电子论文-汽车主动避撞系统的改进方法与讨论

汽车主动避撞系统的改进方法与讨论唐文，男，现为桂林电子科技大学，计算机与控制学院研究生，研究方向为嵌入式系统的应用研究；李绍文，男，现为桂林电子科技大学网络中心副主任，高级工程师，研究方向为计算机应用技术。汽车主动避撞系统的改进方法与讨论唐文1，2李绍文2（桂林电子科技大学计算机与控制学院，广西桂林541004）（桂林电子科技大学网络信息中心，广西桂林541004）摘要：本文在对现有汽车主动避撞系统分析的基础上，提出了一种改进方法。通过对汽车制动系统增加有效的发射接收装置，并利用CAN网络中的优先级仲裁方式和悬架电脑的控制，使汽车之间可以相互“发现”，能在无人干扰的情况下实现汽车的自动刹车，有效地避免了汽车事故的发生。同时，对汽车的电子喷油系统也进行了类似的改进。此方法较好地弥补了汽车主动避撞系统的不足。关键字：汽车；主动避撞系统；改进中图分类号：TP399文献标志码：AImproveMethodsandArgumentofAutocarCollision-avoidanceSystemTangWen1,2LiShao-wen2(DepartmentofComputeandControl，GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuilinGuangxi541004)(NetWorkInformationCenter，GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuilinGuangxi541004)Abstract：BaseonanalysingtheexistingautocarCollision-avoidancesystem，thearcticleputsforwardaimprovemethods.Addingtheeffectivebeam-inceptequipmenttotheautocar，andmakinguseofPRIarbitrationmodeofCAN-Networkandbrakesystemcontrollingbyinnercomputer，theautocarscanbedetectedoneanother.Itcouldachieveautomaticbrakeinthecaseofnonedisturb，andavoidautocaraccidentseffectively.Sodoestheelectronicfuelinjectionsystem.TheimprovemethodscouldmakeupthelackofautocarCollision-avoidancesystembetter.KeyWords：Autocar；BrakeSystem；Improve0引言随着居民生活水平的提高，汽车也越来越多的进入寻常家庭。美国国家高速公路安全委员会(NHTSA)的调研表明,在道路交通致死事故中，因驾驶员过失造成的约占90%，而因车辆故障造成的仅占约3%。尽管采用越来越多的被动安全技术(如安全气囊、安全带、行人保护和吸能车体等)减轻了事故的伤害程度，但引发交通事故产生的根本原因都未得到解决。目前的汽车主动安全技术已日臻成熟,基于智能交通系统(ITS)的汽车主动避撞技术已经成为国内外机构的研究热点。本文就汽车的安全化提出一点设想，希望能有所帮助。1主动避撞系统的关键技术汽车主动避撞系统利用现代信息技术、传感技术来扩展驾驶员的感知能力,将感知技术获取的外界信息(如车速、行人或其他障碍物距离等)传递给驾驶员，同时在路况与车况的综合信息中辨识是否构成安全隐患，并在紧急情况下，自动采取措施控制汽车，使汽车能主动避开危险，保证车辆安全行驶，从而减少交通事故，提高交通安全性。