汽車智能防撞系統(tǒng)

黃志芳 宋世杰 陳澤銳 饒皆昌 何梓杰 甘海杰

摘 要：汽車智能防撞系統(tǒng)通過車載傳感器，自動采集、分析和處理汽車周邊物體信息，當汽車與目標物體小于設定值時，提前啟動自動剎車系統(tǒng)，可有效降低各類交通事故發(fā)生的概率。文中設計的汽車智能防撞系統(tǒng)采用STC12C5A60S2作為主控芯片，主要由前置剎車系統(tǒng)、后置剎車系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)等構成。前后置剎車系統(tǒng)將測量數據傳輸至主控芯片進行處理，啟動防撞控制模塊工作，汽車剎車板下拉實現汽車智能防撞;反饋系統(tǒng)將反饋信號發(fā)送至主控芯片，剎車成功則語音播報已剎車，若是剎車失靈則播報提醒司機進行人為剎車。實驗結果表明，所設計系統(tǒng)成本低，安裝簡單，在現今汽車走入千家萬戶的背景下，有著非常廣闊的市場應用前景。

關鍵詞：智能汽車;自動剎車系統(tǒng);車載傳感器;反饋系統(tǒng);語音播報;智能防撞系統(tǒng)

中圖分類號：TP212.6;TN915文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

根據相關調查資料顯示，車禍在全國意外事故的總數占據首位，且我國每年有超過26萬人在交通事故中身亡。自動剎車防撞系統(tǒng)由于成本高昂，無法大規(guī)模推廣應用到普通家用轎車中。因此，研發(fā)一套適用性廣、價格適中、可靠性高的汽車智能防撞系統(tǒng)就顯得尤為重要和緊迫。本文設計的智能防撞系統(tǒng)在剎車失靈的緊急情況下通過聲光電的作用提醒駕駛員介入剎車，避免交通事故的發(fā)生。本系統(tǒng)所采用的模塊生產成本低、可移植性強、來源性廣，大大降低了系統(tǒng)的生產成本，有效地提高了系統(tǒng)的性價比，易于在全國各地推廣應用[1]。

本文通過對傳感器的綜合運用，對采集到的數據進行處理、分析得到相應的結論，驗證了所設計系統(tǒng)的安全性、可靠性和實用性。

1 系統(tǒng)的硬件結構

本系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，以STC12C5A60S2微控制器作為核心，搭載顯示屏、獨立按鍵、XFS5152CE語音播報模塊、繼電器、電機和反饋裝置，測距系統(tǒng)包括激光和超聲波測距模塊等。

本文采用STC12C5A60S2微控制器，其片內集成了

60 KB程序FLASH、2通道PWM、16位定時器等資源，自帶軟件看門狗和系統(tǒng)調試功能（ISD），運行速度快，開發(fā)環(huán)境較易搭建，能滿足系統(tǒng)設計要求。

1.1 語音播報

語音播報模塊采用科大訊飛的XFS5152CE語音合成模塊。XFS5152CE的UART接口與微控制器可直接連接，接收來自微控制器的數據，根據數據處理結果播報相應語音提示[2]。

1.2 自動剎車功能

剎車裝置如圖2所示，固定于汽車底部。該裝置利用一根長度適中的鋼絲線，一端與汽車的剎車踏板連接，另一端與剎車裝置的空心鐵條相連，鐵條上有4顆平底螺絲釘用于固定鋼絲線，將空心鐵條固定在齒輪上，通過齒輪的轉動使空心鐵條左右移動，空心鐵條收緊固定的鋼絲線，使汽車剎車踏板下拉實現剎車[3]。

1.3 障礙物距離檢測

汽車在行駛過程中需時刻探測周邊障礙物，當汽車與障礙物之間的距離達到預置危險距離時，則需要減速或剎停汽車。汽車在行駛時，汽車周邊會有各種各樣的干擾，會使防撞系統(tǒng)誤觸，因此本文把智能防撞系統(tǒng)分為前置剎車系統(tǒng)和后置剎車系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)各自獨立工作。另外，設置一鍵開關，在緊急情況可關閉自動剎車系統(tǒng)。

1.3.1 前置剎車系統(tǒng)模塊

汽車在前進時，前車燈電路正常運行而后車燈不工作，所以前置剎車系統(tǒng)的核心控制板可以通過前車燈電路供電。前置剎車系統(tǒng)采用測距50 m的激光傳感器檢測與障礙物之間的距離，當距離達到預置距離時，自動剎車系統(tǒng)啟動，語音模塊播報相關信息。激光測距模塊如圖3所示[4]。

1.3.2 后置剎車系統(tǒng)

