高速公路连环撞车预警装置的设计研究

苗永浩，沈 威，胡超骏

（武汉理工大学物流工程学院，湖北 武汉430063）

随着交通安全越来越受关注，各种汽车安全设计装备也成为汽车设计领域的宠儿.针对高速公路上连环撞车事故，目前市场上出现了一些巡航装置.值得注意的是，市场上出现的巡航装置大多安装在中高档汽车上，利用GPS测速导航，此装置不仅昂贵，而且在交通事故易发的恶劣天气情况下，GPS不容易捕捉信号，成为此类装置的致命缺点.

1 设计思路

撞车预警装置由加速度传感器、车距检测装置、信号发射器、信号接收器、预警装置、汽车限速器、高速公路智能遥控装置组成，分别完成分析汽车是否撞车，事故车与本车距离测量，撞车信息的采集、发射、接收，警示限速，限速，对汽车进行标记等功能.为靠近事故现场的驾驶员提供更多的反应时间，并辅助驾驶员减速，最终达到预防连环撞车的目的（图1）.

图1 整体原理图

整套装置安装于汽车内部，信号发射器采集汽车撞车信息发射到后方汽车的接收器，启动汽车限速器，预警装置，实现对汽车驾驶员的预警和辅助减速功能［1］.

2 装置组成

2.1 加速度传感器

本装置（图2）包括敏感元件和信号获取与处理电路，所述敏感元件为敏感质量块、位于敏感质量块中间空腔的悬臂梁以及敏感质量块两端的杠杆结构；与杠杆结构锚点相接触的谐振器连入信号获取与处理电路；谐振器做成双音叉结构；敏感质量块空腔的悬臂梁两侧设置有测试驱动叉指结构，以此提高信噪比和灵敏度.

图2 加速度传感器结构

2.2 车距检测装置

本装置包括一个前置摄像头（除成像功能外，还能从图像传感器中接收LED的调制光信号并输出信息），在车尾部两侧安装LED尾灯（能够发射调制的信号，信号中携带有特定的信息）（图3），来实现包括车距、相对位置、相对速度的测量［2］.

图3 测距原理图

2.3 信息发射器

信息发射器由存储单元、无线发射单元、中央处理单元（CPU）以及按键控制单元构成.利用Zigbee实现信息扩散式传播，信号持续发出，时间足够等到救援人员控制事故现场，其信号范围为1 000m.信号分为预警信号和两种限速信号A与B，这三类信号不会相互影响，可以同时也可单独发射.

考虑到汽车在高速公路上出现意外事故，如突然熄火等.这里为驾驶员提供了一套人机配合的安全装置，就是在汽车发射器上连接一个按钮，当司机意识到汽车将出现意外情况时，或者车辆突然减速或者故障行驶时，加速度传感器首先会对加速度变化情况进行分析，车内预警器对驾驶员进行警示，驾驶员可以根据事故类型，现场情况作出判断，然后选择是否按按钮直接通过发射器对靠近本车的汽车发送预警信号，以保证本车和来车的安全（图4）.

图4 信息发射器工作示意图

2.4 信息接收器

接收器利用zigbee无线单片机单元、存储单元、车辆信息采集单元以及中央处理单元（CPU）构成，当事故车辆上的特殊信号传递到靠近事故车辆时，信息接收器接收信号并由CPU进行分析判断，对信息处理后，接收到预警信号就打开运行预警器，接收到限速信号A或B后就打开运行限速器（图5）.

控制电路通过接收加速度传感器以及接收器所反馈来的电信号命令，对预警器以及限速器进行有效智能化的控制［3］.