避撞系统的工作过程可分为3部分:(1)当车辆正常行驶时，汽车主动避撞系统不停地对车辆行驶的安全程度进行计算，如判断为安全状态，避撞系统无任何动作，不干扰正常驾驶，同时驾驶员可以随时选取适合当前环境的模式进行车辆的自动控制；(2)当系统判断为危险状态时避撞系统会首先自动关闭油门，此时若驾驶员尚未采取相应的动作，则系统将自动控制车辆制动和转向，并调用其他相关控制系统(如ABS、车身稳定性控制程序ESP等)，使车辆远离危险的同时保证自车的安全，一旦车辆回到安全的行驶状态或驾驶员采取了控制动作，系统对车辆汽车主动避撞系统的改进方法与讨论2的控制将自动解除，回到正常行驶状态；(3)当系统判断为危险无法避让时，除采取远离和减少危险的控制外，还将根据危险程度的大小和障碍物的类型(车、行人或者其他障碍物)，选择合适的被动安全(如乘客保护甚至行人保护措施)控制策略。目前国内外汽车主动避撞系统的研究绝大多数集中在避撞系统的纵向控制。目前研究开发的汽车主动避撞系统有以下3种类型:(1)车辆主动避撞报警CWS(collisionwarning)系统。它是针对减轻车辆碰撞危害研发的，此系统对探测到的危害情况给出警报，美国已经在一些重型载货车和公交车辆上实现商用；(2)车辆自适应巡航控制ACC(adaptivecruisecontrol)系统，其主要目的是主动避撞，安装此系统的车辆可以实现简单交通情况下的主动避撞及巡航控制，一些汽车公司在高档车型上已经开始采用ACC技术；(3)复合型车辆智能控制系统，该系统针对复杂交通情况，特别是市区交通环境，采用ACC系统辅以车辆停走(stop&go)系统。提高车辆智能控制的实用性。相对于ACC系统，停走系统由于交通环境的复杂和系统对硬件的要求苛刻，系统实现的难度更大。虽然汽车的主动避撞技术比较好的解决一些汽车碰撞事件，但它在解决人与车时，并没有过多的考虑人的防护。再者，这种技术实现比较复杂，这就意味着成本比较高，所以本文就在主动避撞技术的基础上对其进行改进，以达到更好的应用。2对主动避撞系统的改进2.1改进方法的提出本文中仅以最简化语言讨论，以此来说明该方法的改进之处。考虑在高速公路上直线行驶的两辆相邻汽车之间，按常理而假设在高速公路上的最高速度为120公里每小时（即33.4米每秒），亦假设汽车在高速公路上即以该速度进行匀速行驶，则两车之间的车距应至少为120米，即以此距离为基准距离。现假设某一辆车出现故障，当时就停在公路中间。而由于司机不负责的驾驶，比如说疲劳、醉酒驾驶，如此之短的距离再加上高速行驶，则容易产生交通事故。该类事故的发生数不胜数，而我们便是要让汽车智能化，从而杜绝此类事故的发生。可以做这么个假想，假如，在非正常驾驶时（由于某种原因），汽车无须干预便能自动发现前面的故障车，并可以自动的刹车，则可以避免这场事故。与此同时我们也要考虑到不能因为该“自动化”而大幅增加汽车的成本，亦不能大幅增加汽车的自身载重。本文提出，考虑采用信号发射接收机制（当然，这只是一种方法，肯定有其他比之更好的方法，在此仅提出假设）。假设在一辆车的前面（比如说车的前部）安装信号接收装置，后面（比如说车的尾部）安装信号发射装置，发射接收的频率一致。当前面一辆车的发射装置发出信号时，在接收范围内后一辆车的接收装置即可接收到信号。便置该信号为最高优先级，并且该信号可产生中断引起汽车制动系统的作用，从而能控制汽车的刹车。很显然，该汽车便实现了自动刹车。如下图1，两车的前进方向是向右行驶，车2的发射器不间断地发射信号，以便让接收器实时接收。在基准距离外，车1是接收不到信号的，则不会引发中断。此时，车1的刹车便要通过驾驶者的自主刹车才能有效。车1车2图1汽车主动避撞系统的改进方法与讨论3而当车2出现情况时，车1行驶进发射的范围之内以后，便可接收到信号，从而车1产生控制信号，据此进行自动控制。让我们先了解车载系统的整个网络，以全CAN网络结构为例。整个网络分为三大模块：内部系统CAN（左边），CAN舒适网（上边），CAN车身网（下边）。各子网之间通过网关，即智能服务器BSI进行通信控制，同时各子网亦有各自独立的电脑进行控制。本文中所讨论的，即把内部系统CAN网络进行优化（在该网络内部增加发射接收装置），以此达到自动控制的目的。