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基于單片機的汽車防撞報警系統(tǒng)設(shè)計
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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(xiàn)代汽車上,電子技術(shù)的應(yīng)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(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于汽車的乘坐安全性和導(dǎo)航方面。電子技術(shù)在汽車安全控制系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了增強汽車的安全性。汽車中應(yīng)用的電子技術(shù)主要有:電子控制安全氣囊,智能記錄儀,雷達(dá)式距離報警器,中央控制門鎖,自動空調(diào),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(diào)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(dǎo)航系
統(tǒng)被人們廣泛應(yīng)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(nèi)相關(guān)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(hù)車內(nèi)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(yù)防撞車事故的發(fā)
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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(shù),對提高汽車智能化水平有重要意義 [3] 。據(jù)
統(tǒng)計,危險境況時,如果能給駕駛員半秒鐘的預(yù)處理時間,則可分
別減少追尾事故的 30%,路面相關(guān)事故的 50%,迎面撞車事故的
60%。 1 秒鐘的預(yù)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(yán)重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于檢測測技術(shù)監(jiān)視汽車前方和后方的車輛、障礙物,并根據(jù)當(dāng)時的距離自動判斷是否達(dá)到危險距離 [5] ,及時向司機發(fā)出警告。
1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀
鑒于交通事故的不可預(yù)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(shù)來提高道路交通安全和效率已成為國內(nèi)外研究的熱點。二十世紀(jì)八十年代以后展開的關(guān)
于智能交通系統(tǒng)的研究 [6] ,被認(rèn)為是解決各種交通問題的一個很好
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的途徑。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的信息技術(shù) [7] 、通訊數(shù)據(jù)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(yīng)用于整個運輸管理
體系 [8] ,使人、車、路環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一,從而建立一個全方位發(fā)揮作
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用的實時、準(zhǔn)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(shù)據(jù)融合、車輛工
程等諸多領(lǐng)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(dāng)前
的現(xiàn)實條件
7、出發(fā)解決,容易導(dǎo)致系統(tǒng)實時性差 [11] 。根據(jù)計算車輛與目標(biāo)的相對位移,并用自適應(yīng)濾波對測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(lǐng)域,常見的還有雷達(dá)、激光、 GPS等傳感器。
利用信息感知、動態(tài)辨識、控制技術(shù)的方法提高安全性,是先
進(jìn)汽車控制與安全系統(tǒng) (AVCSS)的主要研究內(nèi)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(chǎn)、馬自達(dá)、本田、三菱等公司致力于新型安全汽車技術(shù)研
究開發(fā),并取得了重要的進(jìn)展。豐田汽車公司使用毫米波雷達(dá)和
8、CCD 攝像機對本車的距離進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測 [14],當(dāng)兩車距離小于設(shè)定值
時,系統(tǒng)將發(fā)出報警信號提醒本車駕駛員。日產(chǎn)汽車公司使用緊急
制動勸告系統(tǒng),利用先進(jìn)的車距監(jiān)測系統(tǒng)對跟車距離進(jìn)行動態(tài)監(jiān)
測,當(dāng)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(dá)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(shè)定值時,駕駛員仍未及時采取相應(yīng)
措施,便發(fā)出警告信號
9、。三菱和日立公司在毫米波雷達(dá)防撞方面也
做了大量的研究,其雷達(dá)中心頻率主要選擇 60~ 61GHZ 或 76~
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77GHZ,探測距離為 120m,尼桑公司為 41LV-Z 配備了自適應(yīng)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(dá)技術(shù)進(jìn)行了研究 [17] ,特
別是奔馳、寶馬等著名汽車生產(chǎn)廠商,其采用的雷達(dá)為調(diào)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(dāng)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(jīng)得到應(yīng)用。
美國的汽車防碰撞技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn),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(nèi)車輛的信息 [19],從而可避免旁車道上目標(biāo)物的影響。戴姆
勒 -克萊斯勒公司的防撞結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)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?yán)走_(dá)現(xiàn)已蓬勃地車輛上安裝使用,但國內(nèi)當(dāng)前生產(chǎn)的中遠(yuǎn)距離測量普遍達(dá)不到要求,表現(xiàn)在最遠(yuǎn)測距距離近,測距誤差大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足高速公路的安全車距離要求,需進(jìn)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(zhuǎn)換成聲能,接收端則反之。本
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設(shè)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(dāng)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(chǎn)生超聲波。
反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)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(zhuǎn)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(shù)越多,能量越大,所能檢測到的距離也越遠(yuǎn)。超聲
波發(fā)射換能器與接收換能器在其結(jié)構(gòu)上稍有不同,使用時應(yīng)看清器
13、
件上的標(biāo)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(shè)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(zhì)傳播,到達(dá)
測量目標(biāo)或障礙物后反射回來,經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖
[26] ,其所經(jīng)歷的時間即往返時間。往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān) [27]。根據(jù)測試傳輸時間能夠得出距離。
假設(shè) 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(guān)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(zhì)中的傳播速度單位
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