工作过程中的互相干涉 驾驶员在系统进行信息检测的同时，自己也会对周围路况进行判断，并采取 相关的措施。当系统做出自动报警或自动减速的判断后，必须检查是否有驾驶员 的相关操作，并且只有在驾驶员没有减速措施( 如制动) 的情况下才采取措施， 以避免和驾驶员的行为发生干涉或产生虚警。 8 体现驾驶员的差异性 作为汽车安全自动保护系统的服务对象，驾驶员的差异性对系统的工作也会 产生影响，在系统的设计中必须考虑这些问题。 一般认为，驾驶员的差异性与驾驶相关的方面主要由有以下几个乜5 2 引： ( 1 ) 心理因素 a 性格：文献 2 5 】的研究表明，不同性格的驾驶员在紧急情况时的反应速度 和反应取向都有所差别。性格与驾驶安全有着极为密切的影响。 b 情绪：相当一部分的交通事故是由于驾驶员在不良情绪下盲目操作所导致。 c 驾驶习惯：驾驶习惯会影响驾驶员在驾驶过程中的惯常行车速度、跟车距 离以及紧急情况下的反应等。 ( 2 ) 生理因素 8 硕 ：学位论文 a 反应时间：文献【2 6 】在对驾驶员行车事故的调查表明，由于驾驶员反应迟 缓所造成的事故比例占到事故总数的5 8 7 因此，系统在自动报警距离的计算 时，应考虑不同驾驶员的驾驶员反应时间的差别。 b 视觉特征：驾驶员视觉特征主要包括视野、视力、色觉等。 c 疲劳度：驾驶员身体的疲劳程度会影响到驾驶员的注意力集中程度和反应 速度。高强度的连续驾驶极易造成交通事故。 此外，以目前的技术条件，任何主动安全设备都不保证完全避免发生碰撞事 故。汽车安全自动防护系统虽然能够避免由于自车驾驶员的失误产生的碰撞事故， 但是却不能完全避免来自其他车辆的碰撞，因此，有必要在主动安全系统基础之 上增添必要的被动防护装备。由于系统的被动防护部分不是本文的关注重点，因 此这里不做详细论述。 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 系统总体结构设计方案 根据前面所制定的系统设计目标和设计性能分析，本文搭建了系统的总体结 构，如图2 1 所示： 图2 1 系统总体结构示意图 系统的总体结构主要包括以下几个单元： 9 汽车安全自动保护系统主动避掩设计与实现 1 信号采集单元 信号采集单元的作用主要有三个： 第一，通过雷达等距离探测装置及各种传感器探测系统所需的各种信息，如 自车与前车相对车速、相对距离、自车车速等。 第二，通过开关判定系统工作模式、路况和驾驶员状态等。工作模式为巡航 模式或手动驾驶模式。工作环境根据实际情况的不同可由驾驶员选定，本系统根 据常见路况分为了干燥沥青水泥路面、干燥沙石路面、雨水路面、冰雪路面四个 选项。驾驶员状态则由驾驶员根据自己的驾驶水平、精神状态等调整相应的开关， 本系统将其设定为三个节点，分别是：“谨慎型”、“成熟型和“大胆型 ，可在 节点间进行连续的选择。 第三，通过探测制动踏板传感器探测驾驶员是否已采取制动减速措施来判定 危险状态下是否需要系统自动制动或自动报警； 2 信息处理与控制单元 主要作用是接收信号采集单元传输的各种信号，通过内部设定好的控制算法 判定汽车行驶安全状态，计算报警距离与自动制动距离等。根据计算结果控制执 行单元执行报警、减小油门及自动制动等措施； 3 执行与信息显示单元 根据控制单元发出的控制信号采取报警、减小油门开度、自动制动等措施。 同时，将信息处理与控制单元接收到的各种信号在l c d 显示屏上显示出来以便于 设备调试和驾驶员判定安全状态； 4 供电单元 为系统提供稳定的工作电压，保证系统正常工作。 2 2 2 系统总体工作流程设计方案 设汽车行驶过程中的实际相对距离、相对速度和自车加速度分别为s ， 咋和；经过控制算法计算的目标相对距离和目标相对速度分别为和； 经过计算的自车目标加速度为口如；报警距离和自动制动距离分别为邑，和 系统的工作流程必须能够满足系统一般工作特性的需要。针对越来越多的汽 车开始装备巡航系统，本文将系统的工作模式也相应的设定为两个： 1 手动驾驶模式 手动模式下，以车间相对距离s ，作为自车安全判断依据。 系统工作时，安装在汽车前端的雷达，不断扫描前方的障碍物和车辆， 测量自车与前方车辆或障碍物之间的相对距离和相对速度 ，车速传感器 测量自车的车速，并将测得的数据传给主控芯片。主控芯片根据各种选择开 关信息调整相应参数，并根据已输入的安全模型计算系统的报警距离s ，和 自动制动距离s 以此判定汽车行驶安全状态： ( 1 ) 当s ，苫s 。