汽车防追尾系统的研究设计

汽车防追尾系统的研究设计［摘要］本次汽车防追尾设计，主要是集中在汽车测速，车距测量，紧急情况报警与自动处理等方面，该系统以STC12C2052单片机为控制核心，霍尔传感器作为测速模块、毫米波雷达作为测距模块，当汽车进入非安全距离时，系统会自动做出相应的减速处理并提示驾驶员要小心，而当车再次缩小进入紧急危险区时，系统则会自动报警并紧急刹车以免发生事故。它集汽车测速，车距测量，紧急情况报警与自动处理等功能于一体，具有高度智能化、灵敏度高、反应速度快，控制距离远的的特点，特别适合当今社会的需要。［关键词］单片机；测速；霍尔传感器测速；激光测距1、引言近年来，我国高速公路建设发展迅猛，为区域经济一体化的发展奠定了坚实的基础，同时，高速行车也引发了一系列严重的交通事故。汽车追尾碰撞是高速公路交通事故的主要形式。调查显示，追尾碰撞事故占高速公路总事故的比例高达36%~40%，而且多为恶性事故，所造成的经济损失和人员伤亡最大。所以预防高速公路交通事故应主要考虑汽车的追尾碰撞。汽车追尾碰撞发生的主要原因是车速过快、行车间距过小、制动不及时等，而且在驾驶员疲劳和天气状况不佳的条件下尤其容易发生。国外对追尾预警和避免系统的研究较早，其大量研究结果表明，经过合理设计的智能防撞系统能够有效降低追尾事故的发生率，提高高速公路行车的安全性。2、系统的总体设计汽车防追尾控制系统结构图，如图1所示。系统包括三个部分：（1）信号采集单元（2）中央处理单元（3）信号执行单元信号采集信号执行图1系统控制结构图该系统选用具有超强抗干扰能力的STC系列单片机STC12C2052作为控制核心，利用毫米波雷达获得前方目标车辆的运动信息，如车间距离、相对速度。角速度传感器作用于弯道时的角度测量。霍尔传感器则用来测量汽车自身的行驶速度。当前后两车间距为临界安全距离时，系统通过单片机控制声光报警系统向驾驶员发出报警信号，使驾驶员在追尾之前作出相应的防范措施。当汽车跟车距离小于极限安全距离时，则进入自动刹车阶段，系统自动采取毫米波雷达角度传感器霍尔测速传感器中央处理单元STC12C2052语言报警装置灯光报警装置自动制动单元制动措施。同时汽车尾部警示灯亮起，用于警示后车，避免连环追尾事故的发生。2.1、信息采集单元2.1.1、汽车测速汽车行驶过程中速度的测量可以为安全行驶提供保障，只有当测量得到的车速不高于预设最大行驶速度，汽车追尾事件才能够被杜绝。在这里我采用的是霍尔车速传感器。霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点，因而得到了广泛应用。其主要由齿圈、霍尔元件、永久磁铁和电子线路等组成。其工作原理为:永久磁铁的磁力线穿过霍尔元件通向触发齿圈，这时齿圈相当于一个集磁器，由齿圈旋转引起穿过霍尔元件的磁场变化，从而引起霍尔电压变化，最后通过电子线路变换成标准脉冲电压。通常齿圈旋转1周输出为8个脉冲，然后将脉冲电压信号送给中央处理器便可计算出当前自车的速度。2.1.2、车距测量仪器选择汽车测距常用的方式有超声波测距，毫米波雷达测距，摄像系统测距和激光测距等。其中，毫米雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候、全天时的特点；但考虑到毫米波雷达在传播中易受电磁波干扰，配合使用测量时间短、量程大、精度高的激光测距仪。2.1.3毫米波雷达测速、测距原理毫米波雷达测距主要有连续波雷达测距和脉冲雷达测距，但考虑到脉冲雷达测距在具体技术实施上有一定难度，这里所用的毫米波雷达是连续波雷达。连续波雷达测距是调频连续波（FMCW)测距方式，其基本原理是雷达天线发射连续的调频信号（一般为连续三角波），当遇到前方障碍物时，会产生与发射信号有一定延时的回波，通过雷达天线接收回波，并将发射信号和接收信号进行混频处理，混频后的结果可用其差拍信号间相差来表示雷达与前方车辆目标的距离，把对应的脉冲信号经微处理器处理计算可得到距离数值，再根据差频信号相差与相对速度的关系，计算出目标对雷达的相对速度。假设发射的中心频率为f。，B为频带宽度，T为扫描周期，调制信号为三角波，c为光速，R和V分别为目标的相对距离和相对速度。在发射信号的上升段和下降段，中频输出信号可以表示为（见图2）f1Tf2f0发射信号运动物体反射信号静止物体反射信号BfO图2、连续波雷达测距测速原理图2.1.4弯道测距原理首先，角速度传感器是安装在汽车方向盘的轴承上，用以测量方向盘在行驶过程中的角度情况。记所测得角度为α，当α=02.2信号执行单元信号执行单元包括安全报警电路，信息输出单元及自动制动模块，用于执行中央处理单元发出的相关信息。a安全报警电路。安全报警系统采用灯光与蜂鸣器相结合的报警方式，当中央处理单元判断存在危险时，向报警单元发出报警指令，报警系统执行操作。该电路对驾驶员产生视觉及听觉上的刺激，引起驾驶员的注意同时引导其采取合适动作，从而避免事故的发生。b.信息输出单元。信息输出单元主要功能是给驾驶员提供行车辆行驶中的相关运动参数，如自车速度，自车与前车之间的相对距离等。该部分采用1602液晶显示屏BCD来实现。c.自动制动模块。当汽车跟车距离小于极限安全距离时，自动刹车模块启动，装置通过内部的电机限速系统使小车强行制动。4电源电路。通过变压器将220V的交流电转化为8V的直流电源，利用7805稳压块进行稳压到5V,给超声波传感器、51单片机及电机供电，用更加方便简洁。若角度检测传感器检测到的角度比较大，则说明弯道的曲率较大，这时候实际要测量的距离弧度和双目视觉测距仪以及毫米波雷达测到的弦长距离有一定的差值。这时就要通过一定的计算得到相对距离。在这里，前后轮的距离是可测的固定值M，角度检测传感器检测到的角度也是已知的，故可通过2=(/sin)RMa算出车辆行驶圆周的半径R，与此同时，也能算出本车与前面车辆之间的圆周角度2arcsin(/2)MR。这样就能通过算出sinLR相对距离L。最后，将得到的L与安全距离进行比较从而对车速进行控制。控制车辆减速的具体过程和直行模式的一致，只是相对距离和相对速度的数值的设置不同。本专利所用的毫米波雷达是连续波雷达，它的发射信号是测定频率按调制频率信号规律变化的信号。由于电磁波在跟随车与前方车之间往返传播需要一定的时间，在这段时间内发射信号的频率已发生变化，再结合多普勒效应，可计算相对距离和相对速度。假设T为扫描周期，f为混频输出的中频信号频率，即发射信号和反射信号在某一时刻的频率差，df为相对运动引起的多普勒频移，1f、2f分别为三角波下降段、上升段输出的中频频率，如附图说明的图2所示。在这里，1dfff，2dfff。根据多普勒原理可知：02dfVfc，其中c为光速，0f为发射信号的中心频率，V为相对速度。这样便能得到毫米波测速雷达的测距公式和测速公式分别为：12()8cTRffF12()cVfff