（精密儀器及機械專業(yè)論文）汽車防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)的研究(精密儀器及機械專業(yè)優(yōu)秀論文).pdf

汽車防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)的研究 摘要 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和車輛增多，公路道路交通安全形勢越來越嚴(yán)峻，汽車安 全事故中，正面和側(cè)面碰撞事故發(fā)生的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型的事故。如果能 夠在車輛寬松的環(huán)境中實現(xiàn)巡航，同時在碰撞事故發(fā)生前用蜂鳴或者語音提醒 汽車駕駛員，會在很大程度上減少交通事故。 本文總體構(gòu)思縱向、側(cè)向防撞安全預(yù)警和巡航控制的理論基礎(chǔ)、硬件設(shè)計 和軟件設(shè)計。探討了車輛制動過程中的運動狀態(tài)的跟車模型，選取適合系統(tǒng)需 求的縱向測距毫米波雷達(dá)測距傳感器，設(shè)計了側(cè)向超聲波測距傳感器。對系統(tǒng) 的硬件模塊構(gòu)成、器件選擇、方案確定及程序等方面進行了分析和研究。 本文側(cè)重于硬件設(shè)計。硬件系統(tǒng)劃分為主控單元、車速輸入、開關(guān)量輸入、 縱向雷達(dá)測距輸入，側(cè)向測距、蜂鳴報警、語音報警與顯示、緊急輔助制動系 統(tǒng)。在定義了各系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，中央處理單元選用了飛思卡爾公司的 m c 9 s 1 2 d t 2 5 6 ，這一汽車專用處理器為在復(fù)雜多變的車身系統(tǒng)里的穩(wěn)定安全運 行提供了保障。本系統(tǒng)集成了c a n 接口，可以將采集、處理之后的數(shù)據(jù)通過 總線接口，為其他設(shè)備采用。 在確定了實現(xiàn)系統(tǒng)功能所需要的各個硬件模塊基礎(chǔ)上，繪制了硬件電路原 理圖和主控板電路原理圖、制出了p c b 板，焊接完成了主控電路板實物，成功 調(diào)試了主控板的電源、串口、超聲波等功能模塊，完成超聲波測距實驗，實驗 結(jié)果合乎系統(tǒng)設(shè)計的需求。 汽車防撞系統(tǒng)及巡航的研究和開發(fā)符合汽車朝智能和安全方向發(fā)展的需 求，本文在汽車公路行駛當(dāng)中防撞預(yù)警安全與巡航行駛的集成開發(fā)作出了探討。 這一系統(tǒng)不斷完善和深入研究，對于保障駕駛員和行人安全，提高公路運輸效 率具有應(yīng)用前景和經(jīng)濟前景。 關(guān)鍵詞：汽車防撞預(yù)警超聲波傳感器檢測輸入c a n t h er e s e a r c ho na u t o m o b i l ea n t i c o l l i s i o nw a r n i n ga n dc r u i s e s y s t e m a b s t r a c t w i t he c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dg r o w t ha m o u n to fv e h i c l e s r o a ds a f e t ys i t u a t i o n c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h ef r o n ta n ds i d e sp r o b a b i l i t yo fc o l l i s i o ni sm u c h h i g h e rt h a no t h e r si nc a ra c c i d e n t s t h i sp a p e rb a s e do nt h ea u t o m o t i v ea c t i v es a f e t y t h ef r o n ta n ds i d ea n t i c o l l i s i o n w a r n i n ga n dc r u i s e c o n t r o lo nt h es y s t e m sh a r d w a r e ，c o n s i s t so fp a r a m e t e r s e l e c t i o n ，c o n t r o lp r o g r a ma n ds o f t w a r ea s p e c t so ft h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ， e m p h a s i s e do nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，b e n c h m a r ka n de x p e r i m e n t