基于北斗定位的車輛防追尾系統的研究與設計

喬應，羅亞歐

（西華大學西華學院，四川 成都 610039）

0 引言

目前隨著車輛的迅速增多，道路交通安全事故也逐漸增多，并呈逐年上升的趨勢，其中大部分交通事故是車輛追尾事故引發的[1]。為了有效預防車輛追尾，需要一種可以有效預防車輛發生追尾碰撞的裝置。本項目擬采用北斗定位技術及相關的理論研究一種可以準確測量車輛行駛狀態，發出車輛超速提示和車輛追尾風險提示，在小于安全車距時自動制動的裝置，該裝置具有廣闊的市場和應用前景。

本項目采用北斗定位檢測模塊來檢測車輛的速度和方向，可以有效判斷車輛的狀態。車輛處于運行時，系統自動開始確定車輛的位置，速度和行駛方向；雷達測距模塊檢測前方是否有車輛，若有車輛則測算出與前方車輛的車距。根據北斗獲得的車速，雷達測距模塊獲得的車距，自動與安全車距車速進行比較，判斷車輛與前方車輛是否有追尾風險。若無追尾風險，系統自動進入循環工作狀態。一些現有的防追尾系統只能判斷是否出現追尾危險，一旦達到臨界條件就會觸發警報裝置，有些時候危險等級比較低，但警報觸發的危險等級不具有清晰的辨識度，往往會起到相反的作用，增加司機的心理負擔，有些司機可能由于緊張而做出錯誤的判斷和行為。而該裝置若判斷出與前方車輛有追尾風險，處理器將分析出不同的追尾風險等級，根據不同的追尾風險等級，給予不同的語音報警提示。若危險等級較低，則開始語音報警提醒車主降低車速。若追尾風險等級較高，則開啟報警，同時語音報警循環提醒車主注意減速，直到無追尾風險為止[2]。

若需要進行超車，當車主打開超車燈控制器，轉向燈檢測模塊檢測到超車信號，系統處于自鎖狀態，在超車過程中不會進行報警提示。當車主完成超車，車主關閉超車燈控制信號，系統檢測不到超車燈信號，系統重新開始工作，繼續實時監控車輛的狀態信息。

1 系統總體結構

基于北斗定位的機動車防追尾控制系統總體結構如圖1所示。該系統包括微處理器、北斗定位模塊、雷達測距模塊、轉向燈檢測模塊、語音報警模塊、故障原因顯示模塊及直流穩壓電源。其基本工作原理是：微處理器通過北斗定位模塊實時檢測車輛速度，并通過雷達測距模塊實時檢測車輛與前車之間的距離，再將該距離與車輛當前車速所對應的安全制動距離進行比較，以判斷車輛是否存在追尾風險以及相應的風險級別。如果當前車距小于相應的安全制動距離，則判斷為存在追尾風險，且車距越小，則相應的風險級別越高。當微處理器判斷出車輛存在追尾風險時，將控制語言報警模塊發出限速及安全預警提示，并在風險級別越高時，發出不同的安全預警提示，以達到更好的警示效果，從而有效預防車輛追尾事故的發生。另外，轉向燈檢測模塊用于檢測車輛的轉向信號，如檢測到轉向燈已開啟，說明車輛正在變道行駛，此時將關閉語言報警模塊功能；而當車輛轉向信號消失，則重新開啟語言報警模塊功能。當系統運行出現故障時，可以在故障原因顯示模塊上顯示對應故障原因及解決方案。該控制系統結構簡單、性能可靠，具有較好的應用價值。

圖1 系統總體結構框圖

2 硬件設計

硬件設計包括北斗定位模塊、雷達測距模塊、電路及PCB板設計等，各部分設計將根據系統總體設計方案分步進行，其中的硬件設計和主要元器件選型簡要介紹如下：

（1）北斗定位模塊。采用Vogo公司所產型號為VOGO-919的北斗定位模塊。該北斗定位模塊檢測精度從之前的10米大幅增加至1-2米，并且該模塊內置電池，即使電瓶拆除也能持續工作3-8個小時。目前的北斗導航系統擁有兩項重大改進，首先是道路規劃時間大幅縮短，從之前的30秒降至3秒；其次是定位精度的提升，定位精準在1-2米級別，超越美國GPS，成為精度僅次于歐洲伽利略系統的定位導航系統，現階段也已經可以判斷車輛是在主路行駛還是在輔路行駛。該北斗定位模塊能夠完成相關的測量要求，可以很好地檢測出車輛的實時狀態[3]。

（2）雷達測距模塊。采用24 GHz FMCW雷達系統。該模塊的數字基帶處理模塊采用STM32F407微處理器，可完成數據采集與信號特征提取以及系統控制。系統測試電路對目標物距離的測量結果較準確，在12m～90m范圍內測量誤差不超過10%，該車載測距雷達能夠實現90m的距離測量。這款24GHz FMCW車載測距雷達系統的設計結構簡單、體積小，可滿足雷達測距基本要求，能夠作為車載防撞雷達原型機進行車載防撞雷達系統的研發。

