牽引車輛防追尾智能報警器設計探討

賀波　姜穎　晁興旺　曲強　申振

摘要：汽車牽引防撞系統是一種向司機發出報警的裝置，此牽引防撞報警系統能在汽車牽引過程中自動檢測障礙物，然后通過超聲波測距原理測出汽車與障礙物之間的距離，當汽車與障礙物之間的距離達到極限時，系統LED閃爍并發出聲音報警，達到提醒司機防止撞車的目的。文章對牽引車輛防追尾智能報警器設計進行了探討。

關鍵詞：汽車牽引過程；防撞報警系統；防追尾智能報警器；超聲波；單片機；自動控制 文獻標識碼：A

中圖分類號：U467 文章編號：1009-2374（2015）10-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0867

本設計利用傳感器技術、汽車ECU以及電氣控制技術，采用超聲波測距原理，當小車與障礙物的距離小于所設定的安全距離時，系統能發出聲報警，并隨著距離的不斷縮近，LED閃爍頻率不斷提高，并發出報警提示音，防止汽車在牽引過程中發生碰撞。它能夠自動檢測實時距離，當達到閥值時LED閃爍并發出警報，以提醒司機及時采取措施，避免碰撞的發生。

汽車倒車防撞測距報警器一般有四種：（1）嘀嘀聲加閃光；（2）音樂聲加閃光；（3）語音聲加閃光；（4）倒車到危險距離時發出警報聲的超聲波倒車報警器。由于很多研究都采用的是特殊難購的專用元件，使其難以推廣，本設計采用國內生產的通用元件，成本較低廉，本設計使其在整個倒車過程中自動測量車尾到最近障礙物的距離，在倒車到極限距離時會發出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車，如果和制動系統聯系在一起也可以形成自動剎車。

1 控制系統方框圖

汽車防撞控制系統方框圖如圖1所示。該系統全部由汽車ECU控制，超聲波發射電路能在汽車ECU的控制下發出超聲波。接收電路接收到信號之后送入汽車ECU進行處理。算出后車與前車之間的距離，同時對時間進行一次求導，得出兩車的相對速度，二次求導，得出兩車的加速度關系，從而根據特定的控制算法，控制聲光報警電路進行報警。

圖1 超聲波汽車防撞控制系統方框圖

2 HC-SR04超聲波模塊

超聲波測距采用的是時間差法，即在某時刻向某一方向發射一定頻率的超聲波，在發生出超聲波的同一時刻開始計時，該超聲波在空氣中以340m/s的速度傳播，當遇到障礙物時，就被立即反射回來，超聲波接受器接收到反射回來的超聲波時，立即讀取計時器的計時時間，根據該時間便可以計算出兩者的距離，該距離對時間求一階導數便是兩者的相對速度，求二階導數便可得到相對加速度。

利用以上所述原理，本設計選用HC-SR04超聲波發生接收傳感器，該傳感器可提供2～400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。控制口發一個10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計時，當此口變為低電平時就可以讀定時器的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離

多數倒車雷達的超聲波傳感器為2～3個，單個傳感器的水平探測角度為60°～70°，這樣勢必造成2～3個盲區，如圖1，而增加傳感器的個數不但會增加成本，而且會提高報警器的故障率。另外，由于等同于水平探測角度的垂直探測角度顯得過大，往往對粗糙地面發生誤報，如果改為探測角度為30°的傳感器不會誤報，但是不能有效地探測約30cm高的路堤，造成倒車時碰到后保險杠的問題。

3 測距基本工作原理

聲音在真空中傳播速度為340m/s，利用汽車ECU中自帶的計時器功能，讀取發射出超聲波到接收到超聲波的時間，根據發射和接收的時間差便可以計算出后車到前車的實際距離，其原理與雷達測距原理是一樣的。

另外，超聲波測距誤差主要有時間測量誤差和速度傳播誤差：（1）時間測量誤差。假設超聲波在當地的傳播速度已知，只要在達到微秒級的傳播時間計量差值精度，就可以保證測距誤差小于1mm，這對于該設計完全足夠；（2）超聲波傳播速度誤差。當溫度為20℃時超聲波傳播速度為346m/s，30℃時是350m/s，每攝氏度超聲波傳播速度差值為0.4m/s，由此看來溫度所引起的誤差也是相當小的，在此完全可以忽略不計。

具體實現步驟如下：（1）采用汽車ECU的IO口TRIG觸發測距，首先產生至少10us的高電平信號；（2）當該電平信號生成時，模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；（3）當有信號返回時，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。

測距公式為：

（1）

式中：

——兩車相距距離

——高電平持續時間

4 穩壓電路

LM2940芯片是一個正向低壓降穩壓器，在1A電流下壓降為1.2V。LM2940有兩個版本：固定輸出版本和可調版本，固定輸出電壓為1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精度；固定輸出電壓為1.2V的精度為2%。LM2940內部集成過熱保護和限流電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇。因此，該設計選用此芯片完全能夠滿足需求，實現預定的功能，為各個模塊輸送穩定的電壓。穩壓電路如圖2所示：

圖2 LM2940穩壓模塊原理

5 報警二極管電路與報警蜂鳴器模塊電路設計

報警二極管采用普通的發光二極管，該二極管的特點是工作電壓低，工作電流很小，抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長，并且成本較低。通過改變流過報警二極管的電流強弱，可以方便地調制發光的強弱。

報警蜂鳴器模塊電路采用一個蜂鳴器進行報警，利用汽車ECU控制輸出一個一定頻率的信號。信號通過一個三極管，把信號放大，以增強驅動能力。然后將放大之后的信號連接到蜂鳴器上，當汽車ECU預測到險情將要發生時，便產生一定頻率電流，驅動蜂鳴器發出報警信號。報警部分裝置的設計圖如圖3、圖4所示：

圖3 報警二極管電路圖

圖4 報警模塊電路圖

6 結語

本文是基于汽車ECU控制原理、超聲波測距原理而設計的。它能自動實時檢測距離前車的距離、速度和加速度，當該系統預測到險情將要發生時，發出警報提醒司機采取規避措施，防止汽車發生碰撞。本文以超聲波測距為核心，具有功能完善、性能好、電路簡單、工作穩定等特點，大大提高了汽車牽引過程中的安全性。雖然測量的精度往往只能達到厘米數量級，但這對于行駛的汽車來說完全滿足要求。該設計經過多次試驗驗證，性能可靠，工作穩定，能夠實現預期功能，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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作者簡介：賀波（1993-），男，山東棗莊人，就讀于山東理工大學，研究方向：車輛工程。

（責任編輯：周 瓊）