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1、 基于單片機的汽車防撞報警系統(tǒng)設計 1 2020 年 4 月 19 日 第 1 章 概 述 1.1 課題研究背景和意義

2、 汽車業(yè)與電子業(yè)是世界工業(yè)的兩大金字塔，隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，在現代汽車上，電子技術的應用越來越來廣泛，汽車電子化的程度越來越高。隨著交通運輸向高密度發(fā)展，電子控制技術進一步應用于汽車的乘坐安全性和導航方面。電子技術在汽車安全控制系統(tǒng)的應用主要是為了增強汽車的安全性。汽車中應用的電子技術主要有：電子控制安全氣囊，智能記錄儀，雷達式距離報警器，中央控制門鎖，自動空調，自動車窗、車門、座椅、刮水器，車燈控制，電源控制以及充電器等。近年來汽車的自動調速系統(tǒng) [1] ，汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測和自診斷系統(tǒng)以及汽車導航系 統(tǒng)被人們廣泛應用。 在過去 20～30 年中，人們主要

3、把精力集中于汽車的被動安全 性方面，例如，在汽車的前部或后部安裝保險杠、在汽車外殼四周 安裝某種彈性材料、在車內相關部位安裝各種形式的安全帶及安全 氣囊等等 [2] ，以減輕汽車碰撞帶來的危害。安裝防撞保險杠固然能 在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無法消除對被撞物體的 傷害；另外，車上安裝的安全氣囊系統(tǒng)，在發(fā)生車禍時不一定能有 效地保護車內乘車人員的安全。所有這些被動安全措施都不能從根 本上解決汽車在行駛中發(fā)生碰撞造成的問題。為預防撞車事故的發(fā) 文檔僅供參考 生，必須在提高汽車主動安全性方面下功夫。汽車發(fā)生

4、碰撞的主要 原因是由于汽車距其前方物體（如汽車、行人或其它障礙物）的距 離與汽車本身的距離近而相對速度太高。為了防止汽車與前方物體 發(fā)生碰撞，汽車與前方物體之間要保持一定的距離。這樣就會大大 提高汽車行駛的安全性，減少車禍的發(fā)生。 發(fā)展汽車防撞技術，對提高汽車智能化水平有重要意義 [3] 。據 統(tǒng)計，危險境況時，如果能給駕駛員半秒鐘的預處理時間，則可分 別減少追尾事故的 30%，路面相關事故的 50%，迎面撞車事故的 60%。 1 秒鐘的預警時間可防止 90%的追尾碰撞和 60%的迎頭碰 撞。理論上，汽車

5、防撞裝置可在任何天氣、任何車速狀態(tài)下探測出 將要發(fā)生的危險情況并及時提醒司機及早采取措施或自動緊急制動 [4] ，避免嚴重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于檢測測技術監(jiān)視汽車前方和后方的車輛、障礙物，并根據當時的距離自動判斷是否達到危險距離 [5] ，及時向司機發(fā)出警告。 1.2 國內外研究的現狀 鑒于交通事故的不可預測性和不可絕對避免性，為了減少交通事故，優(yōu)化交通秩序，利用計算機及信息技術來提高道路交通安全和效率已成為國內外研究的熱點。二十世紀八十年代以后展開的關 于智能交通系統(tǒng)的研究 [6] ，被認為是解決各種交通問題的一個很好

6、 的途徑。智能交通系統(tǒng)是將先進的信息技術 [7] 、通訊數據傳輸系 統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)以及計算機處理系統(tǒng)有效地應用于整個運輸管理 體系 [8] ，使人、車、路環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一，從而建立一個全方位發(fā)揮作 2 2020 年 4 月 19 日 文檔僅供參考 用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng) [9] 。其中智能車輛系統(tǒng) 涉及到計算機測量與控制、計算機視覺、傳感器數據融合、車輛工 程等諸多領域。視覺系統(tǒng)在智能車輛中起到環(huán)境探測和辨識作用 [10] 。與其它傳感器相比，機器視覺具有檢測信息量大，單純以當前 的現實條件

7、出發(fā)解決，容易導致系統(tǒng)實時性差 [11] 。根據計算車輛與目標的相對位移，并用自適應濾波對測量數據進行處理，以減少環(huán) 境的不穩(wěn)定性造成的測量誤差 [12] 。在智能車輛領域，常見的還有雷達、激光、 GPS等傳感器。 利用信息感知、動態(tài)辨識、控制技術的方法提高安全性，是先 進汽車控制與安全系統(tǒng) (AVCSS)的主要研究內容 [13] .世界各大汽車公 司都在開展這方面的研究與開發(fā)工作。日本各大汽車制造企業(yè)如豐 田、日產、馬自達、本田、三菱等公司致力于新型安全汽車技術研 究開發(fā)，并取得了重要的進展。豐田汽車公司使用毫米波雷達和

