張 弛,高 權(quán)

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司智能交通設(shè)計(jì)研究所, 江蘇 南京 210017)

汽車高速行駛時,在雨、雪天氣很容易發(fā)生制動側(cè)滑,在霧天、夜間等視線不良的情況下行車時容易導(dǎo)致追尾碰撞事故,調(diào)查表明高速公路追尾碰撞發(fā)生次數(shù)約占總事故次數(shù)的33.4%,造成的經(jīng)濟(jì)損失約占總量的40%.對公路交通事故的分析表明,造成事故的主要原因是駕駛員不能對車輛之間的安全距離作出準(zhǔn)確判斷,尤其是大霧天或夜間,當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題緊急制動時,車輛間距離已小于安全制動距離,特別在高速公路上,車輛行駛速度快,交通追尾所造成的交通事故居多.因此,研究開發(fā)性能優(yōu)秀、安全系數(shù)高的汽車防追尾預(yù)警裝置對降低交通事故發(fā)生率具有重要意義.

在多雨、多霧的條件下,路面濕滑,可見度低,駕駛條件差,汽車的制動反應(yīng)距離長,易發(fā)生汽車追尾事故.行車安全路線是指同一車道前后車保持正確的方向和適當(dāng)?shù)木嚯x,在保證后端不會發(fā)生事故的同時不減少交通量[1].目前,我國高速公路采用基于汽車閉塞的高速公路通信控制方式實(shí)現(xiàn)對先行車輛的安全和高速無間隔移動運(yùn)行控制,其采用的通信控制方式根據(jù)通信技術(shù)而議[2].

1 安全行車防追尾裝置設(shè)計(jì)

1.1 制動距離分析

駕駛員在雨霧等惡劣天氣下行車時,由于路面濕滑以及可見度降低,導(dǎo)致汽車的制動反應(yīng)距離逐漸加大,易引起嚴(yán)重的交通事故,需準(zhǔn)確分析汽車安全制動反應(yīng)距離問題.通常情況下,汽車制動時間包括制動器反應(yīng)階段Ta、減速度增加階段Ts、駕駛員實(shí)際反應(yīng)階段Tr以及持續(xù)制動階段Tv.假設(shè)自車當(dāng)前速度為Va,減速度為a,前后車的實(shí)際距離為d,那么實(shí)際最小剎車制動距離X1應(yīng)為：

(1)

根據(jù)汽車上的車載雷達(dá)可以在行駛過程中計(jì)算出前方車輛應(yīng)有的速度及其加速度,并對該車下一個時間段內(nèi)的運(yùn)動速度條件進(jìn)行預(yù)測.假設(shè)前車速度為Vt,加速度為at,運(yùn)動時間為t,那么前車運(yùn)動距離X2應(yīng)為：

(2)

為保證行車安全,防追尾安全距離應(yīng)該滿足：

d>X1-X2+d0

(3)

式中,d0為兩車之間最小的安全駕駛距離,通常車距可以縮小到1.5～3.0 m.

利用安全距離模型可以分為三種駕駛狀態(tài)：

1) 正常駕駛狀態(tài),d>X1-X2+2,該狀態(tài)表示與前車保持安全距離;

2) 提醒報(bào)警狀態(tài),X1-X2+2>d>X1-X2+1.5,該狀態(tài)為潛在風(fēng)險階段,應(yīng)提醒駕駛員注意前方車輛;

3) 危險報(bào)警狀態(tài),d

1.2 超聲波測距模型設(shè)計(jì)

汽車防追尾技術(shù)首要解決的問題為汽車間安全距離的測量,如果汽車與汽車之間的距離超過安全距離,應(yīng)及時觸發(fā)警報(bào)并采取制動措施.目前常見的測距方法有超聲波測距、激光測距、CCD攝像系統(tǒng)測距以及雷達(dá)測距等[3].

本設(shè)計(jì)采用超聲波測距,使用555定時器來形成多諧波振動波,以生成頻率為40 kHz的方波[4],在三引腳的輔助下方波連續(xù)輸出,由單片機(jī)控制脈沖的產(chǎn)生.