后置剎車系統(tǒng)核心板利用汽車后車燈供電，因為汽車在倒車時，速度較慢，所以采用檢測范圍極廣的4路一體化超聲波模塊檢測與障礙物之間的距離[5]。當汽車與障礙物之間距離為1 m時，先剎車再松開，減緩倒車速度并警示司機已到達危險距離;當汽車與障礙物之間的距離達到20 cm時，則自動剎停。后置剎車系統(tǒng)如圖4所示[6]。

1.4 按鍵調節(jié)功能

因為不同車輛的外觀、內部構造都存在一定的差異性，影響剎車距離的設置，所以本系統(tǒng)將剎車的危險距離通過顯示屏顯示，再通過按鍵對其數值進行調節(jié)[7]，降低不同車輛間的性能差異[8]。

2 軟件設計與實現

2.1 激光距離檢測

激光傳感器通過發(fā)射激光，收集并處理從光脈沖發(fā)出到返回接收所經歷的時間，通過公式計算即可得到與障礙物目標的距離，最后將距離數據發(fā)送給控制芯片。激光測距流程如圖5所示[9]。

2.2 超聲波距離檢測

超聲波模塊通過定時器計算超聲波發(fā)出和返回的時間，通過公式計算得到障礙物與后車尾之間的距離，4路超聲波通過互相比較得出與汽車最近障礙物的距離，此距離就是超聲波測距的最終結果。超聲波測距流程如圖6所示[10]。

2.3 自動剎車

汽車在前進和倒車過程中，激光和超聲波分別將檢測到的距離傳輸給各自的微控制器，單片機接收數據后對其進行處理，判斷是否啟動自動剎車系統(tǒng)。自動剎車流程如圖7所示。

3 實驗結果

本系統(tǒng)采用帶有剎車踏板的模型車進行試驗，實物圖如圖8所示。通過測試汽車智能防撞系統(tǒng)在行進狀態(tài)和倒車狀態(tài)下，自動剎車功能正常啟動，前后障礙物距離檢測誤差2～5 cm，汽車剎車時與障礙物之間的距離誤差10 cm，系統(tǒng)響應時間約1 s。

4 結 語

配備智能防撞系統(tǒng)已成為汽車的發(fā)展趨勢，然而我國的汽車保有量龐大，現有汽車配置汽車與智能防撞系統(tǒng)一體化需要資金成本高，若沒有可拆卸的智能防撞系統(tǒng)，大量的舊車將會被淘汰。本文研究開發(fā)的汽車智能防撞系統(tǒng)可解決此類問題，該系統(tǒng)可安裝于市面上絕大部分的汽車，具有可移植性高、成本低、可靠性高等優(yōu)點，可節(jié)約大量資源成本。

本文方案還有進一步的優(yōu)化空間，改善方向大致如下：

（1）加快系統(tǒng)的響應時間，降低剎車的距離誤差;

（2）增大前置剎車系統(tǒng)掃描范圍，減少系統(tǒng)盲區(qū);

（3）增加汽車測速功能，根據不同的速度自動調節(jié)剎車的危險距離;

（4）根據汽車與障礙物之間的距離，控制汽車在一定速度范圍內行駛，防止突發(fā)情況時，系統(tǒng)響應不及時。

參考文獻

[1]鮑偉亮，張曉壯，吳軻，等.車輛防追尾預警剎車系統(tǒng)的設計探討[J].農機使用與維修，2019（3）：1-3.

[2]伍森.基于XFS5152CE的CAN總線聲光報警系統(tǒng)設計[J].電子世界，2017（11）：198-199.

[3]王文學.機動車防碰撞的自動剎車裝置探討[J].今日科苑，2011（6）：162-163.

[4]顏慧佳.基于激光測距的智慧停車管理系統(tǒng)研究與設計[J].激光雜志，2019，40（8）：150-154.

[5]張彬彬.基于STM32的多通道超聲波測距系統(tǒng)設計[J].電子制作，2019（19）：84-85.

[6]薛晶晶，周旭，董宇欣，等.基于STC89C52的超聲波導盲系統(tǒng)設計[J].物聯網技術，2019，9（9）：70-73.

[7]曹曉龍.基于51單片機的按鍵識別實驗內容設計[J].課程教育研究，2019（19）：223.

[8]解文軍.也談提高單片機按鍵軟件可靠性的方法[N].電子報，2019-02-17（9）.

[9]徐恒梅.激光測距系統(tǒng)的設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[10]董云峰，董迎霞.基于單片機的倒車雷達系統(tǒng)設計[J].大慶師范學院學報，2019，39（3）：47-50.