车载安全系统的研究与设计

1、车载安全系统的研究与设计参赛院校:参赛团队：狼宇科技团队团队成员:金鹏胡泽鑫吴嘉琪沈兵指导老师：周芹内容目录-.设计背景及意义1二. 作品简介及制作1三、方案的论证与选择2卩l|、理论分析与程计设计5五、主要创新点分析5六、测试方案与测试结果5七、结果性能分析6八、结果性能分析6九、附录8一.设计背景及意义随着科学技术的发展，汽车安全技术在交通安全中起着越来越犬的作用，但 仍然不可避免发生意外情况。汽车安全技术为避免乘员伤亡提供了重要的保障。 因此，汽车安全技术的开发研究仍是汽车安全技术研究的热点之一。本系统通过 构建小车模型实现小车速度、车距的测量与超速报警、智能超车避障、车速与车 距液晶显

2、示等功能，该系统可应用于人部分机动车辆，提高机动车辆的安全性能。 因此现实的汽车安全技术具有重耍研究意义，造价低廉、实用性强，具有广阔的 发展前景。二、作品简介及制作本系统以atmegal6单片机为控制核心，l298n驱动电机，通过检测光电编码 盘脉冲个数来测试车速，通过超声波传感器利用超声原理来测量车距，实现了小 车车速与车距的测量、超速报警、安全超车避障、车速与车距显示等功能。本作 品很好的模拟了车载安全系统，并达到了较好的测量精度，准确的判断障碍物的 位置，实现了车速、车距的实时监测与安全超车。三 > 方案的论证与选择模拟小车车速测量方案一、利用霍尔开关测速霍尔效应表达式u=k-

3、i - b/d,其中k为霍尔系数，1为薄片中通过的电流, b为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度。霍尔效应的灵敏度高低与外加磁 场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利 用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用屮的 电信号。输入端是以磁感应强度b來表征的，当b值达到一定的程度（如b1） 时，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。出单片 机检测电平变化来计数。方案二、计数对射传感器采用对射式红外头，当红外线发射端发出红外线经过车轮中心小孔吋，接收 端将收到红外线，产生一个低电平通过lm393比

4、较器输出，进而产生一个高低电 平的脉冲变化送至单片机。利用单片机的外部中断处理实现计数测速功能。其内 部硬件电路如下：图1：计数对射传感器内部原理图 该方案精确度高，稳定性能好，简单易行，成本较低。综上：我们选择方案二。2、模拟小车车距测量方案一：利用红外线测距利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物 远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射 特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到 障碍物时，红外信号反射凹来被接收管接收，经过处理z后，通过数字传感器接 口返回到mcu, mcu即可利用红外的返回信号来识别周

5、围环境的变化。当测距离较长时，容易受到周围的光线的干扰，造成误触发。方案二：利用超声波测距利用超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超 声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就 立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340ni/s,根据计时器记录的时间t, 就可以计算出发射点距障碍物的距离（s）,即：s=340t/2。这就是所谓的吋间差 测距法。当环境温度变化时超声波的速度就会发生变化，例如当温度0°c时超声波速 度是332m/s, 30°c时是350m/s,温度变化引起的超市波速度变化为18m/s。若 超声波在30&#

6、176;c的环境下以0°c的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到 5m,测量lm误差将达到5mm。但木系统屮不需要达到如此高的精度。综上:我们选用超声波测距。、理论分析与程序设计1、测距模块本次设计中采用的是us-020超声波测距传感器。其可实现2cnt7n）的非接 触测距功能，供电电压为5v,支持gpto通信模式，模块测距的吋序如图2所 示：只需要在2号引脚trig上输入一个10us以上的高电平，可触发模块测距, 系统便可发出8个40khz的超声波脉冲，然后测冋波信号。当检测到冋波信号后, 通过echo管脚输出一个高电平，电平宽度为超声波往返时间z和。根据3号引脚echo输出

7、高电平的持续时间可以计算距离值。即距离值为: （高屯平时间*340m/s）/2。触发信号ious髙电平发射探头发出倍号循环发出8个jukh z脉冲脉冲宽度为超声输出回响信号波往返时间之和图2： us-020测距时序图2、测速模块1kftflou k1/5dapqrtck kyrwj c4adoks7di rcmooatoro 心伽 fd2xt0otfxt>l1 xt心&aqwxd faimonpjoimcormm£>：4»a1moc1»wxw fwjocta»«knamfwm0c7wc/txol efn/np®w&