超聲波測距基本原理為：由超聲傳感器檢測到的超聲能量產(chǎn)生的非線性超聲回波被遇到的不可見障礙物散射,然后被照射物體完全反射.

基于超聲波從發(fā)射到接收的時間T,可準(zhǔn)確計(jì)算出相應(yīng)距離：

S=CT/2

(4)

式中：S為汽車與障礙物之間的距離;C為超聲波在空氣中的傳播速度.

C與溫度有關(guān),如溫度變化不大,則可認(rèn)為聲速是基本不變的.如果測距精度要求較高,則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?

第一次超聲波發(fā)射過程如圖1所示,第二次超聲波發(fā)射與第一次相同,通過中斷計(jì)時器進(jìn)行距離計(jì)算.設(shè)第一次發(fā)射與第二次發(fā)射的時間間隔ta=1 s,則(S1-S2)/ta=v相對.

當(dāng)安全指示參數(shù)值S1-S2<0時,安全指示燈為綠色;當(dāng)安全指示參數(shù)值S1-S2>0時,通過計(jì)算車輛的安全制動距離和車輛的安全制動行駛速度來引入安全系數(shù)W=S/v,W可以通過數(shù)值方式查詢數(shù)值關(guān)系,得到如表1所示的參考數(shù)據(jù).

表1 各路段安全距離與速度

高速公路上的安全系數(shù)W1=S/v=180/120=1.5;普通公路上的安全系數(shù)W2=S/v=15/30=0.5.汽車防追尾裝置設(shè)置為:在高速公路上,當(dāng)W>1.5時,報(bào)警、黃燈亮,當(dāng)W<1.5時,紅燈亮,減速或緊急剎車;在普通公路上,當(dāng)W>0.7時,報(bào)警、黃燈亮,當(dāng)W<0.7時,紅燈亮,減速或緊急剎車.

1.3 超聲波測速測距電路設(shè)計(jì)

1.3.1 超聲波發(fā)射電路

1) 超聲波信號產(chǎn)生和發(fā)射的電路系統(tǒng)由超聲波信號產(chǎn)生電路和超聲波信號控制電路兩部分組成,如圖2所示.本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波測距模塊,該模塊采用IO-TRIG觸發(fā)測距,給至少10 μs的高電平信號,模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波,自動檢測是否有信號返回;有信號返回,則通過IO-ECHO輸出一個高電平,電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間.本模塊使用方法簡單,一個控制口發(fā)一個10 μs以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出;一旦有輸出便開啟定時器進(jìn)行計(jì)時,當(dāng)接收口變?yōu)榈碗娖綍r讀取定時器的值,由此計(jì)算出距離.

圖2 基于超聲波原理的發(fā)射裝置設(shè)計(jì)

2) 超聲波發(fā)射電路通過555可控電路系統(tǒng)與外圍振蕩變阻器相連,可控制電路板,形成40 kHz多諧超聲波綜合控制電路元件.由555定時器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成多諧振蕩器,腳2與腳6直接相連.電路沒有穩(wěn)態(tài),僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài),電路亦不需要外接觸發(fā)信號,利用電源通過R1、R2向C充電,C通過R2放電,使電路產(chǎn)生振蕩.電容C在2/3Vcc和1/3Vcc之間充電和放電,從而在輸出端得到一系列的矩形波.555多諧振蕩器輸出相關(guān)參數(shù)計(jì)算：

tW1=(R1+R2)Cln(Vcc-VT+)/(Vcc-VT-)

(5)

tW2=R2Cln(0-VT+)/(0-VT-)

(6)

T=(R1+2R2)Cln2

(7)

f=1/T=1/(R1+2R2)Cln2

(8)

式中：tW1為Vcc由1/3Vcc緩慢上升到2/3Vcc所必需的工作時間;tW2為整個電容Vcc在555控制電路中所需要的放電時間;R1和R2為定時器的電阻,不應(yīng)小于1 kΩ,但兩者之和應(yīng)不大于3.3 MΩ.

計(jì)時器組件每個外部控制電路信號的穩(wěn)定性將影響多諧振蕩器整個電路中信號的穩(wěn)定性,所以可以配置一定數(shù)量的定時器來中斷或使用.