，时，则系统不采取措施而继续检测汽车行驶状态； ( 2 ) 当sss 乳是，系统判定自车为危险状态，但驾驶员有足够反应 1 0 硕士学位论文 时间，则此时系统扫描制动踏板传感器以确定驾驶员是否操纵制动系统进行 减速操作。若驾驶员已经开始制动，则系统继续扫描而不采取措施，否则系 统会通过蜂鸣器和警示灯进行报警，提醒驾驶员减速； ( 3 ) 当s ，s 时，系统判定驾驶员没有足够时间在现有距离内采取措施， 系统关闭油门并自动制动。 2 巡航驾驶模式 在一般定速巡航系统中，由于设定的车速是固定的，当前车突然减速或 出现障碍而驾驶员没有来得及反应时极易发生危险。因此有必要对汽车的巡 航状态进行安全检测，并在必要时采取措施降低车速以保证安全。 汽车在行驶过程中，根据自车速度、路面状态、驾驶员因素等计算得到 理想的目标距离和目标车速，通过内置的控制算法，结合各开关选项， 调整自身的参数，计算自车此时的目标加速度口如，控制自车运动状态。具 体规则如下： ( 1 ) 当口如 o 时，则系统控制车辆加速，以缩小不必要的间距，提高公 路的通过性。 与手动模式下不同的是，巡航模式下汽车不是在紧急情况下的突然制 动，而是一个连续控制汽车运动状态的过程。因而对控制方法有更高的要求， 其控制算法也相对复杂。 巡航模式下速度的控制方式包括油门控制与制动控制。在加速时，系统 可以控制油门加大开度、提高车速；在减速过程中，如果自车与前车的相对 速度差只是在比较小的范围内波动，则系统依靠油门减速控制即可，否则采 取制动减速。系统信号的采集与手动模式下相同。系统根据设定的控制算法 控制在不同状态下所需的油门开度大小和制动力的大小。 2 3 系统分总成单元设计 2 3 1 信号采集单元设计 2 3 1 1 相对速度和相对距离信号采集装置 1 相对速度与相对距离探测装置的类型与选择 相对速度与相对距离探测装置一般装在汽车前端，是整个汽车安全自动 保护系统的“眼睛。除了具备上一节中提到的性能要求外，它还必须满足 下列要求： ( 1 ) 具备一定的探测距离：汽车是一种高速运动的交通工具，尤其是在 高速公路上，时速往往在8 0 公里以上，甚至高于1 0 0 公里，因此制动距离 往往较大，如果考虑天气、路面等影响因素，则所需距离更大。 汽车安全自动保护系统主动避撞设计与实现 ( 2 ) 能够探测角度：探测装置的探测范围要求至少能够覆盖到自身车宽 的投影范围。因而要求探测装置发射的探测信号如激光、雷达波等具备一定 角度以覆盖要求的探测范围。此外，具备探测角度还可以根据所需探测的宽 度计算有效扫描的角度，从而排除环境中的部分干扰信息，降低虚警率。 目前，汽车上应用较多的探测装置根据原理不同主要有以下几种： ( 1 ) 超声波探测器 超声波是一种频率大于2 0 k h z 的声波，它在接触障碍物后被反射回来， 接收器接收到返回的超声波后将其转化为电信号，根据内部的芯片的处理和 运算即可计算出探测器与前方障碍的距离和相对速度。 超声波探测器的优点是价格便宜，硬件电路相对简单，技术成熟，尺寸 小。但是超声波探测器的缺点也很明显：探测距离近，达不到要求的距离； 反应速度相对较慢，受周围噪声影响较大。因此，超声波探测器一般仅应用 于汽车的倒车雷达等实时性要求相对较低、探测距离比较近的场合。 ( 2 ) 红外探测装置 红外探测装置利用不断发射的红外线探测障碍物，并接收回波进行信号 处理得到相对车距和相对车速等信息。 红外探测装置的优点是：结构相对简单，硬件成本低，技术成熟。缺点 是：易受恶劣天气的影响，探测距离较小。因而也不适合高速状态下汽车前 方障碍物的探测。 ( 3 ) 视频系统 视频测距系统中，最常用的是双目测距算法。这种算法是利用了人眼双 目定位和测距的原理来设计建模的。人的左右两眼通过对场景中的物体的感 知，分别形成各自的“图像 ，这两幅图之间存在一定的差别，通过人脑对 这种差别的估计，能大致推断出场景中各个物体的距离n 。视频测距系统正 是利用这种原理探测前方障碍物的距离和速度的。 视频系统的优点是：探测精度高，探测距离远，一般可达到1 0 0 m 以上。 缺点是：技术复杂，成本较高，易受天气和光纤等因素影响。目前在主动安 全系统方面应用同样不多。 ( 4 ) 激光雷达 激光雷达是利用激光的发射与反射进行探测，计算相对距离和相对速度 的探测装置。 激光具有亮度高、单色性好、方向性强、射束狭窄等优点，因此是光电 测距仪的理想光源。激光测距仪与前面几种测距仪相比，具有探测距离远， 测距精度高，抗干扰性强以及设备体积小、重量轻等特点，是一种较为有前 途的探测装置。