汽車智能避讓控制系統設計與研究

高建偉，李海涵

（1.滕州市中等職業教育中心學校，山東棗莊 277000；2.棗莊科技職業學院，山東棗莊 277000）

0 引言

隨著全球汽車保有量的日益增加，道路交通安全事故發生率居高不下，成為較為嚴重的社會問題，在一些不良駕駛條件下，顯得尤為突出，比如惡劣天氣、超速、疲勞駕駛等。目前，安全駕駛性能[1]的提升仍是汽車研發領域的最關鍵問題之一。為了降低車輛碰撞事故的概率，國內外學者對緊急避讓系統[2]展開深入研究，并且逐漸在民用車輛領域內得到良好的發展和應用。諸多汽車廠商對于避讓系統的設計主要基于攝像頭、雷達等設備，重點考慮低速條件下的避讓，即采用制動方式進行防撞控制，有助于駕駛員緊急制動時的臨場反應。但是，在復雜的道路狀態，該方式并不能完全滿足駕駛員要求。為此，更多的研發人員采用激光、超聲波或紅外線采集車輛周圍的障礙信號[3]，設計智能避讓或越障系統，為駕駛員提供必要的預警信息或控制信號。綜合考慮可靠性和性價比，提出了一種基于紅外測距方法的汽車智能避讓控制系統，在中距離障礙物的判斷方面有著顯著優勢，可以有效地解決大霧等惡氣天氣帶來的行車不便。

1 系統工作原理

1.1 紅外測距

所設計的汽車智能避讓功能是基于紅外測距[4]原理實現的。一般情況下，實現紅外測距的基本要求為紅外發射和接受功能，通過紅外線的傳輸時間折算出避障間距。由于環境中的無線信號較多，需要系統設定特定的紅外光頻，避免被其他信號混淆或干擾。

然而，常規的紅外測距裝置僅適用較短距離，大大限制了系統的功能和汽車行駛的安全性。因此，新開發的系統采用特定的紅外傳感設備，其基本結構包括紅外發射光管、接收控制端以及信號輸入/輸出端口等。此外，要求紅外發射光管具有較大的功率，不但能確保測量的可靠性，而且可以提升信號的抗干擾能力。信號的輸入/輸出模塊需要采用標準電壓，以便于距離準確性的校對。

1.2 功能設計

為了提升系統的可開發性[5]，采用DSP2812 作為汽車避讓控制系統的核心處理器。所設計系統具備的基本功能包括：①最近障礙物的距離顯示，實現60 km/h 以上行駛速度的測量偏差在5%以內，20～60 km/h 范圍內行駛速度的測量偏差在2.5%以內；20 km/h 以內行駛速度的測量偏差在1%以內；②可以根據要求設定障礙物距離的預警值，執行聲光報警；③具有良好的交互性，便于系統硬件升級；④通信穩定，實時性強。為了進一步增強系統的可靠性和安全性，將GPS 與紅外高速傳感器配合使用，將系統模塊化，這樣能夠使得智能避讓控制系統在汽車安全行駛中有著更好的應用效果。

根據功能類型，系統的子模塊主要包括紅外高速測距模塊、顯示模塊、報警模塊、JTAG（Joint Test Action Group，聯合測試工作組）接口模塊以及SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）接口模塊等。其中，JTAG 接口模塊提供了程序調試、上傳和下載端口，并且能夠通過RS232 升級軟件系統。根據功能原理可知，紅外測距功能由DSP2812 控制。當系統啟動后，DSP2812 接收上位機或駕駛員指令進行實時測距。紅外線從發射到接收期間，傳感器將輸出瞬態電壓信號，并通過A/D 轉換后由控制器識別。DSP2812 通過數據處理得出目標障礙物的距離，并通過軟件內特定的算法規劃出最佳避障路線。

在汽車行駛過程中，車輛位姿是動態變化的，導致紅外測距存在角度偏差。為此，系統設定高速紅外傳感設備的機械底座為二維工作臺，通過2 個步進電機實現工作臺的180°內旋轉，運動范圍設定為250 mm。雖然該工作臺主要實現傳感器位置和狀態的改變，精度要求相對較低，但為了確保其穩定性，需要對驅動電路進行設計。

2 系統設計和調試

2.1 關鍵電路設計

在該系統的可靠性設計中，除了硬件的最優化選型外，還要求重點對高速紅外傳感設備機械底座的驅動方式以及A/D 轉換過程進行設計。為此，設計二維工作臺的驅動電路和A/D 轉換等電路（圖1）。

圖1 二維工作臺的驅動電路

從圖1 中可以看出，J3 為外部可擴充的電機接口，步進電機采用自動控制方式，控制指令為直接識別的PWM 信號，但是需要通過三極管8050 等進行放大，而且根據二極管4007 執行電壓保護功能。在A/D 轉換過程中，主要通過ADC0804Q 實現信號的采集，并傳輸至控制器DSP2812。A/D 轉換器ADC0804為典型的8 位、1 通道的模/數轉換器，輸出電壓為0～5 V，具有顯著的性價比特征，適用于精度要求相對較低的條件。

2.2 系統調試和測試

硬件設計完成后，需要進行不斷調試才能達到理想工作狀態。在系統調試過程中，發現系統內的硬件存在以下問題：①對于功率器件，其驅動部分存在一定設計缺陷；②存在通信干擾。對于以上問題，系統采用以下優化方案：①在驅動電路的電源回路中加入隔離電源，可有效避免功率線的影響，增加驅動電路的安全性和可靠性；②數據通信采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網絡）總線方式，且供電電壓改為12 V，此時，當通信線產生的壓降≤5 V 時，仍能保持較強的通信強度。

系統調試后，在車輛行駛過程中進行精度測試。在空曠的區域設定障礙物，并對車輛和障礙物進行標定。在不同行駛速度下，在特定位置對車輛和障礙物之間的距離進行測量。該系統具有較高的測量精度，完全滿足功能設計要求。

3 結束語

新設計的汽車智能避讓控制系統可以大大降低車輛碰撞的發生率，對于安全駕駛有著重要意義。由于整個系統是基于紅外測距原理實現的，非常適用于大霧、大雨、夜行或其他低能見度的駕駛條件。此外，該系統充分考慮到測量的精度和可靠性，滿足功能設計要求，可擴展能力強，為后期的開發或升級提供良好的基礎和先決條件。