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汽车防碰撞系统的设计与研究,定做请加QQ：,1060741974,
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1目录第一章绪论.11.1选题意义和背景.11.2国内外研究的现状.21.3本文的主要工作和内容安排.5第二章几种测距方式的比较和选择.62.1激光方式.72.2超声波方式.82.3红外线方式.9第三章系统模型的建立.103.1追尾防撞模型的建立.103.1.1模型建立的理论依据.103.1.2模型的建立.123.1.3模型的讨论.173.1.4模型参数的讨论.183.2超车侧向防撞模型的建立.193.2.1模型的建立.193.2.2模型参数的选择.263.2.3模型的最小转角与最大转角数据分析.28第四章系统硬件设计.304.1单片机的性能特点.304.1.1单片机的选择.304.1.2MCS-51单片机的主要性能.314.1.3单片机系统的设计要求.314.2追尾碰撞报警系统硬件设计.324.2.1测量距离通道的设计.324.2.2测速通道的设计.334.2.3开关量输入通道的设计.344.2.4转向、油门、制动信号的采集.354.2.5声光报警的设计.364.2.6显示装置的设计.394.2.7电源设计.434.2.8电路板的电源保护装置和电源的抗干扰的设计.444.2.9“看门狗”电路的设计.444.3系统主要传感器.474.3.1毫米波雷达传感器.4824.3.2超声波传感器.534.3.3红外线传感器.554.3.4霍尔车速传感器.554.3.5转向角度传感器.594.3.6制动踏板传感器.604.3.7油门传感器.614.3.8路面状况选择开关.614.4系统总体电路图.64第五章报警系统软件程序的实现.655.1系统报警方式.655.2程序设计思想.655.3程序的实现.66第六章结论与展望.716.1结论.716.2展望.71参考文献.73附录.761第一章绪论1.1选题意义和背景汽车业与电子业是世界工业的两大金字塔，随着汽车工业与电子工业的不断发展，在现代汽车上，电子技术的应用越来越来广泛，汽车电子化的程度越来越高。汽车电子技术是汽车技术与电子技术想结合的产物。汽车上的电器与电子控制系统在汽车技术进入机电一体化阶段的今天，地位极为重要，正在汽车技术领域发展成为一门独立的分支学科，其性能的优劣直接影响到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排放干净、及舒适性等。电子控制技术在汽车上，首先应用于发动机燃油消耗控制与排放进化与排放控制，接着被应用于底盘部分的控制，以提高行驶的稳定性、安全性、与舒适性等。随着交通运输向高密度发展，电子控制技术又进一步应用于汽车的乘坐安全性和导航等方面。电子技术在汽车安全控制系统的应用主要是为了增强汽车的安全、舒适和方便。应用的电子技术主要有：电子控制安全气囊，智能记录仪，雷达式距离报警器，中央控制门锁，自动空调，自动车窗、车门、座椅、刮水器，车灯控制，电源控制以及充电器等。近年来汽车的自动调速系统，主动式汽车防撞系统，汽车监测和自诊断系统以及汽车导航系统也得到了广泛的应用。在过去2030年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部或后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装某种弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。2安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害；此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破。汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体（如汽车、行人或其他障碍物）的距离与汽车本身的车速不相称造成的，即距离近而相对速度又太高。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变化由执行机构进行控制，使汽车始终在安全车速下行驶。