多路況下汽車防碰撞及行人保護預警系統設計

劉樹峰，呂釗欽

山東農業大學機械與電子工程學院,山東泰安 271018

在各國事故的類型調查中發現，引起交通事故的最主要原因是由于機動車駕駛人失誤，其在各種事故中的原因中所占比例高達80%～90%，在我國所占比例達到95%以上[1]；汽車的正面追尾碰撞和側面碰撞占交通事故的90%以上。為解決傳統研究中將汽車縱向[3]和橫向[4]分開研究，造成系統冗余復雜，和未考慮不同路況條件對汽車防碰撞系統影響的問題[5-7]，本設計對汽車防碰撞[5]和行人保護進行綜合的研究。從主動保護入手，設計基于毫米波雷達和超聲波測距雷達的縱向防碰撞、橫向行人保護以及轉彎過程預警保護綜合系統。

1 系統組成和工作原理

1.1 系統組成

多路況下汽車防碰撞及行人保護預警系統主要包括以下幾部分，如圖1：測距雷達收發模塊:端收回波信號，完成雷達信號的發送和接收。數據采集調制模塊：實時的采集回波信號，并且進行相應的數模轉換，以供信息處理系統的使用。信息處理模塊：即微處理器控制單元，接收來自數據采集調制系統的信息，并且進行數據分析，從而判斷行駛安全性。聲光報警顯示模塊：分為聲音報主要是兩種測距雷達，即毫米波測距雷達、超聲波測距雷達，雷達產生所需的波頻信號，通過接收警和燈光報警，根據不同的安全情況，進行不同報警，并且對相應信息進行顯示。輔助制動模塊：控制汽車電子制動器、離合器等，在緊急情況下輔助駕駛員制動汽車，同時安全帶預緊裝置工作，保護駕駛員。傳感器感知模塊:通過汽車轉向系統傳感器，油門踏板位置傳感器，制動踏板位置傳感器，以及溫度，速度等傳感器綜合感知汽車行駛狀態，從而減少誤警率和虛警率。路況選擇控制模塊：主要包括系統開關和路況模式選擇開關，控制系統開閉和不同路況模式的選擇，以及輸入鍵盤進行路況控制。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of system

圖2 系統原理圖Fig.2 Principle diagram of system

1.2 工作原理

根據不同路況下的附著系數建立不同汽車安全距離模型，選擇相應路況的距離安全模型，在正面防碰撞中采用毫米波雷達對前方車輛距離、速度差等進行測量，一般狀況下，聲光系統預警，提醒駕駛員，緊急狀況下，能夠進行緊急輔助制動。在側面安全保護中，主要利用超聲波測距雷達對汽車兩側駕駛員視覺盲區的行人、車輛等障礙物進行監測，特別是在汽車轉彎過程中實時測量汽車內輪差內的障礙物，及時提醒駕駛員，并采取一系列緊急措施。通過汽車轉向系統傳感器，油門踏板位置傳感器，制動踏板位置傳感器，以及溫度、加速度等傳感器綜合感知駕駛員駕駛狀態，從而減少誤警率和虛警率。系統在較高車速下才工作，較低車速時自動關閉。結構如圖2。

2 控制系統

主要由毫米波測距雷達和多個超聲波測距傳感器組成的測距電路、數據調制電路、主控制電路、報警顯示控制面板電路以及輔助制動電路組成，如圖3。

報警顯示控制面板主要由顯示器、報警蜂鳴器、報警LED燈、模式選擇開關等組成，來完成系統的主要數據分析控制，主從機之間的數據通信以及報警、顯示和模式選擇功能。并且接收車速、制動踏板位置等傳感器的信號，進行分析處理，實時監控汽車行駛狀態。當從機發來測距數據，主機計算之后做出相應操作。緊急情況下，控制安全帶收緊、輔助制動裝置輔助駕駛員控制車輛。

3 軟件系統與距離模型建立

3.1 系統主程序模塊

首先調用初始化模塊和路況選擇模塊，完成系統的初步設置。根據不同的情況完成不同行駛狀態下的全方位主動保護，并在顯示面板上顯示相關行駛環境數據，主程序流程如圖4。

3.2 系統防碰撞程序與縱向安全距離模型建立

圖3 報警顯示控制面板電路圖Fig.3Alarm display control panel circuit diagram

圖4 系統控制主程序流程圖Fig.4 System control flow chart of main program

3.2.2 縱向安全距離模型建立 選取四種最具代表性的路況模式，即：正常路況模式、雨天路況模式、冰雪路況模式、山地路況模式。不同路況模式下路面附著系數φ、安全距離補償Sc取不同值。建立系統的安全距離計算公式：

式中：t1為系統反應及動作時間（s）；t21為汽車減速度線性增長時間（s）；t22為持續制動時間（s）；，Vo為汽車與前方障礙相對速度（m/s）；Φt為不同路況上的路面附著系數。

