基于單片機(jī)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 基于單片機(jī)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越來(lái)廣泛，汽車電子化的程度越來(lái)越高。隨著交通運(yùn)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(qiáng)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(bào)警器，中央控制門鎖，自動(dòng)空調(diào)，自動(dòng)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(lái)汽車的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) [1] ，汽車防撞系統(tǒng)，汽車監(jiān)測(cè)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(guò)去 20～30 年中，人們主要

3、把精力集中于汽車的被動(dòng)安全 性方面，例如，在汽車的前部或后部安裝保險(xiǎn)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(lái)的危害。安裝防撞保險(xiǎn)杠固然能 在某種程度上減輕碰撞給本車造成損壞，卻無(wú)法消除對(duì)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(shí)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(dòng)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) 文檔僅供參考 生，必須在提高汽車主動(dòng)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(duì)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(huì)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(duì)提高汽車智能化水平有重要意義 [3] 。據(jù) 統(tǒng)計(jì)，危險(xiǎn)境況時(shí)，如果能給駕駛員半秒鐘的預(yù)處理時(shí)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(shí)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(cè)出 將要發(fā)生的危險(xiǎn)情況并及時(shí)提醒司機(jī)及早采取措施或自動(dòng)緊急制動(dòng) [4] ，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。汽車防撞裝置是借助于檢測(cè)測(cè)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(shí)的距離自動(dòng)判斷是否達(dá)到危險(xiǎn)距離 [5] ，及時(shí)向司機(jī)發(fā)出警告。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 鑒于交通事故的不可預(yù)測(cè)性和不可絕對(duì)避免性，為了減少交通事故，優(yōu)化交通秩序，利用計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)來(lái)提高道路交通安全和效率已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。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(gè)很好

6、 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(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)有效地應(yīng)用于整個(gè)運(yùn)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(gè)全方位發(fā)揮作 2 2020 年 4 月 19 日 文檔僅供參考 用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)輸綜合管理系統(tǒng) [9] 。其中智能車輛系統(tǒng) 涉及到計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制、計(jì)算機(jī)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(cè)和辨識(shí)作用 [10] 。與其它傳感器相比，機(jī)器視覺具有檢測(cè)信息量大，單純以當(dāng)前 的現(xiàn)實(shí)條件

7、出發(fā)解決，容易導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差 [11] 。根據(jù)計(jì)算車輛與目標(biāo)的相對(duì)位移，并用自適應(yīng)濾波對(duì)測(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)辨識(shí)、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?jī)?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(jī)對(duì)本車的距離進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) [14]，當(dāng)兩車距離小于設(shè)定值 時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒本車駕駛員。日產(chǎn)汽車公司使用緊急 制動(dòng)勸告系統(tǒng)，利用先進(jìn)的車距監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)跟車距離進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)，當(dāng)需要減速或制動(dòng)時(shí)，用制動(dòng)燈亮來(lái)提醒駕駛員，并及時(shí)監(jiān)測(cè) 駕駛員操縱駕駛踏板的踏踩狀態(tài)，必要時(shí)使汽車的自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)起 作用降低車速，在最危險(xiǎn)時(shí)刻自動(dòng)制動(dòng)。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(cè)到本車與 前方汽車或障礙物的距離降到設(shè)定值時(shí)，駕駛員仍未及時(shí)采取相應(yīng) 措施，便發(fā)出警告信號(hào)

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～ 3 2020 年 4 月 19 日 文檔僅供參考 77GHZ，探測(cè)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(guó)和法國(guó)等歐洲國(guó)家也對(duì)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(guó)勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車 防撞報(bào)警系統(tǒng)，探測(cè)距離為 150m，當(dāng)測(cè)得的實(shí)際車間距離小于安 全車間距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。 美國(guó)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(cè)距離約 106m。僅探測(cè) 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(gè)測(cè)距儀和一個(gè)影像系統(tǒng)，她能夠測(cè)出安全距離，發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)引發(fā)制動(dòng) 裝置。戴姆勒 -克萊斯勒公司的

11、實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，車速以每小時(shí) 32.18 公里 / 小時(shí)的速度行駛，在距離障礙物 2.54 ㎝的地方停下來(lái)。 近距離報(bào)警如倒車?yán)走_(dá)現(xiàn)已蓬勃地車輛上安裝使用，但國(guó)內(nèi)當(dāng)前生產(chǎn)的中遠(yuǎn)距離測(cè)量普遍達(dá)不到要求，表現(xiàn)在最遠(yuǎn)測(cè)距距離近，測(cè)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(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶體和一個(gè)共振板 [21] 。當(dāng)它的兩級(jí)外加脈沖信號(hào)其頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率 時(shí)，壓電晶體片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，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(shí)，將壓 迫壓電晶體片做振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(gè)數(shù)越多，能量越大，所能檢測(cè)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(shí)應(yīng)看清器

13、 件上的標(biāo)志 [23] 。 超聲波測(cè)距的方法有很多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè) 法、聲波幅值檢測(cè)法 [24]。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)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(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖 [26] ，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間。往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān) [27]。根據(jù)測(cè)試傳輸時(shí)間能夠得出距離。 假設(shè) S 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)的的時(shí)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(duì)超聲波傳播速度 的影響，按式 (1-2)對(duì)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(shí)際溫度單位為 ℃,V 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位 5 2020 年 4 月 19 日