目前日本的电装、欧姆龙等公司都开发各自的车用激光雷达 探测装置，并已有部分车型装载应用。但是其易受灰尘的影响，激光发射装 置要定期进行清理，否则会影响探测效果，而且硬件价格偏高。 硕上学位论文 ( 5 ) 毫米波雷达 毫米波是指波长在1 1 0 m m 之间、频率3 0 1 0 0 g h z 之间的雷达波。毫 米波雷达通过天线向前方目标发射电磁波，然后由接收机接收反射回来的电 磁波，再由信号处理系统进行放大、相干检波、混频等处理，提取有用信号， 计算出本车与目标之间的相对距离和相对速度。 由于毫米波穿透力强，分辨率高，抗干扰性好，因此相对于超声波和红 外探测，毫米波雷达具有探测距离远、反应迅速等特点。同时，它不受天气 和灰尘影响，性能稳定，测量精度高。与激光雷达一样，毫米波雷达也具有 测角能力，具有较好的方向性。且其尺寸较小，技术相对成熟，因此是一种 较好的车用测距和测速装置。 表2 1 是以上各种探测装置的参数及特点的对比： 表2 1 汽车各种测距装置参数及特点对比 通过以上比较可以看出，毫米波雷达是一种相对较为合适的汽车距离和 相对速度探测装置，也是目前世界各国主动安全研发机构的研究重点。表2 2 是世界各大毫米波雷达生产商的毫米波雷达参数对比： 表2 2 世界各大毫米波雷达生产商的毫米波雷达参数对比m 1 生产商富士 a d c 德尔福博世本田电装 日立 外观 妒魁。眵船雪t ，。j i 9 尺寸( m m ) 8 9 1 0 7 8 61 3 6 1 3 3 6 81 3 7 x 6 7 1 0 0 9 1 1 2 4 7 91 2 3 9 8 7 97 7 1 0 7 5 3 调频方式 f m c wf m p u l s e f m - c w f m - c wf m - c w 测量范围4 m 1 2 0 m1 m 1 5 0 m 1 m 1 5 0 m2 m 1 2 0 m 4 m 1 0 0 m2 m 1 5 0 m 水平 狈4 角 8 。5 。5 。4 。8 。1 0 。 8 0 1 0 8 6 4 双频c w 1 m 一1 5 0 m 8 。 1 3 汽车安全自动保护系统主动避掩设计与实现 2 毫米波雷达工作原理口0 1 ( 1 ) 距离测量 雷达经天线向空间发射一定周期的高脉冲，如果遇到目标， 射回来的回波将滞后于发射的高频脉冲一个时间f ，即 尺 式中尺一一目标到雷达的单程距离； f ，一一雷达波往返于目标与雷达波之间的时间间隔； c 光速3 1 0 8 肌压 则由目标反 ( 2 1 ) ( 2 ) 相对速度的测量 雷达测速主要是利用多普勒脉冲原理。当雷达测量前方相对运动的目标 时，例如正在运动的车辆等，目标与雷达之间存在相对运动，雷达接收到的 回波信号频率相对于雷达发射时的电磁波产生一个频移，这个频移称为多普 勒频移，其大小为： 无= 2 ( 2 2 ) 式中，无多普勒频移( h z ) ； a 雷达雷达工作波长( m ) ； 屹雷达与目标之间的相对速度( m s ) 。 已知雷达工作频率，然后通过雷达接收器得到频移大小，即可通过式2 2 计算得出雷达与目标之间的相对速度，即自车与障碍物之间的相对速度。 一般雷达系统的组成及工作过程如图2 2 所示： 图2 2 雷达的组成及工作过程 2 3 1 2 车速信号采集装置 车速信号的采集主要通过车轮转速传感器完成。目前，车速传感器应用 最广的是霍尔传感器。它是利用霍尔效应制作的一种传感器。所谓霍尔效应， 是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物 理现象。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属 箔片两侧面会出现横向电位差。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规 1 4 硕1 ：学位论文 律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路 上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单 位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度或转速。车轮转速探测装置 如图2 3 所示： 制动盘 前轮 图2 3 车轮转速探测装置 传感器通过接口p 1 2 连接外部的传感器测量电路。测速方式使用主控芯 片a t m e g