德州學(xué)院汽車工程學(xué)院　　鄭茂平　張長坤

汽車安全距離預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院鄭茂平張長坤

論文闡述了汽車安全距離預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過對(duì)傳感器的選擇、傳感器的布局設(shè)計(jì)，控制裝置的選擇和操作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及顯示界面預(yù)警方式的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車距的安全預(yù)警，達(dá)到保護(hù)駕駛?cè)税踩哪康摹?/p>

距離預(yù)警系統(tǒng)；安全距離；制動(dòng)距離；程序流程

1　前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在近幾年的交通事故中車與車的事故占總交通事故的52%，其中追尾和車體接觸占37.4%。由此可知，汽車間的追尾和接觸是造成交通事故的一個(gè)重大原因。在對(duì)高達(dá)52%的交通事故進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生事故的原因與車速過高和駕駛員的反射弧及踩下踏板所用的時(shí)間有關(guān)。因此，如何避免讓高速行駛中的汽車發(fā)生追尾或車體接觸，是一個(gè)急需解決的重要課題，設(shè)計(jì)出一套安全車距預(yù)警系統(tǒng)輔助汽車駕駛?cè)税踩鲂旭{車是完成此課題的較好方法之一。

2　汽車安全車距預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1汽車安全車距預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)成

汽車安全車距預(yù)警系統(tǒng)由兩部分組成。一部分是汽車安全車距預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)在探測到出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)提前發(fā)出警報(bào)。另一部分是自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳感器探測到車距具有危險(xiǎn)時(shí)才起作用。該汽車安全車距預(yù)警系統(tǒng)的硬件主要包括車距傳感器、車距預(yù)警控制ECU裝置和人機(jī)交互界面組成。

2.1.1汽車安全車距預(yù)警傳感器的選擇及布置設(shè)計(jì)

汽車車距傳感器，目前分雷達(dá)、視頻影像和聲納三種。其中雷達(dá)傳感器探測范圍為0.5～100m，視角9°，采樣速率200Hz，精度0.01m；視頻影像傳感器探測范圍0.05～30m，視角60°，采樣速率24Hz，精度0.1m；聲納傳感器探測范圍0.025～10m，視角17°，采樣速率8Hz，精度0.05m。分析三者參數(shù)后選擇雷達(dá)傳感器。雷達(dá)傳感器中又包括激光雷達(dá)和微波雷達(dá)，對(duì)兩者參數(shù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)的探測結(jié)果容易隨極端天氣情況及光學(xué)的污染降低，但總體上激光雷達(dá)比微波雷達(dá)更優(yōu)秀，因此選擇傳感器為激光雷達(dá)傳感器。

同時(shí)在汽車行駛狀況探測方面要注意傳感器的布置以及選擇的方式，確保各個(gè)傳感器能準(zhǔn)確反映汽車的實(shí)時(shí)行駛狀況，因此把激光雷達(dá)距離傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端和后備箱蓋末端；輪速傳感器安放在車輪總成的非旋轉(zhuǎn)部分（如轉(zhuǎn)向節(jié)臂或軸頭）上；加速傳感器放置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)或行李艙內(nèi)；轉(zhuǎn)向角傳感器放置在轉(zhuǎn)向軸管上；油門動(dòng)作傳感器放置在節(jié)氣門體上的節(jié)氣門軸的一端；制動(dòng)動(dòng)作傳感器放置在制動(dòng)踏板支架處。通過這些傳感器，使汽車控制裝置更好更全面地接受汽車周圍狀況和汽車自身情況。

2.1.2車距預(yù)警控制裝置組成

該安全車距預(yù)警控制裝置具有計(jì)算車距、危險(xiǎn)車距評(píng)估、危險(xiǎn)車距警報(bào)等功能，它的硬件包括信息采集、油門控制、制動(dòng)控制的ECU組組成。其中ECU組控制裝置選擇MCS-51系列單片機(jī)中增強(qiáng)型產(chǎn)品8052，在8052的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存入汽車安全車距的執(zhí)行流程。當(dāng)傳感器傳來的信息經(jīng)ECU組分析處理后，分別將執(zhí)行指令傳達(dá)到油門控制裝置和制動(dòng)控制裝置中執(zhí)行。

2.1.3執(zhí)行裝置組成選擇

這套汽車安全距離預(yù)警裝置系統(tǒng)的執(zhí)行裝置選擇了比較人性的人機(jī)交互界面系統(tǒng)。它包括自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、MSB模塊、顯示行車信息界面等組成。當(dāng)執(zhí)行裝置中的人機(jī)交互界面接收到信息采集ECU發(fā)來的危險(xiǎn)車距信息時(shí)，人機(jī)交互界面將會(huì)出現(xiàn)不同級(jí)別的警告閃爍動(dòng)畫和語音提示。當(dāng)極其危險(xiǎn)時(shí)自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，保護(hù)車內(nèi)人員安全。