本文中在前面所提到的信号，可以引起汽车的自动刹车，但该信号不解除，则汽车便处于刹车状态而无法行驶。所以就必须有另一解除该信号的一个信号（我们称前一个信号为刹车信号，后一个为安全信号，而此时的主动碰撞系统就称之为改进型主动碰撞系统）。正常驾驶中，人们一般是踩着油门，遇到紧急的情况之时才踩刹车踏板。当不能进行正常驾驶，或遇到意外来不及反应时，改进型主动碰撞系统就会提供一个刹车信号实现紧急自动刹车；而当汽车紧急停下后，或驾驶者已经意识到必须刹车时，即可用安全信号来解除刹车信号，从而驾驶者可以继续行驶。接下来了解汽车刹车的刹车原理，以及本方法是如何改进主动碰撞系统的。众所周知，当我们踩下制动踏板时，汽车会减速直到停车，而刹车是需要巨大的力量的，人腿所产生的力量是不足以使车停下，那么制动系统是怎么样产生这巨大的力量的呢。这便是利用了摩擦力、杠杆原理和帕斯卡定律。制动踏板能够利用杠杆作用放大人腿部的力量（杠杆原理中距离与力成反比），然后把这个力量传递给液压系统。而任何液压系统背后的基本原理都很简单：作用在一点的力被不能压缩的液体传递到另一点，这种液体通常是油。绝大多数制动系统也在此中放大制动力量。液压传力系统最大的好处即是可以以任何长度，或者曲折成各种形状绕过其他部件来连接两个圆桶型的液压缸。还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主缸可以被分成多个副缸。使用液压系统的另外一个好处就是能使力量成倍的增加。在液压系统中你需要做的只是改变一个活塞和液压缸的尺寸。车1车2图2悬架电脑GEPABSESP自动变速器轮胎全压报警发动机电脑驻车辅助空调收放机多功能屏幕BSI组合仪表前车门模块发动机室控制盒雨水传感器报警转向盘下转换模块安全气囊拖挂伺服控制盒图3汽车主动避撞系统的改进方法与讨论4图4表示的就是力的加倍放大，力放大的倍数要以活塞的直径来定。左边的活塞直径为2寸（注：相当于5.08cm），右边的活塞直径为6寸（相当于15.24cm）。因为圆的面积等于Pi*r2，所以左边的活塞面积为3.14平方厘米，右边的活塞面积为28.26平方厘米。右边的活塞面积比左边的大9倍。这就意味着给左边的活塞施加任何一个力，右边的活塞就会产生一个比左边大9倍的力。因此当你给左边的活塞施加一个100磅的向下的力时，右边的活塞就会产生一个900磅的向上的力。唯一的不足就是当左边的活塞向下运动9寸时，右边的活塞只能向上运动1寸。摩擦力与物体接触面上的正压力成正比，如果给制动碟（可压制车轮转动）的压力越大则车辆获得的制动力就越大。由此，我们可以得出一个简单的结论，要使汽车停下来，那么人腿踩踏板的力要通过杠杆原理和帕斯卡定律把力放大，这个放大后的力传导到刹车的蹄片，蹄片与制动碟产生的强大摩擦力，让车减速，最后停下来。图5是制动系统的简单模型，我们在踏板处进行改进。把踏板剥离出制动系统后如图6，在踏板杠杆的两端增加弹簧，由图5可知，不刹车的时候，活塞1是靠右边的，也就是说我们增加的两根弹簧要在不刹车的情况下，把活塞1拉到其容器的最右边（此时两弹簧状态假设是原始状态，即不伸缩），当刹车时要把活塞1压到最左边。在踏板杠杆两端再各增加一对图4图6图5汽车主动避撞系统的改进方法与讨论5电磁铁，那么就可以这样假设，当不刹车时，上边的电磁铁通电有了磁性（此时是同性相克）同时上边的弹簧被拉伸，下边的弹簧被压缩，磁力远大于弹力，把活塞1拉到最右。当刹车时，上边的电磁铁立即断电无磁性，下边的电磁铁立即导电有磁性产生磁力同时下边的弹簧被压缩，上边的弹簧被拉伸，磁力远大于弹力开始拉踏板，把活塞1压到最左边，这个力被传导到活塞2，最后制动汽车使其停下来。汽车要运行，离不开汽油，所以汽车的电子喷油系统是至关重要。但刹车时，驾驶员不仅要踩踏板还要放松油门踏板，使汽车发动机没有汽油的燃烧，在这两者的作用下，自然就可以使汽车停下来了。假设我们不仅在制动系统处进行改进，同时还在电子喷油系统处改进，那就更好了。同样可以利