8、CCD 攝像機對本車的距離進行動態(tài)監(jiān)測 [14]，當兩車距離小于設定值 時，系統(tǒng)將發(fā)出報警信號提醒本車駕駛員。日產汽車公司使用緊急 制動勸告系統(tǒng)，利用先進的車距監(jiān)測系統(tǒng)對跟車距離進行動態(tài)監(jiān) 測，當需要減速或制動時，用制動燈亮來提醒駕駛員，并及時監(jiān)測 駕駛員操縱駕駛踏板的踏踩狀態(tài)，必要時使汽車的自動制動系統(tǒng)起 作用降低車速，在最危險時刻自動制動。本田公司使用具有扇形激 光束掃描的雷達傳感器 [15] ，即使車輛在彎道行駛也能檢測到本車與 前方汽車或障礙物的距離降到設定值時，駕駛員仍未及時采取相應 措施，便發(fā)出警告信號

9、。三菱和日立公司在毫米波雷達防撞方面也 做了大量的研究，其雷達中心頻率主要選擇 60～ 61GHZ 或 76～ 3 2020 年 4 月 19 日 文檔僅供參考 77GHZ，探測距離為 120m，尼桑公司為 41LV-Z 配備了自適應巡航 控制系統(tǒng) [16]。 德國和法國等歐洲國家也對毫米波雷達技術進行了研究 [17] ，特 別是奔馳、寶馬等著名汽車生產廠商，其采用的雷達為調頻毫米波 雷 (Frequency Modulation Continuous Wave)[18] ， 頻 段 選 擇 76~

10、77GHZ。如奔馳汽車公司和英國勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車 防撞報警系統(tǒng)，探測距離為 150m，當測得的實際車間距離小于安 全車間距離時，發(fā)出聲光報警信號。該系統(tǒng)已經得到應用。 美國的汽車防碰撞技術已經相當先進，福特汽車公司開發(fā)的汽 車防碰撞系統(tǒng)的工作頻率為 24.725GHZ,探測距離約 106m。僅探測 本車道內車輛的信息 [19]，從而可避免旁車道上目標物的影響。戴姆 勒 -克萊斯勒公司的防撞結構主要是兩個測距儀和一個影像系統(tǒng)，她能夠測出安全距離，發(fā)現前方有障礙物，計算機能夠自動引發(fā)制動 裝置。戴姆勒 -克萊斯勒公司的

11、實驗結果顯示，車速以每小時 32.18 公里 / 小時的速度行駛，在距離障礙物 2.54 ㎝的地方停下來。 近距離報警如倒車雷達現已蓬勃地車輛上安裝使用，但國內當前生產的中遠距離測量普遍達不到要求，表現在最遠測距距離近，測距誤差大，遠遠不滿足高速公路的安全車距離要求，需進一步研究。 1.3 超聲波傳感器原理 超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。本 4 2020 年 4 月 19 日 文檔僅供參考 設計中超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超

12、聲波換能器 [20] 。它 是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶體和一個共振板 [21] 。當它的兩級外加脈沖信號其頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率 時，壓電晶體片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產生超聲波。 反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓 迫壓電晶體片做振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收 器 [22] 。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數越多，能量越大，所能檢測到的距離也越遠。超聲 波發(fā)射換能器與接收換能器在其結構上稍有不同，使用時應看清器

13、 件上的標志 [23] 。 超聲波測距的方法有很多種：如往返時間檢測法、相位檢測 法、聲波幅值檢測法 [24]。本設計采用往返時間檢測法測距 [25] 。其原 理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波借助空氣媒質傳播，到達 測量目標或障礙物后反射回來，經反射后由超聲波接收器接收脈沖 [26] ，其所經歷的時間即往返時間。往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關 [27]。根據測試傳輸時間能夠得出距離。 假設 S 為被測物體到測距儀之間的距離，測的的時間為 t ，超 聲波傳播的速度為 v 表示。則有關系式： s vt / 2 (1-1) 在精度的要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度 的影響，按式 (1-2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 v 331.4 0.607T (1-2) 中， T 為實際溫度單位為 ℃,V 為超聲波在介質中的傳播速度單位 5 2020 年 4 月 19 日