1.3.2 超聲波信號接收

汽車防追尾警示裝置接收電路的超聲波接收探頭采用RCT40.將cx2016a半導(dǎo)體集成電路模塊用作超聲波檢測接收設(shè)備的總體集成電路模塊,可對接收到的超聲波進(jìn)行放大、濾波.

1.4 安全行車警示電路設(shè)計(jì)

1.4.1 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

采用蜂鳴器作為汽車防追尾系統(tǒng)的聲音警示裝置,通過改變端口輸入電平的方向和高低來控制電路進(jìn)行發(fā)聲,蜂鳴器根據(jù)晶閘管端口輸入的電壓和頻率發(fā)出聲音,蜂鳴器用直流電流運(yùn)行,報(bào)警裝置設(shè)計(jì)圖如圖3所示.

圖3 報(bào)警裝置設(shè)計(jì)圖

采用LCD1602液晶顯示器作為信號顯示裝置.LCD面板的結(jié)構(gòu)比較脆弱敏感,不會單獨(dú)使用,而是與電源電路連接,與綜合控制電路組合到一個功能模塊中[5].顯示電路連接圖如圖4所示.由圖4可見：VSS連接到電源開關(guān)接地;電源線連接到電源開關(guān);D0—D7連接到控制器的I/O口,用于顯示綜合數(shù)據(jù);BLA和BLK用作環(huán)境背光電源插頭的外部接口,連接到相應(yīng)的電源端口；V0連接到一個10 kΩ電阻值.因?yàn)榭刂破髯畲箅娏鲝?qiáng)度只有20 mA,所以在D0和D7之間連接1個10 kΩ的上拉電阻r,當(dāng)控制器引腳板總是顯示電平為低時,上拉串聯(lián)電阻相當(dāng)于接地,相應(yīng)的引腳顯示為低電平[6].

圖4 顯示電路連接圖

1.4.2 控制器電路設(shè)計(jì)

控制電路原理如圖5所示.對由汽車速度及汽車和障礙物之間距離所得的安全系數(shù)進(jìn)行比較,由單片機(jī)輸出高低電平,經(jīng)過DAC0808的A1—A8輸入,4腳輸出的模擬信號由運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,剎車系數(shù)越大,制動強(qiáng)度就越大,從而達(dá)到剎車的目的.其他相關(guān)數(shù)據(jù)見表2.

表2 數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

圖5 控制電路原理圖

2 處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

2.1 處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

處理器系統(tǒng)通過單片機(jī)AT89C51進(jìn)行設(shè)計(jì),脈沖波從P3.0端口連續(xù)發(fā)射,為超聲波換能器的啟動提供動力.超聲波檢測計(jì)時后,利用定時器的計(jì)算功能完全記錄發(fā)送和接收超聲波所需的時間.當(dāng)接收到超聲波能量時,可以在接收電路系統(tǒng)的輸出端控制該過渡信號的輸出,并且不會在INT0端產(chǎn)生強(qiáng)迫中斷的強(qiáng)信號造成時間差.超聲波控制計(jì)算中斷程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖6所示.

圖6 超聲波控制及計(jì)算車距流程圖

處理系統(tǒng)通過單片機(jī)控制接收并顯示兩車的距離,若兩車距離大于行駛速度下的安全距離,綠燈亮;若兩車距離小于行駛速度下安全距離,則需要計(jì)算安全系數(shù),安全系數(shù)大于1.5則報(bào)警、黃燈亮;安全系數(shù)小于1.5則紅燈亮,提醒司機(jī)剎車或減速.車速控制流程如圖7所示.

圖7 車速控制流程圖

通過調(diào)用距離計(jì)算子程序設(shè)定安全工作方式,將工作設(shè)為1,不工作設(shè)為0.若在安全距離之內(nèi),蜂鳴器打開報(bào)警,否則蜂鳴器不工作.

2.2 Proteus單片機(jī)仿真

Proteus軟件具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能,能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)仿真與SPICE電路仿真的結(jié)合,具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、MCU及其外圍電路系統(tǒng)仿真、RS232動態(tài)仿真等功能[9].

