汽車智能預警防撞剎車系統研究

莫舒玥，林土淦

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

0 引言

道路上經常發生因駕駛員技術不嫻熟，跟車距離太近未及時剎車等導致的機動車追尾事故，甚至引發人員傷亡。因此，國外汽車企業已經開始研發車輛智能防撞剎車系統，如沃爾沃的City Safety主要通過車身周圍的攝像頭和傳感器感應路況，系統控制車輛實現自適應巡航、主動剎車等功能；奔馳公司利用毫米波雷達探測前方車輛運行情況，通過處理毫米波雷達返回的電波判斷危險級別自動調節車速，使之與前車保持安全距離，避免事故發生[1]。

國內開展相關研究的主要是高校。吉林大學團隊利用激光雷達、毫米波雷達、高精度定位GPS等設備搭建了整車控制系統，實現了道路的3D建模以及典型道路工況下的自動駕駛[2]。長安大學團隊結合機器視覺圖像處理技術和Zig Bee傳輸技術，通過識別前方車牌的方式，在此基礎上開發車輛行駛狀態的汽車防撞預警模型[3]。河南護航公司開發的護航衛士AEBS主動預警防撞輔助主要通過激光測距雷達測距測速，通過信息處理控制模塊進行數據處理和判斷并通過制動電機控制剎車實現前向碰撞預警和自動剎車功能。國內市場目前的汽車智能預警防撞剎車系統產品非常少，且價格超過2萬元。因此，研發汽車智能預警防撞剎車系統，對保障行車安全很有意義，此系統在提升車輛道路安全行駛方面具有很大的市場前景，如實現規模生產，售價可以降至8 000元以下。

1 設計思路及原理

智能防撞剎車系統通過實時監測車輛前后方(倒車時檢測車輛后方)道路狀況，判斷與障礙物相對距離是否處于設定的安全閾值內，如果低于報警的一級安全閾值，系統應能發出聲光報警，如果此時駕駛員沒有剎車，且同時距離進一步縮短，低于制動的二級安全閾值，系統會主動介入剎車以避免發生碰撞事故。

1.1 設計思路

本文設計的智能預警防撞剎車系統應實現以下功能：車速0～80 km/h內實時監測車輛前方障礙物的相對距離和相對速度；對0～10 km/h等起步或倒車情況，監測車輛前后方的車輛和行人，判斷相對距離；在10～80 km/h車速時監測車輛前方障礙物，判斷相對距離；當車輛與障礙物距離低于一級報警安全閾值時發出提醒，低于二級安全閾值時主動剎車，以最大限度避免事故的發生。同時系統盡量提高反應準確性。

1.2 設計原理

該汽車智能預警防撞剎車系統主要由測量感應模塊、數據接收處理模塊和執行命令模塊三部分組成。

測量感應模塊主要就是通過車頭正前方的激光傳感器和車頭、車尾紅外傳感器對前方車輛或行人等進行實時探測，傳感器發送信號遇到障礙物或行人時反射回來被接收，信號經過濾波、降噪處理；同時OBD接口讀取實時車速、方向盤轉角及檔位信息；以上信息被數據接收處理模塊處理后判斷當前是否處于安全閾值內，當低于一級安全閾值時，執行聲光報警，如果駕駛員未做出正確反應，兩車距離繼續靠近，如果此時低于二級安全閾值，則制動電機驅動制動踏板進行車輛的制動。

CAN收發器主要實現數據的發送和接收功能，通過CAN總線接收傳感器信息，傳送到數據接收處理模塊，相應的執行命令也通過CAN收發器發送給執行命令模塊。系統控制原理如圖1所示。

圖1 預警防撞剎車系統控制原理圖

2 建立安全測距模型

合理地設計安全閾值，能保證系統做出正確的判斷，要實現兩個功能：(1)預警后駕駛員有充足的時間剎車；(2)系統執行主動剎車情況下，停止后能與障礙物保持一定的安全距離。

當駕駛員遇到危險時，需要時間反應并踩制動踏板。安全距離S需滿足駕駛員意識到危險，踩下剎車，車輛開始減速直至靜止的要求。假設駕駛員意識到危險并踩下制動踏板的時間為t1，制動踏板被踩下到消除制動踏板間隙需要的時間為t2，從產生制動力到制動力達到最大的時間為t3，此時減速度達到最大值amax，此后駕駛員松開制動踏板制動力消失，減速度為零。假設初始速度為v0，則此時安全距離S為S1，安全閾值設定如式(1)所示[4]。如果前方障礙物為靜止，則車輛也應該制動到停止，且應該保持安全距離為S0，為了避免碰撞，此時設定S0最小值為2 m。

(1)

如果駕駛員沒有制動，相對距離進一步縮短，則需要制動電機驅動剎車執行器進行減速。則此時安全距離為S2，安全閾值設定如式(2)所示[4]。

(2)

經查詢資料，駕駛員反應時間t1一般為1.0～1.36 s[5]。液壓制動器消除踏板間隙的時間t2一般為0.15～0.25 s，達到最大減速度的時間t3一般為0.2 s[6]，為保障車輛盡快停止，最大減速度amax取7.5～8 m/s2。在系統設計的安全測距模型中，t1取值1.1 s，t2取值0.15 s，t3取值0.2 s，最大減速度amax取8 m/s2。