t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h eb r a k i n gp r o c e s sw i t ht h es t a t eo fc a rm o d e l ，s e l e c t e df r o n tr a n g i n g s y s t e m r e q u i r e m e n t s m i l l i m e t e rw a v er a d a rr a n g i n gs e n s o r ，a n dd e s i g n e d t r a n s v e r s eu l t r a s o n i cr a n g es e n s o r h a r d w a r es y s t e mi sd i v i d e di n t om a i nc o n t r o lu n i ts y s t e m s ，r a d a rr a n g i n gs y s t e mo f f r o n ta n ds i d em e a s u r e m e n ts y s t e m ，s o u n d ，v o i c ew a r n i n gs y s t e m s ，d i s p l a ys y s t e m s ， e m e r g e n c ya s s i s t e db r a k i n gs y s t e m t h ed e f i n i t i o no ft h es y s t e mf u n c t i o ni so nt h e b a s i so ft h em a i nc o n t r o lu n i ts u b s y s t e ma n df r o n tl o c a t i o n ，s e l e c t e df r e e s c a l e s m c 9 s12 d t 2 5 6 ，ad e d i c a t e dp r o c e s s o rf o rc o m p l e xa n du n s t a b l es y s t e mw h i c h c o u l dp r o v i d e ss a f eo p e r a t i o n a n dt h i sp a p e ri d e n t i f i e ds y s t e mf u n c t i o n st of i n i s h t h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e m ，d e s i g n e da n dd r e wh a r d w a r ec i r c u i t ， m a i nb o a r ds y s t e ma n dd e b u g e dt h e s em o d u l e s ，im a d ee x p e r i m e n t so nt h e u l t r a s o n i cr a n g i n ge x p e r i m e n t s t h ea n t i - c o l l i s i o nw a r n i n ga n dc r u i s es y s t e mi sn o t a ni n d e p e n d e n ts y s t e m ，b u ti n t e g r a t e dc a n i n t e r f a c e ，i ti se a s yt oc o l l e c t ，d a t af r o m b u si n t e r f a c e ，a n db eu s e df o ro t h e re q u i p m e n t r e s e a r c ho na u t o m o b i l ea n t i c o l l i s i o na n dt h ec r u i s ei sa c c o r d a b l et ot h ed i r e c t i o no ft h e t r a n s p o r t a t i o ni n t e l l i g e n c ea n ds e c u r i t yn e e d s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dc a ra n t i c o l l i s i o n w a r n i n ga n dc r u i s ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t i tc o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr o a d t r a n s p o r t a t i o n 、析t ha p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n de c o n o m i cg r o w t hi ft h es y s t e mw i l lb ed e e p e r s t u y e dc o n s t a n t l y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e a n t i c o l l i s i o nu l t r a s o n i cs e n s o rd e t e c t i o ni n p u t c a n 插圖清單 圖2 1 前方車輛加速或勻速時v t 圖5 圖2 。