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。发展汽车防撞技术，对提高汽车智能化水平有重要意义。据统计，危险境况时，如果能给驾驶员半秒钟的预处理时间，则可分别减少追尾事故的30%，路面相关事故的50%，迎面撞车事故的60%;1秒钟的预警时间可防止90%的追尾碰撞和60%的迎头碰撞。理论上，汽车防撞装置可在任何天气、任何车速状态下探测出将要发生的危险情况并及时提醒司机及早采取措施或自动紧急制动，避免严重事故发生。汽车防撞装置是借助于遥测技术监视汽车前方和后方的车辆、障碍物，并根据当时的车速自动判断是否达到危险距离，及时向司机发出警告，必要时还可进行自动关车、自动紧急刹车。汽车要避撞就必须凭借一定的装备测量前方障碍物的距离，并迅速反馈给汽车，以在危急的情况下，通过报警或自动进行某项预设定操作如紧急制动等，来避免由于驾驶员疲劳、疏忽、错误判断所造成的交通事故。目前，大家都将防撞技术的关键点着眼于车辆测距技术。1.2国内外研究的现状鉴于交通事故的不可预测性和不可绝对避免性，为了减少交通故，优化交通秩序，利用计算机及信息技术来提高道路交通安全和效率已成为国内外研究的热点。二十世纪八十年代以后展开的关于智能交通系统的研究，被认为是解3决各种交通问题的一个很好的途径。智能交通系统是将先进的信息技术、通讯数据传输系统、电子控制系统以及计算机处理系统有效地应用于整个运输管理体系，使人、车、路环境协调统一，从而建立一个全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。其中智能车辆系统涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域。视觉系统在智能车辆中起到环境探测和辨识作用。与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大，单纯以当前的现实条件出发解决，容易导致系统实时性差。在实际应用中可使用多个摄像机，或者利用高速摄像机的多幅连续图像序列来计算目标的距离和速度。还可根据一个摄像机的连续画面来计算车辆与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减少环境的不稳定性造成的测量误差。在智能车辆领域，除视觉传感外，常用的还有雷达、激光、GPS等传感器。利用信息感知、动态辨识、控制技术与方法提高的主动安全性，是先进汽车控制与安全系统（AVCSS）的主要研究内容.世界各大汽车公司、大学在政府的支持下，都在开展这方面的研究与开发工作。日本各大汽车制造企业如丰田、日产、马、本田、三菱等公司，为实现其运输省提出的发展“先进的安全汽车(ASV)计划”致力于新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。丰田汽车公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车的距离进行动态监测，当两车距离小于规定值时，系统将发出直观报警信号提醒本车驾驶员。日产汽车公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当需要减速或制动时，用制动灯亮来提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵驾驶踏板的踏踩状态，必要时使汽车的自动制动系统前起作用降低车速，在最危险时刻自动制动。本田公司使用具有扇形激光束扫描的雷达传感器，即使车辆在弯道行使也能检测到本车与前方汽车或障碍物的距离降到规定值时，驾驶员仍未及时采取相应措施，便发出警告信号。三菱和日立公司在毫米波雷达防撞方面也做了大量的研究，其雷达中心频率主要选择6061GHz或7677GHz,探测距离为120米，尼桑公司为41LV-Z配备了自适应巡航控制系统，该系统利用毫米波雷达作为探测器，为巡航驾驶提供了判断依据。德国和法国等欧洲国家也对毫米波雷达技术进行了研究，特别是奔驰、宝马等著名汽车生产厂商，其采用的雷达为调频毫米波雷达（Frequency4ModulationContinuousWave）,频段选择7677GHz。如奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150米，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。