【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 論文主要研究的內(nèi)容汽車智能防撞系統(tǒng)是一項(xiàng)融合汽車電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)及通信技術(shù)等多學(xué)科的綜合性課題，雖然國(guó)際上對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)行了近40多年一些系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于高檔豪華轎車上了，但我國(guó)在這方面的技術(shù)還相對(duì)比較落后，測(cè)距傳感器性能較差，虛警率較高，性價(jià)比低等問題需要進(jìn)一步解決。在倒車防撞方由于車輛運(yùn)動(dòng)速度較慢，傳感器探測(cè)的距離較短，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，目前已經(jīng)有很多的已經(jīng)成型的產(chǎn)品應(yīng)用于汽車上，所以本論文僅在汽車前向追尾防撞方面進(jìn)行了研究。本論文主要完成如下幾部分工作：（1）詳細(xì)分析汽車發(fā)生追尾事故的過程以及原因，對(duì)高速公路的車輛追尾防撞預(yù)警系統(tǒng)提出功能性的要求；（2）從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)兩方面對(duì)汽車制動(dòng)過程進(jìn)行分析，對(duì)防撞預(yù)警系統(tǒng)的制動(dòng)機(jī)構(gòu)提出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案，建立實(shí)用的防撞預(yù)警模型,并根據(jù)汽車性能以及高速公路狀況確定模型的參數(shù)設(shè)置；（3）針對(duì)系統(tǒng)的要求，選擇合適的傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，采用高性能的AR微處理器作為中央處理器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理電路、A/D采集電路、顯示電路、聲光報(bào)警電路,并制作出PCB板對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，從硬件方面可靠性設(shè)計(jì)； （4）采用C語言和匯編語言混合編程的方式對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行編寫和調(diào)試，從軟件方面進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)；（5）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行防碰撞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。 研究方法及具體步驟本課題為理論研究與技術(shù)開發(fā)，在論文中采用了理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，先從各環(huán)節(jié)的元件配置開始，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合，從該系統(tǒng)計(jì)算和試驗(yàn)得出有效理論依據(jù)，最后回到實(shí)踐中去加以指導(dǎo)和改進(jìn)。硬件方面：探討各種測(cè)距傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的測(cè)距傳感器，并在此基礎(chǔ)上選擇合適的單片機(jī)與測(cè)距傳感器相匹配；軟件方面：在探討行車信息采集與處理方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行編程調(diào)試以及驗(yàn)證其系統(tǒng)的性能和實(shí)用性，根據(jù)分析所得的數(shù)據(jù)提出合理的配置方案，并給出方案的具體元器件工作原理與所需的邏輯電路圖；對(duì)報(bào)警方式進(jìn)行優(yōu)選和實(shí)驗(yàn)，將系統(tǒng)改進(jìn)并優(yōu)化，最終確定高速公路汽車追尾系統(tǒng)的整體方案。55第二章 汽車防追尾系統(tǒng)的目標(biāo)及總體設(shè)計(jì) 汽車追尾事故分析 駕駛行為及過程在道路上行駛的汽車，其駕駛員、汽車和道路環(huán)境構(gòu)成了典型的人一車一路系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，駕駛員是關(guān)鍵因素，對(duì)行車安全起著主導(dǎo)作用。