2 前方車輛減速或減速至停止時v t 圖7 圖2 3 兩車同時停止時v t 圖7 圖2 4 自車減速先行停止時v t 圖7 圖2 5 磁致伸縮超聲波發(fā)生器9 圖2 6 超聲波測距傳感器實物圖9 圖2 7 發(fā)射信號回?fù)苄盘? 0 圖2 8 中頻輸出的混頻信號1 0 圖2 9p i d 控制框圖1 3 圖2 1 0 巡航控制模糊控制原理框13 圖3 1 防撞安全預(yù)警與巡航系統(tǒng)整體架構(gòu)1 5 圖3 2 系統(tǒng)設(shè)計框圖1 5 圖4 1m c 9 s d t 2 5 6 最小系統(tǒng)1 8 圖4 2 去除高頻噪聲1 9 圖4 3 4 9 31 電源電路2 0 圖4 4l d l0 8 6 d 2 m 5 0 電源電路2 0 圖4 5 時鐘電路2 0 圖4 6 復(fù)位電路2 1 圖4 7 毫米波雷達(dá)測距傳感器信號輸入電路2 2 圖4 8 超聲波測距傳感器工作框圖2 2 圖4 。9 超聲波發(fā)射驅(qū)動電路2 3 圖4 1 0 超聲波模塊單片機控制電路：2 3 圖4 1 1 超聲波接收、放大、檢出電路2 4 圖4 1 2 超聲波輸出處理電路2 4 圖4 13 模式選擇開關(guān)量2 5 圖4 1 4m c 3 3 9 9 3 簡化應(yīng)用圖2 5 圖4 15m c 3 3 9 9 3 應(yīng)用開關(guān)量輸入2 6 圖4 1 6 制動、油門開關(guān)信號2 7 圖4 1 7 節(jié)氣門位置傳感器輸入處理電路2 7 圖4 1 8 霍爾式輪速傳感器磁路2 8 圖4 1 9 霍爾式輪速傳感器實物圖2 8 圖4 2 0 車速輸入電路2 8 圖4 2 1 字符顯示地址與d d r a m 關(guān)系圖2 9 圖4 。2 2l m l 6 0 3 2 實物圖。2 9 圖4 2 3 液晶顯示電路2 9 圖4 2 4 液晶模塊時序圖3 0 圖4 2 5 蜂鳴報警電路3 1 圖4 2 6w t 5 8 8 d 模塊：3 l 圖4 2 7 語音警示電路3 2 圖4 2 8 節(jié)氣門控制電機驅(qū)動電路3 3 圖4 2 9 緊急輔助制動控制電機驅(qū)動電路3 3 圖4 3 0s n 6 5 h v d 2 3 0 針腳圖3 4 圖4 3 1c a n 節(jié)點接口電路3 5 圖4 3 2b d m 接口3 6 圖4 3 3b d m 接口電路3 6 圖4 。3 4 硬件總體原理圖3 9 圖4 3 5 主控板原理圖4 0 圖4 3 6 主控部分實物板4 1 圖5 1 系統(tǒng)總體流程圖4 4 圖5 2 防撞預(yù)警主程序框圖4 4 圖5 3 巡航控制流程圖4 5 圖5 4 毫米波雷達(dá)與m c u 串行數(shù)據(jù)通信流程圖4 6 圖5 5 側(cè)面防撞設(shè)計流程圖4 6 圖5 6 液晶驅(qū)動流程圖4 7 圖5 7c a n 接口初始化流程圖4 7 圖6 1 調(diào)試串口實驗實物圖5 0 圖6 2 串口返回數(shù)據(jù)顯示5 0 圖6 3 振動測試試驗臺5 l 圖6 4 液晶顯示5 2 表格清單 表2 1 幾種距離傳感器的主要參數(shù)9 表2 2 三種路面附著系數(shù)l l 表4 1s n 6 5 h v d 2 3 0 的引腳3 4 表4 2s n 6 5 h v d 2 3 0 的工作模式選擇3 5 表4 3m c 9 s 1 2 工作模式表3 7 表6 1 電機調(diào)試參數(shù)設(shè)置5 1 表6 2 不同車速下側(cè)向最小安全距離5 4 表6 3所測距離與理想距離比較5 4 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成 果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得僉g 曼薹些太堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或 證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了 明確的說明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 蕎丐 簽字刪：加少年嚴(yán)月刁日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金壁互些厶堂有關(guān)保留、使州學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)金膽王些太堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 妣蘋刁參 解醐叫年產(chǎn)月廠日。 