该系统已经得到应用。美国的汽车防碰撞技术已经相当先进，福特汽车公司开发的汽车防碰撞系统的工作频率为24.725GHz,探测距离约106米。据说该系统理论上能根据转弯的角度信息自动适应路面的转弯情况，仅探测本车道内车辆的信息，从而可避免旁车道上目标物的影响。戴姆勒-克莱斯勒公司的防撞结构主要是两个测距仪和一个影像系统，她能够测出安全距离，发现前方有障碍物，计算机能够自动引发制动装置。戴姆勒-克莱斯勒公司的实验结果显示，车速以每小时32.18公里/小时的速度行驶，在距离障碍物2.54cm的地方停下来。我国汽车防碰撞系统的研究开发同国外发达国家相比，存在较大差距，近几年相继有一些科研院所、大专院校和公司厂家进行此方面的研究。近距离报警如倒车雷达现已蓬勃地车辆上安装使用，但国内目前生产的中远距离测量普遍达不到要求，表现在最远测距距离近，测距误差大，远远不满足高速公路的安全车距离要求，需进一步研究。本课题，不是直接测量距离，而是从测量车与车之间相对速度的角度出发，研究利用雷达激光测距、超声波测速及其它相关技术来预测高速行驶车辆的后碰及侧碰问题，实现报警，从而避免事故发生。本次研究主要针对汽车防撞系统，对前面开发的系统性能进行了改进。主要研究内容包括以下几个方面:1.汽车纵向防撞系统的总体设计完成汽车防撞系统的总体设计，把整个系统划分成四个分工不同的子系统，并确定实现总体方案所需要解决的关键技术。2.汽车防撞安全距离模型的确定结合系统的技术要求和车辆的行驶情况，对课题组以前提出的安全距离跟车模型进行了改进，使其具有更好的可靠性和实用性，对模型中的个别参数进行重新选取，使模型及模型的参数选取更加合理。3.进行汽车防撞系统硬件的总体设计并解决关键技术5在以前研究的基础上，重新对汽车防撞系统进行总体设计，提高了系统的实时性，并且电路中硬件器件全部采用贴片封闭形式，提高硬件系统的抗干扰性和可靠性。本论文中着重论述了主控单元子系统和雷达工作数据发送单元的硬件设计，解决了汽车防撞系统中的雷达测距系统这一关键技术，使该课题的研究从模拟实验阶段过渡到实车实验阶段。4.按照系统的功能需求，制定了各子系统之间通讯的通讯规约，并用MCS-51汇编语言设计了系统的主控单元子系统软件和雷达测距子系统中雷达通讯数据发送单元软件。5.在模拟实验的基础上，通过装车实验，验证了系统所要求的各种性能。1.3本文的主要工作和内容安排本文在第一章绪论中阐述了汽车防撞技术产生的背景及现实意义，主要研究内容并对现有的防撞技术进行了归纳和总结，进而提出本课题的研究思路和新颖所在;第二章主要阐述了测距传感器的选择，并且确定了三种测距方法；第三章进行了报警系统防撞模型的建立;第四章进行了硬件设计和实验验证;第五章为系统的软件设计，第六章为结论与展望。6第二章几种测距方式的比较和选择对于车辆安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息，当本车以较高的速度接近前方的车辆时，如果两车之间的距离太近，很容易造成追尾事故。因此，常用的防撞系统都将车辆之间的相对距离作为检测参数。为了和军用等其他类型雷达相区别，一般将军用防撞探测系统称之为汽车雷达。按照其探测方向的不同，主要分为倒车雷达和前视雷达两种，汽车倒车雷达由于探测距离较短，一般运用超声波或红外线探测两种方式，该项技术已经比较成熟，国内外已经有相应的产品。而相比较来说在高速公路中由于车速快，要求防撞雷达探测距离较长，故高速公路的防撞要求较高。而且在恶劣的天气条件下，如雨、雾、雪等天气，以及前方车辆尾部卷起的气沫灰尘所造成视野不良等情况时，防撞预警系统应向驾驶人员提供前方车辆和障碍物的距离、相对速度等信息：在危险临近的情况下，通过警报系统发出声光报警，在极度危险的情况下可以采取转向或制动措施，从而避免碰撞、追尾等事故的发生。目前的高速公路防撞系统按工作方式划主要有激光、超声波、红外等一些测量方法，不同的方式工作过程和工作原理上有不同之处，但它们主要作用都是通过不同的探测方法判断前方车两与本车间的相对距离，并根据两车间的危险性程度做出相应的预防措施。为了更好地了解各种系统的工作原理，本章对不同的探测方式进行详细的研究。72.1激光方式由于激光具有高单色性、高方向性和相干性好等特点，因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中，传输距离远。激光常用于测量距离，速度和长度等。