如圖8所示,防追尾警示裝置包含三個主要控制部分,分別是單片機(jī)超聲波測距部分、處理器控制部分以及液晶顯示部分.通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反向運(yùn)轉(zhuǎn)來進(jìn)行調(diào)速,超聲波的測速控制電路通過單片機(jī)進(jìn)行控制;超聲波模塊采用HC-SR04控制發(fā)出、接收超聲波,若有遮擋便會自動返回,根據(jù)發(fā)出和接收的時間與超聲波速度計(jì)算公式得出兩車之間的距離.

圖8 防追尾系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

汽車防追尾警示裝置仿真模擬有正常行駛狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)和緊急制動狀態(tài)三種運(yùn)行狀態(tài).考慮到緊急制動距離為1.5 m,本設(shè)計(jì)安全距離設(shè)計(jì)為2 m.運(yùn)行仿真時液晶顯示器會顯示安全距離、緊急制動距離以及兩車之間的實(shí)際距離.通過調(diào)整超聲波模塊HC-SR04上的RV1兩端可以控制距離.D1、D2、D3均為顯示燈,其中:D2顯示綠色,車輛為正常行駛的狀態(tài);D3顯示紅色,車輛為緊急制動的狀態(tài);D1顯示黃色,車輛為預(yù)警的狀態(tài).

當(dāng)兩車之間實(shí)際距離為2.5 m時,該距離大于設(shè)定的安全距離2 m,此時綠色指示燈亮起,步進(jìn)電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),模擬汽車正常行駛狀態(tài)(見圖9).通過減小距離按鍵模擬兩車之間的距離減小,當(dāng)兩車之間的實(shí)際距離約為1.96 m時,該距離小于設(shè)定的安全制動距離2 m,大于緊急制動距離1.5 m,此時黃色指示燈亮,步進(jìn)電機(jī)減速模擬汽車自動減速過程(見圖10).控制按鈕模擬兩車之間的距離減小,兩車的實(shí)際準(zhǔn)確距離為1.21 m時,小于緊急制動最小距離1.5 m,此時報(bào)警裝置的紅色緊急制動警示燈亮,步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動,報(bào)警控制系統(tǒng)發(fā)出刺耳的蜂鳴器報(bào)警聲.

圖9 正常行駛狀態(tài)仿真圖

圖10 預(yù)警狀態(tài)仿真圖

3 防追尾報(bào)警器實(shí)物模型驗(yàn)證

防追尾報(bào)警器實(shí)物模型包括HC-SR04超聲波模塊、LCD1602液晶顯示器、AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、有源壓電蜂鳴器、ULN2003大電流驅(qū)動列陣、28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)以及3個指示燈.整體裝置模型如圖11所示.

當(dāng)電源通電時,該裝置可以檢測汽車運(yùn)行的三種工況：安全行車工況、預(yù)警工況以及緊急制動工況.用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速模擬汽車的加減速過程;液晶顯示器上顯示安全距離、緊急制動距離和檢測到的實(shí)際距離.實(shí)物檢測的過程與仿真過程相同,測試結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型和防追尾報(bào)警器的可行性.

緊急制動狀態(tài)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn),步進(jìn)電機(jī)模擬車輛行駛狀況,液晶顯示屏上顯示測量距離、設(shè)定的安全距離和緊急制動距離.當(dāng)超聲波模塊檢測到的實(shí)際距離小于設(shè)定的緊急制動距離時,蜂鳴器發(fā)出報(bào)警,報(bào)警指示燈紅燈亮,步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動,模擬汽車減速自動剎車過程.

4 結(jié)語

汽車防追尾警示裝置從裝置設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面入手,研究建立了合適的防追尾測距裝置模型.該模型能夠準(zhǔn)確地判斷道路上駕駛車輛的安全性與行駛狀態(tài),在必要時可對檢測的結(jié)果和錯誤進(jìn)行及時處理,生成相應(yīng)聲光報(bào)警信號,提醒駕駛員注意安全.該防追尾警示裝置的應(yīng)用可以有效避免追尾碰撞等安全事故的頻繁發(fā)生,提高道路的安全性和通行能力.