（3）電路及PCB板設計。本項目的電路圖如圖2所示，PCB板設計圖如圖3所示。本項目的PCB板設計采用Altium Designed軟件進行繪制，利用該軟件進行基本的電路原理設計，再由電路原理圖直接轉化為PCB原理圖，然后手動將各個元器件位置在PCB板上排列好，最好將各個引腳的元器件用導線連接。完成上述所有步驟后，通過軟件的“Design Rule Check”選項來對PCB板做最后的編譯與檢查，當軟件提示無錯誤無警告之后，整個PCB板的設計就完成了。

圖2 電路圖設計

圖3 PCB板設計

3 軟件設計

本裝置的基本軟件流程圖如圖4所示。本裝置先使用北斗定位模塊檢測車輛行駛狀態，以輔助測試模塊對車輛速度進行檢測，雷達測距模塊測量出與前車的距離，然后運用算法對實時情況進行分析，判斷是否打開變道裝置，是否有追尾危險。如果沒有打開變道裝置，而且有追尾危險，系統將會觸發語音提示，緊接著觸發報警提示，若打開變道裝置或者沒有追尾危險，將繼續檢測車輛的行駛信息，從而達到預防追尾事故的發生[4]。

圖4 程序流程圖設計

4 創新點

采用北斗定位檢測模塊來檢測車輛的速度，判斷車輛的行駛狀態，并與雷達測距模塊測出的車距相結合，與各時速的可能追尾臨界車距范圍進行比較，判斷不同的危險等級，進行分級預警，達到防止追尾事故的目的。

5 技術關鍵

采用北斗定位的方式對車輛進行定位并對其行駛狀態中的速度等參數進行測量，通過算法判斷是否處于或超越可能追尾臨界車距范圍，確定其車輛是否有追尾風險并分級預警。

6 常見故障分析

6.1 故障現象1：北斗定位模塊不能提供定位信息

6.1.1 北斗定位模塊供電電壓異常

分析和解決方法：檢查北斗定位模塊的供電電源電壓是否正常，若不正常，檢查電源模塊的輸入電壓是否正常，若其輸入電壓正常，則是電源模塊出現了故障，需更換該電源模塊；否則，需檢查外部供電電源。

6.1.2 北斗定位模塊出現故障

分析和解決方法：如果北斗定位模塊的供電電壓正常，而北斗定位模塊不能實現正常的定位功能，同時其定位指示燈也沒有正常顯示，則可斷定是北斗定位模塊出現了故障，需更換該北斗定位模塊。

6.2 故障現象2：液晶顯示屏不能正常顯示信息

6.2.1 液晶顯示屏供電電源出現故障

分析和解決方法：檢查液晶顯示屏的供電電壓是否正常，若不正常，則檢查其電源模塊的輸入電壓是否正常，若其輸入電壓正常，而電源模塊不能給液晶顯示屏提供正常的供電電壓，則是電源模塊出現了故障，需更換該電源模塊[5]。

6.2.2 液晶顯示屏出現故障

分析和解決方法：如果液晶顯示屏的供電電壓正常，液晶顯示屏的通信線路連接也正常，而液晶顯示屏不能正常顯示信息，則可斷定液晶顯示屏已損壞，需更換該液晶顯示屏。

6.3 故障現象3：無法獲得與前車的車距

6.3.1 雷達測距模塊出現故障

分析及解決辦法：檢查雷達測距模塊的指示燈是否正常點亮，若沒有，可能是雷達測距模塊供電部分出現問題，應檢查供電部分線路。若電源指示燈正常點亮，則是雷達測距模塊出現問題，可以更換雷達測距模塊。

6.3.2 雷達測距模塊安裝出現錯誤

分析及解決辦法：查看雷達測距模塊的安裝位置，看雷達測距模塊是否處于正常的安裝位置，雷達測距模塊應該處于正向向前的位置。若沒有，應該調整好位置，在調整中，注意不要損壞雷達測距模塊。

7 結語

目前隨著車輛的迅速增多，道路交通安全事故也逐漸增多，其中大部分交通事故是由車輛追尾事故引發的。為了有效預防車輛追尾，目前普遍使用毫米波雷達、激光技術等方式實現車輛間距的測量，再根據車速與車間距的關系評估追尾風險。但這類防追尾裝置的測量器件都是安裝在車輛上，易受到地形、路面車輛狀態的影響，存在較大的誤差，不能發出準確有效的預警提示，所以需要一種更精確、更能適應復雜環境的新裝置來實現車輛間距測量功能[6-7]。而基于北斗定位的車輛防追尾裝置利用北斗定位模塊可以準確獲得車輛的速度，行駛方向，雷達模塊可以準確測量車輛間的距離，在車輛速度超過安全速度時，分級報警并限速，達到預防車輛追尾的作用。該控制系統結構簡單、性能可靠、成本低，有較好的應用價值與實用價值，能在更大程度上減少交通事故的發生，為人們開車出行保駕護航，減少因交通事故而造成的經濟損失。