鬻主? 鞴節(jié)：鋤掇彳工作單位：華為欹干 。 通訊地址： f 尋1 車為敏彳 電話： 郵編： 致謝 時光飛逝，研究生生活轉(zhuǎn)瞬即逝，有太多的感動和太多的收獲，千言萬語只能匯 成一腔深情的謝意。 首先我要衷心感謝我的導(dǎo)師一張輝教授和吳曄副研究員。他們在我兩年多 的研究生學(xué)習(xí)階段給予了精心指導(dǎo)，本論文進行的自始至終，二位老師傾注了 大量的心血。從題目的選取、資料的收集到疑難的解答、論文的撰寫等各個方 面都給予了我具體而有效的指導(dǎo)和幫助，使我順利地完成了課題的工作。兩位 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、高深的學(xué)術(shù)造詣和隨和的為人風(fēng)格使我受益匪淺，這將 對我以后的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生重要的影響。在此我向他們表示最誠摯的敬意和深 深的謝意。 在校期間，每天都在感染著強烈的學(xué)術(shù)研究氣氛，感受著溫馨的大家庭式的關(guān)懷。 作為汽車電子成員我非常的幸運，自己的成長和成熟都是和這個團體息息相關(guān)的。感 謝學(xué)院的老師們，他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識和寬厚的師長作風(fēng)是我研究 生時期學(xué)到的最寶貴的精神財富。他們不僅是我學(xué)習(xí)上的楷模，更是我生活中 的榜樣。他們教會我學(xué)科知識，更教會我做人的道理，是我人生道理上非常重 要的指引者。同時特別感謝搭檔陳峰峰同學(xué)，正是在他的大力協(xié)助下，我才能 一步一步走下去，他獨特的人格魅力，樂于助人不計個人得失的優(yōu)秀品質(zhì)深深 影響了我! 感謝鄭大騰博士幫我修改論文和提供修改意見，非常感謝! 感謝我的爸爸媽媽，他們一直以來關(guān)愛、支持和理解，感謝他們對我的學(xué) 業(yè)的全力支持，感謝他們在生活上的關(guān)心和支持。 作者：朱琦 第一章緒論 汽車交通是運輸系統(tǒng)的重要組成部分，它關(guān)系到國家經(jīng)濟發(fā)展，影響到每 個人生活，在整個國家正常運轉(zhuǎn)中起著紐帶作用，為經(jīng)濟的發(fā)展提供了強有力 的基礎(chǔ)保障。汽車防撞安全與巡航系統(tǒng)主要目的是進行防撞安全的預(yù)警和執(zhí)行， 同時實現(xiàn)巡航功能來增加駕駛員的舒適度，它是基于提高車輛的主動安全性來 實現(xiàn)在行車過程中，給駕駛員提供便利和安全保障。 1 1 汽車防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)概述 1 1 1 課題研究背景 2 0 0 3 年全國公安部門共受理一般以上道路交通事故6 6 7 5 0 7 起，這些事故造成 1 0 4 3 7 2 人死亡，直接經(jīng)濟損失3 3 7 億元。 2 0 0 4 年中國道路交通事故死亡人數(shù)達(dá)9 4 萬人，居世界第一。駕駛員是道路交通 安全最重要的影響因素。2 0 0 4 年因駕駛員因素導(dǎo)致的交通事故占總數(shù)的8 9 8 ，造成 的死亡人數(shù)、受傷人數(shù)分別占到了總數(shù)的8 7 4 和9 0 6 t 。 2 0 0 5 年，全國共發(fā)生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 11 人受 傷，直接財產(chǎn)損失1 8 8 億元。 2 0 0 6 年，全國共發(fā)生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，造成8 9 4 5 5 人死亡、4 3 11 3 9 人受 傷，直接財產(chǎn)損失1 4 9 億元i lj 。 2 0 0 7 年，全國共發(fā)生道路交通事故3 2 7 2 0 9 起，造成8 1 6 4 9 人死亡、3 8 0 4 4 2 人受 傷，直接財產(chǎn)損失1 2 億元。 2 0 0 8 年，全國共發(fā)生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受傷，直接財產(chǎn)損失1 0 1 億元i z 】。 在道路交通事故頻發(fā)的現(xiàn)代社會，汽車交通事故占據(jù)了重要的比例。 近年來，汽車保有量保持著快速增長，由于我國汽車保有量的增長幅度大 于道路基礎(chǔ)建設(shè)的增長幅度，道路交通安全問題將會曰益突出。 如果能夠給予駕駛員緩解駕駛疲勞并且在事故發(fā)生前提醒駕駛員并采取一 定的安全措施，對減少交通事故的發(fā)生則是非常有用的。汽車防撞預(yù)警與巡航 系統(tǒng)正是基于提高車輛的主動安全性來實現(xiàn)在行車過程中，給駕駛員提供必要 的技術(shù)設(shè)施。 1 1 2 基本原理和發(fā)展 1 基本原理 汽車防撞預(yù)警是一種主動安全技術(shù)，主要由車用測距傳感器、節(jié)氣門位置 傳感器、輪速傳感器、路況檢測傳感器、制動e c u 、節(jié)氣門e c u 和報警e c u 等 組成。