根據(jù)對(duì)人行為的“刺激機(jī)體反應(yīng)”經(jīng)典模式，駕駛汽車可分為三個(gè)階段，即感知階段、判斷決策階段和執(zhí)行階段。汽車運(yùn)行狀態(tài)判斷決策執(zhí)行感知道路環(huán)境信息（1）感知階段。感知階段主要通過視覺、聽覺和觸覺來獲得道路環(huán)境和自車的運(yùn)行工況信息，這一階段主要由感覺器官完成。在感知階段，駕駛員對(duì)己存在的道路交通信息的判別和正確理解，是隨后合理進(jìn)行動(dòng)作的保證和基礎(chǔ)。對(duì)于駕駛員來說，如果沒有完全和準(zhǔn)確的駕駛信息和運(yùn)行狀態(tài)的獲得，極有可能導(dǎo)致判斷失誤和動(dòng)作失誤，因此，駕駛狀態(tài)意識(shí)在駕駛行為中相當(dāng)重要。（2）判斷決策階段。判斷決策階段是駕駛員在感知信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)和技能，經(jīng)過分析，做出判斷，確定有利于安全行駛的措施，這一段主要由人的大腦完成。識(shí)別道路交通環(huán)境中的各個(gè)關(guān)鍵要素是首位。在汽車行駛時(shí)，駕駛員需要知道其他車輛和障礙物在哪里，以及它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、自己車輛的狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特性。駕駛員可以從道路環(huán)境、車內(nèi)顯示儀表板或直接通過感覺器官來識(shí)別道路交通狀態(tài)中的要素及相應(yīng)特性。（3）執(zhí)行階段。執(zhí)行階段是指駕駛員依據(jù)判斷決策所做出的實(shí)際反應(yīng)和行動(dòng)，具體指手、腳對(duì)汽車實(shí)施的控制，如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等，這一階段主要由運(yùn)動(dòng)器官完成。這樣，駕駛行為不僅是信息感知、判斷和執(zhí)行三個(gè)階段不間斷的多次組合，而且也是三者的連鎖反應(yīng)。這就要求駕駛員在非常短的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)綜合判斷的結(jié)果及對(duì)現(xiàn)有狀態(tài)的認(rèn)識(shí)和理解，來確定要素的瞬時(shí)或者隨后狀態(tài)，以便于正確的決策和協(xié)調(diào)動(dòng)作。 追尾事故分析引起高速公路汽車追尾的原因是多方面的，除眾所周知的諸如車速高、制動(dòng)非安全區(qū)擴(kuò)大、氣候條件差等易于誘發(fā)汽車追尾事故外，還有以下幾個(gè)方面的原因。在追尾事故發(fā)生的前一刻時(shí)間，駕駛員獲得道路環(huán)境狀態(tài)信息。當(dāng)速度、相對(duì)速度和兩車之間的距離超越了安全距離的邊界時(shí)，就引發(fā)交通事故。根據(jù)前面的分析，我們可以找出追尾事故產(chǎn)生在三個(gè)不同階段的原因[10]。（1）在感知階段駕駛員需要知道前方車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和自車的運(yùn)行工況，如果通過感覺器官獲得的信息不準(zhǔn)確，或者不能獲得完整的所需要的信息，那么就只有依靠經(jīng)驗(yàn)來駕駛。但是駕駛員高速駕駛條件下生理特征會(huì)發(fā)生變化：汽車駕駛員通過視覺機(jī)能從交通環(huán)境中獲得80%以上的交通信息，從而實(shí)施駕駛操作。行駛中駕駛員的視覺判斷能力與車速有關(guān)，車速越高，判斷能力越差，同時(shí)駕駛員觀察人、物的視線焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，這樣就容易導(dǎo)致車輛的追尾事故。其中對(duì)駕駛影響較大的是動(dòng)視力和視野。①動(dòng)視力下降:其變化趨向是隨車速提高而下降。動(dòng)視力是指汽車在行進(jìn)中駕駛員能看清物體的(最遠(yuǎn))距離。動(dòng)視力不同于靜視力，靜視力對(duì)同一個(gè)人來說，一般變化不大，而動(dòng)視力則不然。對(duì)于同一個(gè)人，以不同的速度駕車行駛，動(dòng)視力差別很大，車速越高，能看清楚的距離越短。如車速在60km/h時(shí)駕駛員看清行車前方標(biāo)志的距離為240m,而當(dāng)車速升至80km/h時(shí),駕駛員則在同樣條件下看清行車前方標(biāo)志的距離為160m；。