8、gt;0ioa>_hmab 兀 wakows由单片机外部中断into对检测 到的传感器输出的高低电平变化的脉 冲进行计数，其仿真模型图所示。实 际中，光电编码盘共有20个孔，即车 轮每转一圈,传感器会输出20个下 降沿，在外部中断服务程序中计数变量counter增量为20。车轮直径d=0. 065,车行进的距离:图3：外部中断仿真模型l = tt d countgr/2q ,定时器定 时每隔1秒显示l即为车速n,在屮断里而清计数变量countero3、程序设计软件部分采用avr系列单片机 atmegal6作为控制核心，对硕件电路 的相关参数进行测量并将数据送到液 晶显示。其中主要用到外部

9、中断into、 inti计数，定时器to、t1定时并存放 计数值，数据串行传输至fyd12864显 示，1/0输出高低电平控制电机转向 等。初始化发送超川 波押制小牛 wiw进转弯避障俎逢报舲4 %tt挖制小牛mitwifiigggg图4：程序流程图五.主要创新点分析木系统灵活运用了所学物理的相关知识，巧妙的将现实的车载安全系统加以 模拟，结合现实交通行车安全的规章制度，利用红外线对射测速、超声波测距后 发出超速和注意保持车距的预警信息，可以根据速度的不同对应不同的车距报警 值，及时的采取控制措施让小车减速和避障，减少事故发生率。其中，不仅采用 了物理的相关知识与方法，还结合了自动控制理论和单

10、片机以及电路设计等技术 知识，使木系统的设计达到了很好的效果。六. 测试方案与测试结果k测试所用仪器表一测试所用仪器ut805万用表xitds1002双通道示波器xivc890d力"用表x2卷尺2、速度及超速检测让小车运动起來，然后根据液晶读取小车车轮速度，测取多组速度值:表二小车速度测试组号12345678速度(m/s)0.9181. 0101.0210. 7861.0210.9180. 8880. 939设定一个速度值，如果小车速度超过此值就让其报警减速，设定值为:0. 500m/so表三超速报警测试速度(m/s)是否报警0. 303否0. 542是0. 786是0.918是1.

11、021是3.车距及避障检测通过液晶读取距离值，然后实测小车与障碍物的距离值，确定误差:表四车距检测组号1234678所测距离5)0. 500. 711.001.221.502. 002.512. 98实测距离(m)0. 500. 701.001.201. 502.002. 503. 00设定一个安全距离值，如果小车与障碍物距离超过此值就让其报警避障，设定值0. 70m。表五报警避障测试车距是否报警0. 32否0. 69否0. 70是0. 71是1.00是七. 结果误差分析对车距进行测量时，进行多次重复测量，以减小偶然误差。根据多次重复测 量的结果，获得一个最接近真值的最佳值。在相同条件下，对车

12、距s进行了 n次重复测量，其测量值分别为：$=£（$+乱+几）=££&几i /=当测量次数无限增多时，根据偶然误差的性质可以证明：该平均值将无限接 近于真实值常把多次测量的平均值作为结杲.2012渊洎弟二牌大学生 物u实脸创新设计亮赛««* c<e<我们把测量结果及其偶然谋茅写为s± as的形式，其中s是测量值，它可 以是一次测量值，也可以是多次测量的平均值；as是绝对误差，它可以是一次 测量屮绝对误差的绝对值，也可以是平均绝对误差或标准误差。在对同一对象采 用不同精度的仪器或测量方法来测量时，能够表示出测量的不同

13、精确度。但 对不同对彖进行测量时，却反映不出不同的精确度。相对误差可以评价上述两测 量结果精确度的差别。相对谋差通常用百分比表示，所以又称为百分比谋差。相 对误差e定义为：-等 xloo%将表四所测数据代入上公式中，求得：£<2x100% = 2%1八、结果性能分析经过我们的测试，本次模拟车载安全系统的设计可以达到以下指标：a. 灵活控制并随时测量显示车速和车距。b. 当速度超过设定值时就减速报警。c. 不同的车速对应不同的安全距离，当车距小于相应的安全距离时，小车发出警报，并实现转弯避障。综合分析各项指标的测试结果并与设计指标进行比较发现，本系统均能达到 设计耍求，很好的模拟了现实生活中的车载安全系统。但是也存在很多的不 足：1、系统的精度不是很高，原因是我们采用的是开环的控制策略，如果采用 闭环控制的方案将会使精度大大提高，尽管现实生活小对精度的要求不是很 高，但是作为一种设计而言，精度越高越好。2、生活中