在高速公路防撞领域，采用激光雷达方式时，首先利用本车装备的激光雷达发射激光束照射到前车的反射镜（汽车尾部），然后检测反射回来的激光束的时间来判断两车的距离。在测距方面激光测距和一般毫米波雷达测距原理基本相同，按技术途径可以分为脉冲式激光脉冲和相位式激光测距两种，脉冲测距是通过激光测距仪向目标发射激光束，当信号碰到前方目标被反射回来后，只要记录激光往返的时候用光速乘以往返时间的1/2，即可获得目标的距离。相位式测距则是利用连续调制的激光光束照射被测目标，通过测量光束往返中产生相位，换算出被测目标的距离，这种相位式激光测距方法误差仅有百万分之一，激光测距的测量精度很高。总体来说，激光测距雷达研究经过多年的发展，技术上已经有了很大的进步，国内外已经有一些厂家生产相应的产品。美国ZIRCON公司开发的OPTI-LboIC激光测距仪，探测距离为4400m探测距离的激光测距仪。在汽车防撞领域，考虑到运行环境特殊，对气候的适应能力和探测距离的要求，激光测距的应用具有局限性，主要是因为激光测距方式受恶劣的天气、汽车激烈的震动，反射镜表面磨损、污染等因素影响，使探测距离减少1/21/3，降低了使用精度，所以在汽车防撞领域激光测距方式没有得到发展。由于一般光电探测器接收频率不大于10GHz,而光波本身的波动频率大于10GHz，所以，光电探测器无法探测光波波动效应，但能探测到均值能量效应。当激光光强被调制成频率为f的余弦调幅波，相应的调幅波波长为人起始调幅波能量函数即参考波能量函数P可由调制前的能量p0表示,激光测距具体数学描述如下:(2.1)ftp2cos08调制激经光距离L后遇障碍物反射回来,经过时间t,调幅波发生了相移,此时能量函数p1为(2.2)2cos(11ftftp式中为有效发射率、为p1与P相位差。(c光速)，ft2cft21而,由此可以得到被测距离L为ct21(2.3)4-激光被调制频率的波长2.2超声波方式超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉等等，超声波测距就是利用其反射特性。超声波反射器不断发出某一频率的超声波，遇到被测物体后反射回反射波，则超声波接收器接收到反射信号，并将其转变为电讯号，测出发射波和反射波的时间差，根据光速即可求出距离，这点和激光测距类似。超声波测距的探测距离较远，目前主要运用于倒车雷达等近距离测距。超声波测距原理数学描述如下：(2.4)2cts式中为超声波音速、t为测出发射波与接收到反射波的时间差、s为所测距离。由于超声波也是声波，故c即为光速。光速为9(2.5)0rc式中为气体的绝热体积系数（空气为1.4）,为气体的气压海平面为1.013106pa、0为气体的密度（空气为1.29/m3）.对于1mol空气，质量为m，体积为v，密度为则应为m/v,故(2.6)nrc0对于理想气体有PV=RT(2.7)式中为摩尔气体常数、为绝对温度。由于r、R、m均为已知常数，故声速c仅与温度T有关，若温度不变，则声音在空气中的速率与气压无关。因此在某地温度变化不大的情况下，可以认为声速基本不变的。确定了声速，只要测得超声波信号往返的时间，即可求得距离。2.3红外线方式红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本上相同，均是根据发射波和反射波的时间来判断目标的距离，红外线测在技术上难度不大，构成的测距系统成本低廉，但在恶劣天气和长距离探测方面仍然不能满足高速公路防撞的要求。表21不同测距的方式比较方式比较精度造价抗干扰测试距离激光7mm一般强长超声波32mm一般弱短红外线10mm低弱短10根据上表可以看出以上各种测量方式均有其独特的优点，比较后决定本系统分别采用以上不同的方法。第三章系统模型的建立3.1追尾防撞模型的建立3.1.1模型建立的理论依据汽车的制动过程可以分为以下四个阶段:驾驶员反应阶段，包括驾驶员发现障碍物并做出判断和把脚从加速踏板换到制动踏板上的时间。制动器协调阶段，包括消除各铰链和轴承间间隙的时间以及制动摩擦片完全贴靠在制动盘上的时间。减速度增长阶段，指减速度从零增加到恒定值的时间。持续制动阶段，指汽车以恒定的减速度减速到车速为零的时间。