，對(duì)于不同年齡的駕駛員，都遵循同一規(guī)律，即車速越高，動(dòng)視力越小，故容易產(chǎn)生交通事故；②視野變窄:其變化趨向是隨車速提高注視點(diǎn)前移,視野變窄,形成“隧道視覺”。視野是指駕駛員眼睛能看到的空間范圍。汽車高速行駛時(shí)，駕駛員的視野變得很狹小。低速行駛時(shí)，駕駛員能透過擋風(fēng)玻璃，清晰地看到前方全景。隨著車速的提高，近處景物相對(duì)汽車移動(dòng)的速度提高。當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，由于近物也在快速移動(dòng)，在駕駛員的視網(wǎng)膜中來不及成像，因而變得模糊不清，只有玻璃中間的遠(yuǎn)處景物還可以看清，使注視點(diǎn)前移。車速越快，視野越小，注意力隨之引向景象的中心()而置兩側(cè)于不顧，易形成“隧洞視”現(xiàn)象，使駕駛員易于疲勞甚至打磕睡，從而引發(fā)追尾等交通事故；③注意力分散、準(zhǔn)確判斷能力降低:隨著駕駛時(shí)間的增加,駕駛員的注意力會(huì)不自覺的分散，使其對(duì)車速的敏感性降低；④誘導(dǎo)睡意:在全封閉的高速公路上長(zhǎng)時(shí)間行車易使駕駛員產(chǎn)生單調(diào)感,導(dǎo)致意識(shí)渾沌,誘導(dǎo)睡意。由于這些原因，駕駛員對(duì)車子相對(duì)速度和距離信息掌握不足或者大意，從而引發(fā)追尾事故[11]。、視野與車速關(guān)系（2）在判斷決策階段，駕駛員根據(jù)所獲得的距離、相對(duì)速度以及自車的速度信息，得出安全跟車距離。并把當(dāng)前相對(duì)距離與經(jīng)驗(yàn)駕駛的安全距離相比較，如果當(dāng)前距離大于安全跟車距離時(shí)，汽車保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者采取加速狀態(tài)。如果當(dāng)前距離小于安全跟車距離時(shí)，汽車應(yīng)該改變?cè)瓉淼倪\(yùn)行狀態(tài)，并且發(fā)出相應(yīng)的指令，采取減速或者制動(dòng)的操作。在這一階段，如果判斷準(zhǔn)確，則是可以避免追尾事故的。但是，由于高速公路長(zhǎng)時(shí)間行車的單調(diào)性,易使駕駛員注意力分散，對(duì)緊急情況下的感知遲緩,判斷準(zhǔn)確率降低，如果駕駛員經(jīng)驗(yàn)不足，或者判斷有誤。汽車行駛中駕駛員掌握車速依靠?jī)蓚€(gè)方面:一是觀察車速表，另一個(gè)就是憑藉個(gè)人的主觀感覺。主觀感覺是駕駛員根據(jù)看到周圍景物的移動(dòng)和身體的感受，以及聽到的風(fēng)聲來判斷車速的，因此易產(chǎn)生誤差，特別在高速長(zhǎng)距離行駛時(shí)，更是如此（）。試驗(yàn)條件估計(jì)車速為60km/h時(shí)的實(shí)際車速誤差（%）100km/h車速保持140m后減速11100km/h車速連續(xù)行駛30m后減速26100km/h車速連續(xù)行駛60m后減速 km/h32研究人員把這種現(xiàn)象叫做速度順應(yīng)特性，即行車時(shí)間越長(zhǎng)，駕駛員判斷的車速與實(shí)際車速的誤差越大。這種順應(yīng)特性，也易于誘發(fā)追尾事故。據(jù)對(duì)來往于京津塘高速公路的車輛進(jìn)行車速調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有80%車輛的速度超過了規(guī)定的110km/h的限速標(biāo)準(zhǔn)，甚至有的駕駛員駕駛高級(jí)轎車的速度高達(dá)150km/h以上，致使險(xiǎn)象環(huán)生。這一方面與駕駛員對(duì)高速公路的行車規(guī)定、行車知識(shí)缺少了解有關(guān)以外，另一方面就是駕駛員的速度順應(yīng)特性造成的，這是一個(gè)不容忽視的因素。（3）在執(zhí)行階段，駕駛員根據(jù)所做出的決策進(jìn)行正確操作。如果操作準(zhǔn)確無誤，并且判斷決策準(zhǔn)確及時(shí)，那么就可以避免事故發(fā)生，使車輛以安全狀態(tài)運(yùn)動(dòng)；如果在緊急情況下，或者駕駛員來不及反映，就會(huì)引起誤操作或者操作不能達(dá)到預(yù)期的效果，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。追尾事故正常運(yùn)行執(zhí)行判斷決策信息獲得前車信息 駕駛員操縱汽車是由感覺器官獲得環(huán)境信息，經(jīng)由大腦中樞處理、決策后發(fā)布命令，傳達(dá)到效果器(指運(yùn)動(dòng)器官的手、腳等)來控制汽車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，汽車運(yùn)動(dòng)后再由反饋來的信息糾正效果器的偏差來完成的。