图5 接收器工作原理示意图

2.5 预警器

预警器由蜂鸣器和防刺眼闪光灯组成，当信息接收器将电信号传递到预警器时，蜂鸣器发出提示音对驾驶员进行警示，通过本车上的测距装置分析接收到事故车的信号，并告知驾驶员事故地点距本车的距离，让驾驶员采取有效的相应措施以应付事故，保障人车安全.另外，闪光灯对驾驶员加以辅助警示，两者同时运行，与车内其他预警器加以区别，提示驾驶员.预警器在高速公路和普通公路上都处于开启功能状态.

2.6 限速器

限速器由控制仪、机械手和软轴传力机构组成.其中机械手包括电机、电机驱动电路、螺旋副、限位装置和计数装置，螺旋副包括由电机驱动旋转的螺旋轴和旋套在螺旋轴上的螺旋套，该螺旋套可通过软轴传力机构拉动汽车的油门踏板向上移动.计数装置可对螺旋轴的旋转圈数进行计数.控制仪通过接收到的信号对机械手进行控制，实现对驾驶员的辅助减速.限速器主要用在高速公路上，收费站上有无线自动启动装置开启和关闭这个功能.

2.7 高速公路智能遥控装置

图6 高速公路智能遥控装置示意图

本装置包括光电门感应单元，单片机控制单元，无线发射器与控制单元（图6）.由于高速公路（包括普通公路）都为双向行驶车道（高速公路无单行道），以下分别称为L道（对应A信号）跟R道（对应B信号）.为实现限速警示的单向精确高效率控制.在高速公路的入口与出口处分别设置光电门感应装置，并在对应路面上设置无线遥控装置.当车通过R道入口时，光电门感应信息，将信息传输给无线发射器单元，无线发射器遂发射信号，将该车辆上的信号接收器A信号接受开关关闭，从而使车辆行于该方向车道时只能发射与接收处理B信号.当车从出口离开时，出口处的无线发射器控制单元重新对车辆上的A信号开关进行开启.（车在L道上同理，只是将对A信号的操作改为对B信号的操作.）这样，便可以成功实现单方向的车辆无线操控警示［4］.

3 装置可行性分析

1）本装置独立于车体之外，为装置的设计与安装提供了有效的前提条件.

2）选取加速度测量器时，充分考虑了当今市场车辆的各种速度与加速度测量方式.在普通车辆中，速度测量采用的是在车轴上安装速度传感器（五轮仪），测量车轴轮胎的转速，通过计算，将转速化为车辆的速度.这样的方法误差较大，不能将各种意外情况导致的速度误差考虑进去，如轮胎打滑、侧滑、空转以及突发碰撞等因素.为提高适用性，选取加速度传感器作为数据采集源.

3）发射、接收装置采用了当今比较流行的Zigbee模块，这项技术具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的特点.主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备.车距检测装置采用的是公开发明专利：基于可见光通信的车距测量方法，利用LED光通信的方式来实现包括车距、相对位置、相对速度的测量.预警器和限速器的技术成熟，考虑到本装置的独特功能，选择的预警器具备语音和灯光双重提示，限速器作为安全设计的辅助装置，充分利用其智能性，结构简单，安全可靠，便于推广和使用.

4）本装置主要用于高速公路上，其“标记功能”在汽车进入收费站那一刻开始工作，很好的保证了高速公路上两车道的独立性.这一设计充分体现了本装置的智能性，如果缺乏该装置，那么任意一车道的交通事故都会影响到另一车道的畅通性，严重影响高速公路上的行车效率.

［1］刘曙阳，堵兆君，刘 松.防止高速公路追尾撞车的预警系统及其预警方法，中国，02113003.5［P］.2002－11－27.

［2］罗立声，王艳坤.一种LED测距装置，中国，CN200820181591.7［P］.2009－10－21.

［3］管 欣，张立存.基于最优预瞄加速度决策的汽车自适应巡航控制系统［J］.吉林大学学报，2004，34（2）：89－93.

［4］罗禹贡，陈 涛，周 磊，等.奔腾智能混合动力电动轿车自适应巡航控制系统［J］.机械工程学报，2010，46（6）：2－7.