设驾驶员反应时间为，制动器协调时间为，制动减速度增长时间为，rtatst持续制动时间为，车速为，则制动过程中汽车的制动减速度与时间关系示vtaV意图如下:11图3-1制动减速度与时间关系示意图由图可知汽车的制动距离由下列部分组成1、时间内行驶过的距离art1s(3.1.1)(artvs2、二时间内行驶过的距离st2s从图3-1中可得加速度为tasmx速度为2maxmaxtvtdvss（3.1.2）所以2max026ssatttvdss（3.1.3）3、时间内驶过的距离vt3s这段时间内加速度是个定值，令时间段的初速度为，所以速度为avtvtvdtv212（3.1.4）同时也是时段的末速度，由式(3.1.2)可得vstsatv2把代入式(3.2.4)中，并考虑到在时间末速度为零，即可求出：vt2savtvt这样，)4(21203sasattvtvvds（3.1.5）由式(3.2.1),(3.2.3),(3.2.5)可得制动距离321sss24)(sasaratvttvs（3.1.6）在正常情况下，式(3.2.6)中第三项可以忽略，故avtttvssara2)(这就是常见的计算汽车制动距离的公式，它所计算出来的制动距离也称为汽车的停车视距。3.1.2模型的建立设，:自车速度，单位m/s1v:前车速度，单位m/s2:相对速度，单位m/srelv:自车制动减速度，单位m/1a2s13:前车制动减速度，单位m/2a2s.驾驶员反应时间，单位srt:制动器协调时间，单位sa:制动减速度增长时间，单位sst:自车走过的距离，单位m1X:前车走过的即离，单位m2do:安全间距，单位m:危险报警距离，单位mbd:提醒报警距离，单位mwd:报警距离统一符号，单位m图3-2为自车和前车的相对位置示意图。图3-2自车与前车相对位置示意图1、前车静止或前方为障碍物时,所以,02X01dX1)危险报警距离:,故121)(avtvsa0211)(dtdaVsab2)提醒报警距离:14121)(avttvXsra0211)(dttdaVsraw1、前车匀速时;012X1)危险报警距离：，其中、为自车在、时间段行3211ssX1s23atsvt驶过的距离。atvs11在末，自车的末速度为st1v211tvs令则st2111stav设在干燥路面上制动减速度为6m/,为0.2s，则2st111stav代入参数，可计算出自车在末速度将降低0.6m/s(2.16km/h)。当前后车速st相差小于0.6m/s时，自车制动减速度不用达到最大值自车速度就会比前车速度还低，设此时自车制动减速度的增长时间为。tssttavdtavs6)2(311021attsrel15sattvtX63111ta22故031126dtavtvtdsaab令21rel0316)(dtatvdsarelb当前后车速相差大于等于0.6m/s时，自车制动减速度将会达到最大值并会存在持续制动时间，设此时自车持续制动时间为。vt12atvtsrelv121)()(vtXrelrlsa)2()(12atttvrelsavsa故021dXdb01)(avtvrelsarelb2)提醒报警距离:当前后车速相差小于0.6m/s时，sartvtvX6)(311tar220316)(dttvdsrarelw当前后车速相差大于等于0.6m/s时，16121)(|)2(avttvXrellsar)2()(122avttttrelsarvsar01)(dttvdrelsarelw3、前车减速时;1)危险报警距离:121)(avtvXsa22ts012122)(davtvatvdsasb令102)(11davtvtdrelrelsrelab1)提醒报警距离:121)(avttvXsar22ts0112)()(davtvtvdrelrelsrelarw综上所述，根据前车运动状态导出的危险报掣;距离和提醒报警距离公式如下:前车静止或前方为障碍物时:0121)(davtvdsab170121)(davttvdsarw前车匀速时:当相对速度小于0.6m/s0316)(dtatvdsarelb031)(ttsrarelw12tvtsrel当相对速度大于等于0.6m/s012)(davtvdrelsarelb012)(ttrelsrarelb前车减速时:0112)(davtvtdrelrelsrelab011)()(ttrelrelsrelab3.1.3模型的讨论从上面的公式里可以看出，对于前车匀速这种情况来讲，本次试验用的是小轿车，它的制动减速度增长时间为0.2s，自车在末速度会降低0.6m/sstst(2.16km/h)。经过计算，在各种路面上，相对速度分别为lkm/h和2km/h时的报警距离取整数都是一样的;在通常情况下两车的相对速度也会比较大，故在前车匀速状态下，可认为前后两车的相对速度始终大于0.6m/s(2.16km/h)。