從信息到完成操縱有一時(shí)間延遲，這一時(shí)間延遲隨操縱特性的不同而不同。正是由于這一時(shí)間延遲的影響，在交通流量大的高速公路上會(huì)引起追尾事故。在高速公路上行駛，前車變速時(shí)，后車會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)。當(dāng)前車減速時(shí)，后車也隨之減速，但要延遲一段時(shí)間。這時(shí)可能前車又加速，后車又隨之加速，但此時(shí)前車也許已保持勻速行駛。這樣兩車的車間距隨時(shí)不斷變化。當(dāng)交通量很大時(shí)，某些車間距很短，在車速很高的車隊(duì)里，一旦前車車速有所降低常會(huì)發(fā)生后繼各車相繼追尾的連鎖反應(yīng)。 防追尾系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 綜合以上對(duì)汽車追尾事故原因的分析可知，要設(shè)計(jì)高性能的汽車追尾防撞系統(tǒng)必須從駕駛員的感知、判斷、操作三方面來全面考慮：使用足夠的性能優(yōu)良的傳感器來感知外界的情況增強(qiáng)人的感知范圍；建立正確而實(shí)用的防撞模型，由中央處理器來分析行車狀況從而減少人的主觀經(jīng)驗(yàn)判斷引起的失誤；提供有效的操作機(jī)構(gòu)來加強(qiáng)人反應(yīng)不足所引起的誤操作[12]。具體的設(shè)計(jì)要求如下：（1）雷達(dá)傳感器對(duì)各種天氣狀況（如大霧、晴天、雨天、陰天和雪天等典型氣候）適應(yīng)性好；（2）選取合適的傳感器探測(cè)汽車側(cè)面狀況，防止汽車側(cè)面碰撞，探測(cè)行駛路面情況，為防撞模型提供合適的參數(shù)；（3）根據(jù)交通安全法規(guī)及高速公路特性建立適當(dāng)?shù)母嚹Ｐ汀ＤＰ蛻?yīng)綜合考慮人的駕駛習(xí)慣及交通安全；（4）采用功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的微處理器對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理，根據(jù)跟車模型產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)及緊急制動(dòng)信號(hào)；（5）根據(jù)汽車制動(dòng)原理，設(shè)計(jì)合適的緊急制動(dòng)機(jī)構(gòu)；（6）具有顯示、記錄行車狀態(tài)的功能，方便駕駛員駕駛及事故后對(duì)事故原因的分析；（7）系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)，可靠性高，抗振性能好，溫度穩(wěn)定性好；（8）系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣，可靠性高，總成本低，體積小，便于安裝。 防追尾系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 汽車防追尾碰撞系統(tǒng)屬于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一般由感測(cè)控制信號(hào)的傳感器，以計(jì)算機(jī)為核心的控制單元和實(shí)現(xiàn)控制意圖的執(zhí)行器三部分構(gòu)成。傳感器是系統(tǒng)中信息的輸人部分，它用于感測(cè)控制系統(tǒng)外部的信息，并將得到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳輸給控制單元，輸人信息是引起控制系統(tǒng)發(fā)生變化的原因，在汽車防追尾碰撞系統(tǒng)中，測(cè)距傳感器則是把所測(cè)到的行車環(huán)境信息(前方車輛的車距、方位等)傳遞給控制單元?？刂茊卧强刂葡到y(tǒng)的中樞，是系統(tǒng)中的信息處理部分，它通過處理、分析和計(jì)算輸人信息形成控制指令，并將形成的控制決定傳輸給執(zhí)行器，處理是控制系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)過程，本系統(tǒng)的控制單元?jiǎng)t完成防碰撞預(yù)測(cè)與判斷功能(路徑、臨界車距計(jì)算、安全/危險(xiǎn)?)，危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出信息給執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警。