式中：ta為報警提醒駕駛員時間（s）；t12為駕駛員反應時間（s）。

3.3 系統彎道及側面保護程序與安全模型建立

3.3.1 彎道及側面保護程序模塊 傳感器判斷汽車的行駛狀態，選擇調用側面保護程序或者彎道保護程序，采用超聲波測距傳感器對汽車內輪差、盲區形成危險區域內的車輛行人距離進行測量，當距離小于安全距離時，聲光系統預警，提醒駕駛員。傳感器實時測量與汽車周圍距離情況并顯示。汽車轉向系統傳感器感知駕駛員駕駛狀態，溫度傳感器修正超聲波測距，從而提高系統的準確率，程序如圖6。

超聲波測距探頭安放位置在汽車兩側對稱分布。共安裝四個超聲波測距探頭，編號分別為L1、L2、R1、R2,L1、R1分別安裝于汽車的車頭前部左右后視鏡的下側，L2、R2安裝于汽車駕駛室的后下部的左右兩側。

圖5 系統防碰撞流程圖Fig.5 System anti-collision flow chart

圖6 系統彎道及側面保護流程圖Fig.6 Corners and side protection system flow chart

3.3.2 彎道保護預警距離建立 根據不同汽車的軸距和輪距建立安全距離模型，方向盤角度傳感器判別汽車轉彎方向，計算出汽車最大內輪差，將最大內輪差作為彎道保護安全距離。

預警距離數學模型：根據內輪差的定義，最大內輪差m，彎道安全距離Sc等于最大內輪差m，所以：

式中：r為汽車最小轉彎半徑（m）；l為汽車軸距（m）；d為汽車后輪距（m）。

針對傳統訓練方式的不足，基于虛擬現實技術的培訓方式受到了廣泛關注。基于虛擬現實技術，程伯文等人開發了林木聯合采育機虛擬訓練系統，用于林木采育機的仿真訓練[2]。張曉曦等人開發了工程船克令吊交互仿真系統用于克令吊操作人員的實操訓練，解決了傳統訓練方式周期長、成本高且安全風險大等問題[3]。史艷楠等人開發了礦井提升機虛擬實訓裝置，用于礦井提升機的操作訓練[4]

3.3.3 側面保護預警距離建立 參照《中華人民共和國道路交通管理條例》第四十九條中關于機動車會車的規定及《公路工程技術標準》等數據要求得到的側向最小安全間距：

式中：V1為自車速度（m/s）。側面預警保護中左右安全距離相同。

安全距離仿真如圖7、8。

圖7 正常路況下縱向輔助制動距離仿真Fig.7 Longitudinal assisted braking distance simulation under normal road condition

圖8 正常路況下縱向報警提醒距離仿真Fig.8 Longitudinal distance alarm to remind simulation under normal road condition

4 系統試驗及調試

4.1 PCB電路板設計與硬件調試

控制系統分為兩部分：主機部分和從機部分。主機部分主要由顯示電路、報警電路、路況選擇電路、多種傳感器及相關電磁兼容保護電路等組成。從機則由測距傳感器、AD轉換電路和與主機的通信電路等組成。

首先，對系統初始化模塊、系統主程序模塊、路況選擇程序模塊、報警抑制程序模塊、鍵盤輸入和顯示處理模塊、聲音燈光報警模塊和各種傳感器控制程序模塊分別進行硬件檢測。之后，采用Keil軟件仿真程序，查看變量和寄存器顯示窗口，檢測輸入和輸出結果。同時利用MATLAB對安全距離模型進行仿真。

4.2 整車調試

在完成各個分模塊的調試之后，進行整車調試。測距雷達實時檢測汽車行駛環境，根據不同的安全情況進行相應的操作。完成了對汽車安全距離模型的的參數測定和檢驗。由于通過實際駕駛的整車調試數據不易獲得，故通過靜止試驗車輛，采用不同速度移動的汽車和行人來代替汽車行駛過程中障礙物，來檢驗系統的可行性；設置不同的路況行駛參數，來模擬檢驗不同行駛路況下的汽車安全距離。通過整車調試，能對不同距離障礙物采取不同措施，并能夠根據不同路況建立不同的安全距離模型，如圖9。

系統試驗參數，如表1。正常路面和冰雪路面對比如表2所示：通過實車試驗，在正面縱向碰撞中，選取幾組試驗數據與安全距離仿真數據進行對比，相對誤差皆在7%之內。

圖9 整車調試及顯示面板硬件Fig.9 The hardware of vehicle debugging and display panel

表1 系統試驗參數Table 1 Parameters of system test

表2 正常路況和冰雪路況下安全距離仿真及試驗數據Table 2 Safety distance simulation and experimental data under normal road condition and snow road condition

5 結論

（1）將汽車橫向和縱向主動保護結合起來，提高控制的效率。對汽車正面的碰撞在不安全情況對駕駛員提醒報警，非常危險情況下能夠進行輔助制動，減少制動距離，保證車輛的安全；對汽車側面以及駕駛盲區的行人、車輛能夠進行預警，避免側面的刮擦；在汽車轉彎過程中，能夠對汽車轉彎半徑內的障礙物進行監測，保證汽車轉彎安全，避免轉彎刮擦、碾壓事故的發生。

（2）通過多種傳感器監測駕駛員的駕駛行為，理解駕駛員的駕駛意圖，減少系統的虛警率和誤警率。系統的路況選擇模塊針對汽車行駛的不同路況進行選擇，建立不同的安全距離模型，最大限度的減少碰撞事故的發生，保證汽車行駛安全。

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