18但如果自车为其它车型，则自车制动减速度增长时间势必会大于0.2s，相应st的速度降也会大于0.6m/s(2.16km/h)，这就需要分情况考虑。另外前车静止或前方为障碍物时与前车匀速时相对速度大于等于0.6m/s的报警距离计算公式在本质上是一样的，因为当前车静止或前方为障碍物时自车速度就等于两车的相对速度，因此两个公式可以统一起来。所以模型最终简化为:前车为静止或前方为障碍物和前车匀速时;012)(davtvdrelsarelbbrelw前车减速时0112)(davtvtdrelrelsrelabbrwt13.1.4模型参数的讨论本模型要确定的参数主要有自车速度与相对速度，制动器协调时间与制动减速度增长时间，驾驶员反应时间，制动减速度及安全距离。1、我国规定在高速公路上行驶的小型载客汽车最高车速不得超过120km/h，其它机动车不得超过100km/h，各种汽车最低车速不低于60km/h，这样规定有利于提高高速公路的通行效率，维护通行秩序，保障交通安全。木模型选取的最高车速为120krn/h，最低车速为40km/h，相对速度取为0120km/h，这样做可以提高模型的实用性。2、按照欧洲经济共同体的规定，小轿车在车速为80km/h时，制动协调时间与制动减速度增长时间的一半之和应小于0.36s。制动减速度增长时间通常为0.2s,那么换算过来制动协调时间应为o.ls。3、驾驶员反应时间一般为0.31.0s。据有关测试，在正常情况下，19车速为40km/h时，驾驶员反应时间为0.6s左右;车速增加到80km/h，反应时间增加到1.2s左右。另外驾驶员在高速公路上长时间驾驶汽车，其反应时间也会加长，故取为1.2s较合适。4、自车制动减速度按照路面附着系数的平均值来取，干燥路面取为6m/，潮湿路面取为5m/，积雪路面取为2.85m/。2s2s2s5、考虑到安全问题和系统延迟，安全距离取为5m，同时国外也推荐为25m。3.2超车侧向防撞模型的建立3.2.1模型的建立当自车要超越前车时，可以将超车运动看作为匀速圆周运动。自车超越前车的最小转角与最大转角示意图如下所示。图3-3超车最小转角示意图20图3-4超车最大转角示意图1、自车超车最小转角及纵向距离Lx的计算由图3-3可知OEGFEH,所以,zRy2y1Ryz21sin,其中,)arcsin(Rcav21rcWy21令,0rc)2arcsin(21R）t(yLx2、自车超车最大转角及纵向距离Ld的计算由图3-4可知OEGFEH,所以21,zRy2y1Ryz21sin,其中,)arcsin(Rcav2113cWLy令,01c)23arcsin(21RL）t(yLd其中，:自车速度，单位m/s1v:自车侧向加速度，单位m/ca2sR:回转半径，单位m:自车宽度，单位m1W:前车宽度，单位m2L:车道宽度，单位my:自车中心线的侧移距离，单位m:最小转角，单位:最大转角，单位:自车右侧向安全间距,单位mrc:自车左侧向安全间距,单位mlLx:最小转角时自车与前车的纵向距离，单位mLd:最大转角时自车与前车的纵向距离，单位m3、超车时最小安全距离计算在行驶过程中,车距必须足够大以确保在任何可能的操作下都不发生碰撞。下面,将通过对车辆行驶的运动学分析,对常见的一种超车过程提出一个判断即将采取的超车是否安全的算法(其它超车过程分析与此类似)。22假设车辆在t=0时刻开始超车。在0tc时间段中应用横向加速度完成超车过程。如图3-5所示,以汽车M的右上角为参照点,横向移动距离为H,那么在H/2处,汽车的横向速度达到最大值。假设超车过程平稳,那么,符ycv合正弦波特性,那么汽车的横向加速度符合余弦波特性。设yca)2sin()(tAtayc)0(ct（3.1.7）其中：A为待定系数，ct从而有：Hdtttc)2sin(0（3.1.8）得到：，所以：2ctA)sin(2)(ttHaccyc)0(ct（3.1.9）)0()2cos(0)(cccttHttHyctV（其他）(3.1.10)(3.1.11)()0()22sin(2(0)(ctHcttcHtcttyc其他）另一方面,汽车超车过程中,横向加速度来自于行进方向加速度的横向分量。设t时刻汽车行进方向于道路纵向的夹角为,有)(t(3.1.12)()()()(tantVtxytxytxcyMcMc其中:、分别为t时刻汽车延道路方向的纵向位移和纵向速度。