【文章內容簡介】 論文主要研究的內容汽車智能防撞系統(tǒng)是一項融合汽車電子技術、現(xiàn)代控制技術、信號處理技術及通信技術等多學科的綜合性課題，雖然國際上對于該項技術的研究已經(jīng)進行了近40多年一些系統(tǒng)已經(jīng)應用于高檔豪華轎車上了，但我國在這方面的技術還相對比較落后，測距傳感器性能較差，虛警率較高，性價比低等問題需要進一步解決。在倒車防撞方由于車輛運動速度較慢，傳感器探測的距離較短，系統(tǒng)設計簡單，目前已經(jīng)有很多的已經(jīng)成型的產(chǎn)品應用于汽車上，所以本論文僅在汽車前向追尾防撞方面進行了研究。本論文主要完成如下幾部分工作：（1）詳細分析汽車發(fā)生追尾事故的過程以及原因，對高速公路的車輛追尾防撞預警系統(tǒng)提出功能性的要求；（2）從動力學和運動學兩方面對汽車制動過程進行分析，對防撞預警系統(tǒng)的制動機構提出相應設計方案，建立實用的防撞預警模型,并根據(jù)汽車性能以及高速公路狀況確定模型的參數(shù)設置；（3）針對系統(tǒng)的要求，選擇合適的傳感器對信號進行采集，采用高性能的AR微處理器作為中央處理器，設計相應的數(shù)據(jù)處理電路、A/D采集電路、顯示電路、聲光報警電路,并制作出PCB板對電路進行調試，從硬件方面可靠性設計； （4）采用C語言和匯編語言混合編程的方式對系統(tǒng)軟件進行編寫和調試，從軟件方面進行可靠性設計；（5）設計實驗對系統(tǒng)進行防碰撞實驗，驗證系統(tǒng)的各項功能。 研究方法及具體步驟本課題為理論研究與技術開發(fā)，在論文中采用了理論與實踐相結合的方法，先從各環(huán)節(jié)的元件配置開始，基礎實驗和理論分析相結合，從該系統(tǒng)計算和試驗得出有效理論依據(jù)，最后回到實踐中去加以指導和改進。硬件方面：探討各種測距傳感器的優(yōu)缺點，根據(jù)實際要求選擇合適的測距傳感器，并在此基礎上選擇合適的單片機與測距傳感器相匹配；軟件方面：在探討行車信息采集與處理方法的基礎上，進行編程調試以及驗證其系統(tǒng)的性能和實用性，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；對報警方式進行優(yōu)選和實驗，將系統(tǒng)改進并優(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)的目標及總體設計 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)境構成了典型的人一車一路系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，駕駛員是關鍵因素，對行車安全起著主導作用。根據(jù)對人行為的“刺激機體反應”經(jīng)典模式，駕駛汽車可分為三個階段，即感知階段、判斷決策階段和執(zhí)行階段。汽車運行狀態(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，駕駛員對己存在的道路交通信息的判別和正確理解，是隨后合理進行動作的保證和基礎。對于駕駛員來說，如果沒有完全和準確的駕駛信息和運行狀態(tài)的獲得，極有可能導致判斷失誤和動作失誤，因此，駕駛狀態(tài)意識在駕駛行為中相當重要。（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上，結合自己的駕駛經(jīng)驗和技能，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。識別道路交通環(huán)境中的各個關鍵要素是首位。在汽車行駛時，駕駛員需要知道其他車輛和障礙物在哪里，以及它們的運動狀態(tài)、自己車輛的狀態(tài)和運動特性。駕駛員可以從道路環(huán)境、車內顯示儀表板或直接通過感覺器官來識別道路交通狀態(tài)中的要素及相應特性。（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際反應和行動，具體指手、腳對汽車實施的控制，如加速、制動、轉向等，這一階段主要由運動器官完成。這樣，駕駛行為不僅是信息感知、判斷和執(zhí)行三個階段不間斷的多次組合，而且也是三者的連鎖反應。這就要求駕駛員在非常短的時間內，根據(jù)綜合判斷的結果及對現(xiàn)有狀態(tài)的認識和理解，來確定要素的瞬時或者隨后狀態(tài)，以便于正確的決策和協(xié)調動作。 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、制動非安全區(qū)擴大、氣候條件差等易于誘發(fā)汽車追尾事故外，還有以下幾個方面的原因。在追尾事故發(fā)生的前一刻時間，駕駛員獲得道路環(huán)境狀態(tài)信息。當速度、相對速度和兩車之間的距離超越了安全距離的邊界時，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動狀態(tài)和自車的運行工況，如果通過感覺器官獲得的信息不準確，或者不能獲得完整的所需要的信息，那么就只有依靠經(jīng)驗來駕駛。