汽车纵向防撞报警系统设计与实例分析

2010-12-07贺大松门延会

传感器与微系统 2010年9期

贺大松，杨平，门延会

(1.宜宾职业技术学院现代制造系，四川宜宾644003;2.电子科技大学机械电子工程学院，四川成都611731)

0 引言

高速公路的交通安全已成为越来越重要的社会问题，为了防止汽车与前方物体发生碰撞，就要根据汽车与前方物体的距离调节汽车的车速，使汽车始终在安全车速下行驶，减少事故发生。在过去的几十年中，人们的注意力主要集中在汽车被动安全性方面，但这并不能从根本上解决汽车在行驶中碰撞所造成的破坏，而且，目前主动防撞安全技术成本较高，尚不能普及。因此，从技术措施方面寻求对策，进行高速公路汽车预防报警系统的开发研究就显得尤为必要［1］。本文从预防碰撞事故发生的角度出发，提出了一种纵向碰撞预防报警系统，可以最大限度地降低交通事故率，提高了汽车的主动安全性能。

1 汽车纵向防撞报警系统结构

系统结构如图1所示，系统硬件基本组成主要包括:控制单元、传感器、执行器、电源等几部分。其中，主控单元选用AT89S52芯片;传感器主要包括:测距传感器、测速传感器、制动信号开关、油门信号开关、离合器信号开关等;主要执行器包括:灯光报警装置、声音报警装置等［2，3］。

图1 系统结构示意图Fig 1 Schematic diagram of system structure

2 系统运行模式

采用激光测距雷达检测车道前方车辆的距离，距离数据被传送到控制单元，控制单元收集车速信号、制动踏板位置信号、油门踏板位置信号、离合器踏板位置信号进行处理，并确定当前数据所适用的报警模型。该报警系统分2种形式:两车距离小于报警距离时，黄灯点亮，并用弱声长音报警;两车距离小于报警行车安全距离时，红灯闪烁外加短促宏亮声音报警。无论系统工作在何种状态，只要探测到驾驶员已采取措施(抬油门或踩制动)，则报警抑制。另外，在车速低于40 km/h时，或车辆在转弯时，均将报警抑制［4］。

3 汽车纵向防撞报警系统模拟实现

为了检验系统的功能，测试系统的性能，设计了一套模拟程序［5，6］。用计算机代替激光测距传感器给单片机传送车距信息［7］，用波动开关代替转向、制动、油门踏板传感器来给单片机发送信号。当开关处于开状态时，没有转向、制动、减速信号产生，不产生报警抑制。当给出的信号超过安全距离信号时，实现报警。当产生报警信号时，将其中一个开关信号设置为关闭状态，测试系统根据该状态做出抑制报警反应。该模拟实验硬件设计原理如图2所示。

图2 模拟实验硬件设计原理图Fig 2 Principle diagram of the simulation experiment’s hardware design

3.1 单片机与计算机之间的通信接口

由于MCS—51单片机输入、输出电平为TTL电平，计算机配置的是RS—232C标准串行接口。因而，可以采用RS—232C标准进行点对点的通信连接［8］。工作原理如图3所示，信号采用 RS—232C电平传输，电平转换芯片采用MAX232。

图3 PC与AT89S52通信示意图Fig 3 Schematic diagram of communication between PC and AT89S52

3.2 通信协议

PC机通过串口调试助手软件与AT89S52通信，提供距离信号，AT89S52程序采用汇编语言编写［9，10］。双方通信协议约定为

1)波特率设置:9600 bps;

2)数据传输格式:1个起始位，8个数据位，1个停止位;

3)数据传送方式:PC机采用查询方式发送和接收数据，AT89S52采用中断方式接收信息。

3.3 通信软件设计

l)串口通信测试程序

通过串口调试助手软件，从键盘随机输入一个信号给PC机，PC机将该信号发送给单片机，单片机收到PC机发来的信号后，回送同一信号给PC机，并在屏幕上显示出来。只要屏幕上显示的信号与所键入的信号相同，则表明PC机与单片机之间的通信正常。

单片机通信程序框图见4所示。

图4 单片机通信流程图Fig 4 Flow chart of SCM communication

2) 模拟系统工作程序

为了得到在不同车速下的报警和制动距离，实验中，先将速度作为一个确定的参数设定，然后将距离作为一个变化量，由PC机发送给单片机，送入系统模型进行运算，得到报警和制动距离，再改变速度得到不同速度下的报警距离与制动距离。

要求送入的速度参数值v1从40 km/h开始，每增加10 km/h设一个值，最高不超过120 km/h，折合为从11 m/s开始，每增加3 m/s，设定一个车速，最高速为34 m/s。最大制动减速度取车辆在干燥水泥路面的最大制动减速度，据经验数据取a1=6 m/s2。当前方车辆静止时，驾驶员的反应时间取值tf2=1.5 s，当前方车辆为运动车辆时，驾驶员的反应时间取值tf1=3.0 s。程序运行一次的时间为0.25 s，则两车的相对速度为Vrel=(D2－D1)/0.25。

3)单片机主控制程序如图5所示。

4 实验结果与数据分析

取最大制动减速度为6 m/s2(21.6 km/h)，在特定速度下，测试相对运动车辆之间报警距离与制动距离，测试数据如表1所示。

图5 主控程序流程图Fig 5 Flow chart of main control program

表1 实验数据记录表Tab 1 Data record sheet of the experiment

按照《道路安全法》和《高速公路交通管理办法》第15条之规定:机动车在高速公路上正常行驶时，同一车道的后车与前车必须保持足够的行车间距。正常情况下，当行驶时速在100 km/h时，行车间距为100 m以上;时速70 km/h时，行车间距为70 m以上，遇到风、雨、雪、雾天或者路面结冰时，应当减速行驶。

可以看出:在车辆行驶过程中，车速为72km/h，前车静止状态下，报警距离为107m，制动距离为76m;两车相对减速运动时，报警距离为105 m，制动距离为60 m。在车辆行驶过程中，车速为111.6 km/h，前车静止状态下，报警距离为186 m，制动距离为132 m;两车相对减速运动时，报警距离为139 m，制动距离为87 m。由于在实际高速公路行车中，应尽量避免使用刹车制动，特别是紧急刹车制动，而是采用减速措施以保持适当的跟车距离。因此，在此模型中，报警距离值的选取符合法律规定。

在输入报警距离与制动距离时，均能实现不同方式的报警，且硬件与软件匹配，系统可以稳定工作。