當車速<10 km/h時，因為車速比較慢，一般報警后駕駛員有足夠的時間執行剎車，因此設定安全距離S≤0.5 m時執行剎車。

系統判斷邏輯如圖2所示。系統實時探測車輛的實時車速以及與障礙物相對距離，當車速≤10 km/h時，傳感器探測車輛與障礙物的相對距離是否≤2 m且>0.5 m，如果是則采取聲光報警，如果<0.5 m，則執行剎車。如果車速>10 km/h，則傳感器探測相對距離是否>S2且≤S1，如果是則執行報警，若此時駕駛員仍沒有采取制動操作，則傳感器探測到的相對距離進一步減小，當≤S2且>S0時，自動執行剎車操作。如果相對距離不在系統設定的安全閾值內，則重新進行探測。

3 系統設計

3.1 硬件單元選擇及設計

本文設計的汽車智能防撞剎車系統包括TF03激光雷達、紅外線傳感器、STM32f103vet6單片機、CAN總線、制動電機、語音報警及顯示屏等。

圖2 智能防撞自動剎車系統判斷邏輯圖

TF03激光雷達測量距離可以達到180 m，雷達體積小，是汽車專用的用于前方探測預警防撞的最佳傳感器，安裝在車頭中網正中。

STM32f103vet6單片機芯片提供十多種接口，數據通信方便，方便連接各類模塊開發。

紅外線傳感器選用熱釋電紅外傳感器，主要裝在車頭、車尾保險杠處，各均勻分布5顆。其探測范圍達到3 m，作為激光傳感器的補充，主要探測車輛低速狀態前方和后方近距離(如起步、倒車)周圍行人、動物等障礙物。

制動執行器主要包括制動電機和單向拉桿，制動電驅動單向拉桿的齒條拉動制動踏板執行剎車的操作。不需要執行制動操作時，則不與制動踏板接觸，不影響駕駛員操作。

系統硬件設計如圖3所示。

圖3 系統硬件設計原理圖

3.2 軟件設計及電路控制原理

系統電路設計及控制原理如圖4所示。單片機U1負責與360°激光測距傳感器通信，讀取所需要的角度和距離信息；與紅外傳感器陣列通信，讀取各個位置傳感器信息，并進行測量數據的分析處理。同時，單片機U1與CAN收發器U2連接進行通信，CAN收發器U2讀取車速、方向盤轉角和檔位信號并進行數據分析處理。單片機U1對數據進行數字濾波和綜合分析，對比安全距離閾值，根據智能防撞自動剎車系統判斷邏輯控制器計算，由計算結果判斷，若需要提醒駕駛員，則將提示內容發給聲光報警電路，實現報警功能；若需要剎車，則通過控制電機控制拉桿拉動剎車踏板實現剎車。

4 試驗分析

將智能預警防撞剎車系統安裝在試驗車輛上，選擇平直、路況良好的封閉路段，在晴朗天氣條件下，于干燥水泥道路進行了0～80 km/h的實車試驗。測試內容為檢測系統是否能在車輛與障礙物相對距離低于一級安全閾值范圍時進行報警，且相對距離進一步縮短到二級安全閾值范圍時，驅動電機成功介入制動。

在試驗車輛前方停放一臺靜止車輛，試驗車輛分別以10 km/h、20 km/h、40 km/h、60 km/h和80 km/h的速度進行試驗，各試驗10次。另外，針對車輛倒車后方有障礙物(行人)的情況進行測試。試驗結果如表1所示。

圖4 主控電路板電路圖

表1 系統執行報警及制動試驗數據統計表

2.理論值指該車速下理論情況做出相應反應時試驗車輛與障礙物的相對距離(m)；

3.實際值指該車速下實際情況做出相應反應時試驗車輛與障礙物的相對距離平均值(m)

試驗結果顯示，試驗車輛在低速10 km/h以下時，系統能較好地識別判斷車輛前方的障礙物，并能發出預警或自動剎車的操作。速度在40 km/h以下時，系統反應準確率較高，隨著車速的增加，系統檢測和判斷率有所下降。

5 結語

本文設計的智能預警防撞系統，與目前市場上單獨前向或后向預警防撞有所不同，將前向預警防撞和后向預警防撞進行了融合，使得車載系統進一步簡化，但隨著車速的增加，系統的探測精度和反應準確度有所下降；另外，系統設計的安全閾值設定的數值較大，在實際的道路中，特別是城市道路中，此距離可適當縮短，以提升車多路況的適應性。經分析，下一步研究計劃可進行以下改進：激光傳感器在檢測中存在一定的誤判，可采用在前方增加一個毫米波雷達共同與激光雷達檢測的方式增加探測精度；通過改進系統控制模型以及安全閾值算法，如增加雨霧天氣、濕滑路面的安全距離模型來增加系統判斷的準確性；增加對道路旁邊樹木、路牌、隔離欄等的虛警率的處理，以應對更加復雜的道路情況，使得系統的適應性和準確性進一步提升，以適應市場的需要。