但是駕駛員高速駕駛條件下生理特征會發(fā)生變化：汽車駕駛員通過視覺機能從交通環(huán)境中獲得80%以上的交通信息，從而實施駕駛操作。行駛中駕駛員的視覺判斷能力與車速有關，車速越高，判斷能力越差，同時駕駛員觀察人、物的視線焦點越遠，這樣就容易導致車輛的追尾事故。其中對駕駛影響較大的是動視力和視野。①動視力下降:其變化趨向是隨車速提高而下降。動視力是指汽車在行進中駕駛員能看清物體的(最遠)距離。動視力不同于靜視力，靜視力對同一個人來說，一般變化不大，而動視力則不然。對于同一個人，以不同的速度駕車行駛，動視力差別很大，車速越高，能看清楚的距離越短。如車速在60km/h時駕駛員看清行車前方標志的距離為240m,而當車速升至80km/h時,駕駛員則在同樣條件下看清行車前方標志的距離為160m；。，對于不同年齡的駕駛員，都遵循同一規(guī)律，即車速越高，動視力越小，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，駕駛員的視野變得很狹小。低速行駛時，駕駛員能透過擋風玻璃，清晰地看到前方全景。隨著車速的提高，近處景物相對汽車移動的速度提高。當汽車高速行駛時，由于近物也在快速移動，在駕駛員的視網(wǎng)膜中來不及成像，因而變得模糊不清，只有玻璃中間的遠處景物還可以看清，使注視點前移。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、準確判斷能力降低:隨著駕駛時間的增加,駕駛員的注意力會不自覺的分散，使其對車速的敏感性降低；④誘導睡意:在全封閉的高速公路上長時間行車易使駕駛員產(chǎn)生單調感,導致意識渾沌,誘導睡意。由于這些原因，駕駛員對車子相對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]。、視野與車速關系（2）在判斷決策階段，駕駛員根據(jù)所獲得的距離、相對速度以及自車的速度信息，得出安全跟車距離。并把當前相對距離與經(jīng)驗駕駛的安全距離相比較，如果當前距離大于安全跟車距離時，汽車保持原來的運動狀態(tài)或者采取加速狀態(tài)。如果當前距離小于安全跟車距離時，汽車應該改變原來的運行狀態(tài)，并且發(fā)出相應的指令，采取減速或者制動的操作。在這一階段，如果判斷準確，則是可以避免追尾事故的。但是，由于高速公路長時間行車的單調性,易使駕駛員注意力分散，對緊急情況下的感知遲緩,判斷準確率降低，如果駕駛員經(jīng)驗不足，或者判斷有誤。汽車行駛中駕駛員掌握車速依靠兩個方面:一是觀察車速表，另一個就是憑藉個人的主觀感覺。主觀感覺是駕駛員根據(jù)看到周圍景物的移動和身體的感受，以及聽到的風聲來判斷車速的，因此易產(chǎn)生誤差，特別在高速長距離行駛時，更是如此（）。試驗條件估計車速為60km/h時的實際車速誤差（%）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)象叫做速度順應特性，即行車時間越長，駕駛員判斷的車速與實際車速的誤差越大。這種順應特性，也易于誘發(fā)追尾事故。據(jù)對來往于京津塘高速公路的車輛進行車速調查發(fā)現(xiàn)，有80%車輛的速度超過了規(guī)定的110km/h的限速標準，甚至有的駕駛員駕駛高級轎車的速度高達150km/h以上，致使險象環(huán)生。這一方面與駕駛員對高速公路的行車規(guī)定、行車知識缺少了解有關以外，另一方面就是駕駛員的速度順應特性造成的，這是一個不容忽視的因素。（3）在執(zhí)行階段，駕駛員根據(jù)所做出的決策進行正確操作。如果操作準確無誤，并且判斷決策準確及時，那么就可以避免事故發(fā)生，使車輛以安全狀態(tài)運動；如果在緊急情況下，或者駕駛員來不及反映，就會引起誤操作或者操作不能達到預期的效果，從而導致事故發(fā)生。追尾事故正常運行執(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，傳達到效果器(指運動器官的手、腳等)來控制汽車產(chǎn)生運動，汽車運動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間延遲，這一時間延遲隨操縱特性的不同而不同。正是由于這一時間延遲的影響，在交通流量大的高速公路上會引起追尾事故。在高速公路上行駛，前車變速時，后車會作出相應的反應。當前車減速時，后車也隨之減速，但要延遲一段時間。這時可能前車又加速，后車又隨之加速，但此時前車也許已保持勻速行駛。這樣兩車的車間距隨時不斷變化。當交通量很大時，某些車間距很短，在車速很高的車隊里，一旦前車車速有所降低常會發(fā)生后繼各車相繼追尾的連鎖反應。 防追尾系統(tǒng)設計要求 綜合以上對汽車追尾事故原因的分析可知，要設計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人的感知范圍；建立正確而實用的防撞模型，由中央處理器來分析行車狀況從而減少人的主觀經(jīng)驗判斷引起的失誤；提供有效的操作機構來加強人反應不足所引起的誤操作[12]。