tVxc23图3-5超车过程动力学分析下面针对图3-6所示的大多数情况讨论超车应具备的条件和安全性。其中，M为主车，F为前方车辆，L为超车道上的后方车辆。针对图3-6所示的情况,保守的驾驶员可能认为,后方超车道上有车则不应该超车,而应该采取跟车（L车）行驶。其实不然,只要F与M、M与L之间有足够的纵向（x方向）距离，则可以超车。下面将讨论超车时F与M、M与L之间最小纵向安全距离。如图3-7所示。定义点P为M车左上角与F车下边缘切线的交点。显然，点P为两车发生碰撞的边界点。S为超车初始时刻F与M的横向距离，H为超车完成的目标位移。由于式(3.1.11)已经给出了M右上角的位移,则可以M其它角的位移如下：)(sin)()()(cos)()()(cos)(in()()(tMltcytlefuprytwttighlowMMcleftlortwtltyy（3.1.13）其中：、分别为M车长度和宽度。lw当M车左上角达到P点时应满足：24StlyMc)(sin（3.1.14）由式（10）有：StVtltyxcycMc)()()(22（3.1.15）从而可以得出M车左上角达到P点的时间。pt可以看出,如果要避免F与M的碰撞,必须满足如下条件：)(cos)()(tltxt,pt（3.1.16）其中：为F车纵向位移。注意到在时间段中,当时，取)(t,ptct)(ost得最大值,因此,式（14）式可以简化为：MFltxt)()(,pt（3.1.17）M车的尾部与F车的头部的纵向距离为；)()(txltxtDFM,pt（3.1.18）如果对所有，则不会发生碰撞。所以有：p0)(tDMFtVdatMFxctMFF)0()0()(0,pt（3.1.19）其中：为二者初始纵向距离。为M车超车时的纵向加速度，)0(MFD)(taxc且统计研究表明：一般情况下，不宜超过6m/s。为F车超车时的纵)(txc)(ta向加速度。令为最小纵向安全距离，那么：MF)0()()(max0tVdaDFMxcFt,p25（3.1.20）同理，令为L车超车时的纵向加速度可以得到M与L之间的最小安全距)(ta离：)0()(mx0tVdaDLMLxctL,pt（3.1.21）可见，最小纵向安全距离依赖于相对速度、相对加速度以及时间。而pt这个时间又依赖于横向距离S、横向超车时间。假设超车前后，汽车处在车道ct的中央，那么S为车道的宽度。从而，是决策的关键参数。ct图3-6常见的超车情况即位置示意图图3-7F与M的碰撞分析示意图不同的，决定了不同的超车过程。越小，超车过程完成所需的纵向距ctct离越短，但是超车过程完成的平稳性越差；相反越大，超车过程完成所需的纵向距离越长，超车过程完成的平稳性越好，但是容易发生碰撞事故。因而合理地选取具有重要的意义。在初始距离下，应该满足：ct)0(MFDct)()(21)0()(20FcCFcMxttVtatVda（3.1.22）同理，在初始距离下，应该满足：)(LM26)0()0()(21)0()(20LMcLCLcMxctDtVtatVda（3.1.23）另一方面，平稳的超车过程对车辆的安全、驾驶员以及乘客的安全以及舒适度至关重要。而超车过程所产的曲率半径直接决定了超车过程的平稳性。超车过程曲率半径如图3-8所示。图中，表示完成超车过程所需的纵向距离，cL则：24HRLc（3.1.24）对道路设计而言，各国对R都有相应的技术标准，而这个标准正是为车辆安全行驶时所必须满足的转弯半径。根据我国公路工程技术标准，在行车速度为1200km/h、100km/h、80km/h、60km/h时，极限最小半径分别为：650m、400m、250m、125m。设为极限最小半径，那么：minR2min4HRLc（3.1.25）即：2min04)0()(HRtVdacMxct（3.1.26）从而，式（3.1.22）、(3.1.23)、(3.1.26)共同决定了的取值范围。ct的取值确定后,超车过程及其对应的参数也就确定了。一旦当前的行驶ct参数不满足超车条件,系统将给出警示,并提出对当前行驶参数调整的建议。图3-8超车过程曲率半径273.2.2模型参数的选择1、自车速度的确定同追尾模型。2、自车侧向加速度的确定:它是根据汽车在高速公路上允许的最小转弯半径回归计算出来的最大侧向加速度，有条件的话可利用传感器通过试验测得。高速公路转弯半径的规定见表3-1。表3-1高速公路转弯半径3、转弯半径的确定:它是根据推算出来的最大侧向加速度和自车速度按公式计算的。