執(zhí)行器則是控制系統(tǒng)的輸出部分，它將電控單元形成的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的物理運(yùn)動(dòng)，輸出是系統(tǒng)根據(jù)輸人產(chǎn)生的結(jié)果，本系統(tǒng)的執(zhí)行單元主要是實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警功能，提醒駕駛員采取減速、制動(dòng)若加速超車等措施以及自動(dòng)向后車發(fā)出警告信息等[13]。綜合分析追尾防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可以得到高性能的汽車追尾防撞系統(tǒng)包括以下幾部分：1）電源管理模塊，負(fù)責(zé)不同電源之間的轉(zhuǎn)換，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電；2）信息采集處理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)汽車外界的狀況進(jìn)行采集處理；3）緊急制動(dòng)模塊，負(fù)責(zé)緊急狀態(tài)下的自動(dòng)制動(dòng)；4）人機(jī)交互、聲光報(bào)警模塊，負(fù)責(zé)行車狀態(tài)的顯示及危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；5）主控制模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)信息的處理及控制；6）存儲(chǔ)、通信模塊，負(fù)責(zé)行車狀態(tài)的記錄及與其他設(shè)備的信息交換。電源管理模塊存儲(chǔ)模塊 中央控制模塊S3C44BOX信息處理模塊通信模塊制動(dòng)模塊人機(jī)交互模塊聲光報(bào)警模塊系統(tǒng)的及時(shí)報(bào)警能對(duì)駕駛員起到良好的警示作用，但如果系統(tǒng)的可靠性差，頻繁的報(bào)警可能會(huì)使駕駛員麻痹而導(dǎo)致忽視往后的報(bào)警，影響系統(tǒng)作用的發(fā)揮?？紤]到汽車行駛環(huán)境的復(fù)雜性，參考前人研究的經(jīng)驗(yàn)，確定在以下場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)采取抑制報(bào)警:（1）駕駛員采取制動(dòng)時(shí)。駕駛員采取制動(dòng)措施，說明駕駛員已經(jīng)意識(shí)到了行車的危險(xiǎn)狀況，在這個(gè)時(shí)候應(yīng)該抑制報(bào)警。（2）低速行駛。車輛在城市道路低速行駛和經(jīng)常性起步停車時(shí)，發(fā)生惡性交通事故的可能性很小，因此當(dāng)自車速度低于一定值，(目前定為30km/h)時(shí)，對(duì)報(bào)警進(jìn)行抑制。（3）彎道行駛。車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，雷達(dá)把道路兩旁的路障或隔離物當(dāng)作目標(biāo)，錯(cuò)誤的判定自車處于非安全行駛狀態(tài)，從而發(fā)生虛報(bào)警，此時(shí)也應(yīng)對(duì)報(bào)警進(jìn)行抑制。 本章小結(jié)本章主要是在了解了駕駛汽車可分為三個(gè)階段，即感知階段、判斷決策階段和執(zhí)行階段的基礎(chǔ)上分析了高速公路汽車追尾事故的原因：駕駛員高速駕駛條件下生理特征會(huì)發(fā)生變化：汽車駕駛員通過視覺機(jī)能從交通環(huán)境中獲得80%以上的交通信息，從而實(shí)施駕駛操作。行駛中駕駛員的視覺判斷能力與車速有關(guān)，車速越高，判斷能力越差，同時(shí)駕駛員觀察人、物的視線焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，這樣就容易導(dǎo)致車輛的追尾事故；駕駛員對(duì)高速公路的行車規(guī)定、行車知識(shí)缺少了解有關(guān)以外，另一方面就是駕駛員的速度順應(yīng)特性造成的，這是一個(gè)不容忽視的因素；駕駛員來不及反映，就會(huì)引起誤操作或者操作不能達(dá)到預(yù)期的效果，從而導(dǎo)致事故發(fā)生。并以此提出了追尾防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 ，同時(shí)根據(jù)要求設(shè)計(jì)了高速公路車輛追尾防撞系統(tǒng)。第三章 高速公路最小安全行車車間距離的分析 在我國(guó)，高速公路既限制最低車速(50km/h)，又限制最高車速(120km/h)，從而使車輛的運(yùn)行速度控制在一定的范圍內(nèi)。加之高速公路本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，排除了橫向交通和低速車輛的干擾，容易使車輛形成一個(gè)穩(wěn)定的車輛流，一般稱這種