具體的設計要求如下：（1）雷達傳感器對各種天氣狀況（如大霧、晴天、雨天、陰天和雪天等典型氣候）適應性好；（2）選取合適的傳感器探測汽車側面狀況，防止汽車側面碰撞，探測行駛路面情況，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?shù)母嚹Ｐ?。模型應綜合考慮人的駕駛習慣及交通安全；（4）采用功能強大、性能優(yōu)良的微處理器對傳感器進行實時采集、處理，根據(jù)跟車模型產(chǎn)生聲光報警信號及緊急制動信號；（5）根據(jù)汽車制動原理，設計合適的緊急制動機構；（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事故原因的分析；（7）系統(tǒng)抗電磁干擾能力強，可靠性高，抗振性能好，溫度穩(wěn)定性好；（8）系統(tǒng)應用范圍廣，可靠性高，總成本低，體積小，便于安裝。 防追尾系統(tǒng)總體設計 汽車防追尾碰撞系統(tǒng)屬于汽車計算機控制系統(tǒng)，一般由感測控制信號的傳感器，以計算機為核心的控制單元和實現(xiàn)控制意圖的執(zhí)行器三部分構成。傳感器是系統(tǒng)中信息的輸人部分，它用于感測控制系統(tǒng)外部的信息，并將得到的信息轉換為電信號后傳輸給控制單元，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，測距傳感器則是把所測到的行車環(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)對輸入的響應過程，本系統(tǒng)的控制單元則完成防碰撞預測與判斷功能(路徑、臨界車距計算、安全/危險?)，危險時發(fā)出信息給執(zhí)行單元，實現(xiàn)預報警。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變?yōu)閷崿F(xiàn)控制目標的物理運動，輸出是系統(tǒng)根據(jù)輸人產(chǎn)生的結果，本系統(tǒng)的執(zhí)行單元主要是實現(xiàn)預報警功能，提醒駕駛員采取減速、制動若加速超車等措施以及自動向后車發(fā)出警告信息等[13]。綜合分析追尾防撞系統(tǒng)的設計要求，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，負責不同電源之間的轉換，對整個系統(tǒng)進行供電；2）信息采集處理模塊，負責對汽車外界的狀況進行采集處理；3）緊急制動模塊，負責緊急狀態(tài)下的自動制動；4）人機交互、聲光報警模塊，負責行車狀態(tài)的顯示及危險狀態(tài)時進行聲光報警；5）主控制模塊，負責整個系統(tǒng)信息的處理及控制；6）存儲、通信模塊，負責行車狀態(tài)的記錄及與其他設備的信息交換。電源管理模塊存儲模塊 中央控制模塊S3C44BOX信息處理模塊通信模塊制動模塊人機交互模塊聲光報警模塊系統(tǒng)的及時報警能對駕駛員起到良好的警示作用，但如果系統(tǒng)的可靠性差，頻繁的報警可能會使駕駛員麻痹而導致忽視往后的報警，影響系統(tǒng)作用的發(fā)揮?？紤]到汽車行駛環(huán)境的復雜性，參考前人研究的經(jīng)驗，確定在以下場合對系統(tǒng)采取抑制報警:（1）駕駛員采取制動時。駕駛員采取制動措施，說明駕駛員已經(jīng)意識到了行車的危險狀況，在這個時候應該抑制報警。（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，發(fā)生惡性交通事故的可能性很小，因此當自車速度低于一定值，(目前定為30km/h)時，對報警進行抑制。（3）彎道行駛。車輛轉彎時，雷達把道路兩旁的路障或隔離物當作目標，錯誤的判定自車處于非安全行駛狀態(tài)，從而發(fā)生虛報警，此時也應對報警進行抑制。 本章小結本章主要是在了解了駕駛汽車可分為三個階段，即感知階段、判斷決策階段和執(zhí)行階段的基礎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發(fā)生變化：汽車駕駛員通過視覺機能從交通環(huán)境中獲得80%以上的交通信息，從而實施駕駛操作。行駛中駕駛員的視覺判斷能力與車速有關，車速越高，判斷能力越差，同時駕駛員觀察人、物的視線焦點越遠，這樣就容易導致車輛的追尾事故；駕駛員對高速公路的行車規(guī)定、行車知識缺少了解有關以外，另一方面就是駕駛員的速度順應特性造成的，這是一個不容忽視的因素；駕駛員來不及反映，就會引起誤操作或者操作不能達到預期的效果，從而導致事故發(fā)生。并以此提出了追尾防撞系統(tǒng)設計要求 ，同時根據(jù)要求設計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，高速公路既限制最低車速(50km/h)，又限制最高車速(120km/h)，從而使車輛的運行速度控制在一定的范圍內。加之高速公路本身的結構特點，排除了橫向交通和低速車輛的干擾，容易使車輛形成一個穩(wěn)定的車輛流，一般稱這種