3　汽車安全車距預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1汽車安全距離和制動(dòng)距離的計(jì)算公式分析

圖1　汽車制動(dòng)階段圖

當(dāng)行駛安全距離大于制動(dòng)距離時(shí)，安全距離預(yù)警系統(tǒng)才能生效。所以精確計(jì)算出汽車安全距離和制動(dòng)距離是該系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的重要因素。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，兩者相差的距離是駕駛員從看到信號(hào)到人體反應(yīng)時(shí)間所經(jīng)過的距離即圖1中的s1。這時(shí)t1因不同駕駛員體質(zhì)的差別而有所差別，一般在0.3～0.7s之間。

（1）駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，為圖中的t1時(shí)段。假設(shè)汽車經(jīng)過的距離為s1，則：

式中v為速度，單位為km/h；t1為反應(yīng)時(shí)間，單位為秒，分母3.6是由單位換算產(chǎn)生的（下同）。

（2）制動(dòng)器踏板作用時(shí)間t2。制動(dòng)器踏板作用時(shí)間由兩個(gè)階段組成：t3為制動(dòng)器間隙時(shí)間；t2″則為制動(dòng)器達(dá)到制動(dòng)作用的時(shí)間。t3和t4一般分別為0.03s和0.2s；氣動(dòng)制動(dòng)時(shí)，則一般分別為0.2～0.3s和0.4～1s。經(jīng)過的距離通常按式3-2計(jì)算：

（3）持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t3。制動(dòng)力達(dá)到最大，產(chǎn)生明顯的拖印和滑移，這段距離s3按式3-3計(jì)算：

式中φ為附著系數(shù)（即滑動(dòng)摩擦系數(shù)），決定于路面和氣候。根據(jù)對(duì)全過程的分析可知：

根據(jù)以上兩式即可計(jì)算出行車的安全距離和制動(dòng)距離的大小。

3.2汽車安全距離預(yù)警控制裝置執(zhí)行流程設(shè)計(jì)

行駛中的汽車將與前方車輛之間的距離通過雷達(dá)傳感器測得后經(jīng)總線傳達(dá)到控制裝置系統(tǒng)中，控制裝置中的ECU組在內(nèi)設(shè)的程序下進(jìn)行分析計(jì)算處理。在傳感器讀取數(shù)據(jù)及控制裝置ECU計(jì)算出數(shù)據(jù)后，執(zhí)行流程如下：

當(dāng)L1＞L2時(shí)汽車正常行駛，顯示界面閃爍顯示：“車距安全請(qǐng)放心行駛！”。

當(dāng)L1=L2時(shí)顯示界面閃爍顯示：“車距已進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)！”并伴有提示音：“請(qǐng)注意減速行駛”，若此時(shí)駕駛?cè)藳]有采取人工油門制動(dòng)，系統(tǒng)將自動(dòng)執(zhí)行油門制動(dòng)降低車速。

圖2　系統(tǒng)主控制裝置程序流程圖

當(dāng)L1＜L2時(shí)汽車進(jìn)入車距危險(xiǎn)距離，顯示界面閃爍：“車距危險(xiǎn)！”并伴有提示音：“當(dāng)前車距危險(xiǎn)請(qǐng)減速！”若駕駛員沒有采取人工剎車制動(dòng)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)剎車制動(dòng)系統(tǒng)。圖2是該系統(tǒng)的執(zhí)行流程圖。

4　總結(jié)

此安全車距預(yù)警系統(tǒng)由激光雷達(dá)傳感器、車載安全車距預(yù)警ECU和人機(jī)交互界面組成。在汽車高速行駛時(shí)，此系統(tǒng)可以輔助駕駛員安全駕駛，緩解了駕駛員駕車時(shí)的緊張，擴(kuò)大了駕駛員的視野，大大提高了駕車的安全性。

［1］趙煒華.高速公路碰撞預(yù)防報(bào)警系統(tǒng)傳感器及電源研究［D］.西安：長安大學(xué)載運(yùn)工具運(yùn)用工程，2004.

［2］岳昕，康文，李會(huì)，徐凱宏.高速公路汽車追尾事故智能預(yù)警系統(tǒng)的研究［J］.哈爾濱：森林工程，2005.

［3］教育部師范教育司組織.中學(xué)物理與現(xiàn)代科技·我們周圍的物理學(xué)［M］.上?？萍冀逃霭嫔纾?002.

［4］余志生.汽車?yán)碚摚ǖ谌妫跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.