4、自车与前车宽度的确定:本模型假定前后车在车道中心线上行驶，本次试验车型为轿车，故自车宽度取为2.5m，为了简化计算，前车宽度也取为2.5m，车道宽度取为3.75m。5、侧向安全间距的确定:如果令和为零，可以计算出极限条件下的最小转角和最大转角rcl。但实际上为了保证安全应该留有空隙，运动车辆超越静止车辆时，按经验应该保持0.5m的距离;超越另一辆正在运行的车辆时，可根据城市道路设计规范中的同向行驶车辆的侧向安全间距计算公式得出。右侧向安全间距:rc28,其中v为道路设计车速，单位km/h4302.7.Vcr右侧向安全间距:lc,其中V为靠边行驶时减低了的车速，单位km/h43.4.cl上述两式中的系数是从大量的观测资料中归幼的，0.7或0.4可理解为当汽车行驶的速度接近零时的最小许可接近距离。下表3-2根据高速公路设计车速计算出来的右侧向安全间跟，左侧向安全间距暂时用0.4米。表3-2高速公路右侧向安全间距如果考虑安全间距,计算出来的就是一个最什转角范围，设最佳最小转角为,相应的纵向间距为Lx,最佳最大转角为，相应的纵向间距为。xLdL3.2.3模型的最小转角与最大转角数据分析根据前面公式可以计算出自车在超车时的最小转角与最大转角及相应的纵向间距，见表3-9和表3-10。表3-9中为规定的最小半径，表3-3中为RX前车静止时的危险报警距离，其它字母的含义见模型。表3-3超车时的最小转角车最大转角29表3-4超车时的纵向间距1通过上述公式计算的最小转角与最大转角是保证自车安全超越前车的极限角度，虽然侧向安全间距设定为零，但是表中的转角数据进行了处理，最小转角采用进位法，最大转角采用舍去法，故从理论上讲可以保证安全。从表3-4可以看出当车速升到110km/h时，反而比小，这是因为此时的侧向安全间距若按公式计算则只能保证汽车的某一侧在安全间距范围内，所以出现这种情况;从表3-9中还可看出，最佳最小转角为与最佳最大转角为不但近似相等而且近似等于极限角度范围的中间值，所以在考虑了侧向安全30间距下得出的转角无疑是最理想。第四章系统硬件设计4.1单片机的性能特点4.1.1单片机的选择单片机是数据采集器的核心，因此单片机的选型很重要。在单片机的发展过程中，Intel公司扮演了重要角色。从1980年以来，Intel公司在MCS-48系31列单片机的基础上又推出了MCS-518位的高档单片机以及今天的MCS96系列及各种CMOS系列，使单片机技术日趋成熟和完善。无论是哪一种位数的单片机，哪一系列的单片机，都为新产品的开发、应用系统的研制、智能控制器的研究等，创造了极其有力的硬件环境。目前世界各生产厂家生产的4位、8位、16位、32位通用型以及衍生出的五花八门的系列及型号，使单片机技术的应用已达到了无孔不入的地步。但是在国内，单片机使用量最大的还是8位单片机，应用范围最广的也是8位单片机。目前世界各生产单片机的公司都在努力提高时钟频率，以提高CPU速度;精简指令，采用多级流水线操作方式以提高指令的执行速度，扩大寻址能力:扩大片内程序存储器和数据存储器容量，并在结构上细致化、智能化、密切化，以增加片内功能;尽量减少外部接口芯片，提供与主机的接口，降低单片机的功耗，提高宽电源的适应能力，增加高噪声容限，并使其具有更好的电磁兼容性。面向应用对象的多功能多品种的增强型单片机将不断出现。本系统的主控单元采用了MCS-51系列的8051单片机，主要考虑到这种单片机操作相对简单，而且具有4K的存储单元，可以使编写程序变得游刃有余，同时价格也较便宜，便于实验时使用。4.1.2MCS-51单片机的主要性能本系统采用与Intel公司生产的MCS-51完全兼容的8051单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微处理器，片内带有EPROM，不需要外扩程序存储器，而且固化的应用程序可以方便地擦写。其结构特点如下:低功耗、高速8位的HMOS芯片;片内振荡器，6MHz或12MHz的时钟频率;高达4K的内部程序存储器，128个字节的内部数据存储器;32根I/0口线;2个16位的定时/计数器;5个中断源;全双工串行数据通讯口:32布尔处理器;4.1.3单片机系统的设计要求系统设计包括软件和硬件设计两个方面，两者之间互相影响。一般设计原则是简化设计(采用功能较强的芯片以简化电路，增强可靠性);冗余技术设计(提高系统
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