該系統(tǒng)能夠通過傳感器組測量車輛運行工況，并將測量到的信息送入系 統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)控制單元根據(jù)所接收到的信息進行車輛行駛安全判定并向系 統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出動作指令，系統(tǒng)輸出執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)接收的執(zhí)行信息啟動相應(yīng)的 執(zhí)行機構(gòu)進行防撞安全預(yù)警。 重要部件雷達(dá)傳感器安裝在散熱器的護柵內(nèi)，可探測到汽車前方1 5 0 米內(nèi)的 距離；前后輪轂上的輪速傳感器，可測出車輛的行駛速度；發(fā)動機控制器和扭 矩控制器用以探測和調(diào)整發(fā)動機接通和輸出扭矩，以提高發(fā)動機的動力性，并 適時調(diào)整車輛的運行速度【4 】【川。 當(dāng)主車前方無行駛車輛時，主車將處于普通的巡航行駛狀態(tài)，巡航系統(tǒng)按 照設(shè)定的行駛車速對車輛進行勻速控制【6 】；當(dāng)主車前方有目標(biāo)車輛，且目標(biāo)車 輛的行駛速度小于主車的行駛速度時，系統(tǒng)將控制主車進行減速，并在不同車 距對駕駛員進行提示，當(dāng)兩車間的距離小于設(shè)定的安全距離時，m c u 計算實際 車距和安全車距之比及相對速度的大小，選擇減速方式。同時通過報警器向駕 駛員發(fā)出警報，提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施，在緊急情況時刻輔助制動。 盡管控制系統(tǒng)在一定程度上協(xié)助駕駛員駕駛，駕駛時的動作和制動還是要 由駕駛員自己來決定的。控制系統(tǒng)對自動加速和對制動剎車的意識是有局限性 的，它無法代替駕駛員對此作出的反應(yīng)。 2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前研制、開發(fā)的主流b o s c h 公司開發(fā)的系統(tǒng)包括雷達(dá)、執(zhí)行機構(gòu)和顯示 單元。系統(tǒng)包括原有的車輛控制e c u 以及位于車輛1 j i 端的傳感器和控制裝置。 它用于完成對雷達(dá)信號的處理和防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)控制流程，并通過c a n 數(shù)據(jù)總線與車輛主控e c u 相連。近年來，德國的大陸特威斯公司致力于汽車安 全行駛的全方位研究和產(chǎn)品開發(fā)。該公司開發(fā)出采用微波雷達(dá)技術(shù)和紅外傳感 技術(shù)兩類產(chǎn)品，可探測出前方15 0 m 范圍內(nèi)的目標(biāo)車輛與主車間的車距和相對速 度，在自動進行安全車距控制時，發(fā)動機和傳動系工作穩(wěn)定和乘坐舒適。 德國英飛凌宣布，該公司的低成本雷達(dá)芯片已由博世公司的新一代毫米波 雷達(dá)采用。英飛凌將于2 0 0 8 年底開始量產(chǎn)雷達(dá)芯片，博世計劃2 0 0 9 年初生產(chǎn) 配備該芯片的毫米波雷達(dá)。目前使用的毫米波雷達(dá)芯片均為高成本g a a s ( 砷化 鎵) 芯片。博世將提供取代這種芯片的低成本s i g e ( 硅鍺) 芯片。博世表示， 毫米波雷達(dá)成本降低之后“中型車及小型車均有望實現(xiàn)雷達(dá)標(biāo)配”。博世將這種 新一代毫米波雷達(dá)稱為“l(fā) r r 3 ”。設(shè)想用于基于檢測前方2 5 0 m 內(nèi)車輛的前方車 輛追蹤功能以及碰撞前的自動制動等。博世在“a ti n t e r n a t i o n a l2 0 0 8 ”上展出了 在單片微波集成電路上采用s i g e 技術(shù)的毫米波雷達(dá)模塊“l(fā) r r 3 ”。該產(chǎn)品實現(xiàn) 了低價位以及業(yè)界最小級別的小型化哺j 。 3 國內(nèi)研究狀況 國內(nèi)目前的研究多處于理論研究和樣機驗證階段。一些高校正對汽車防撞 與巡航的進行研究。清華汽車技術(shù)研究所等多家科研機構(gòu)正在從事這方面研制 2 開發(fā)工作，并取得了階段性的進展。在防撞雷達(dá)方面，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù) 研究所已經(jīng)首次研制成功小型防撞雷達(dá)，其中關(guān)鍵的雷達(dá)前端芯片是國內(nèi)首次 研制成功，擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)。 國內(nèi)在控制中主要針對車輛的某一特定系統(tǒng)建立局部車輛動力學(xué)模型，如 a b s 、發(fā)動機、變速器、直道與彎道行駛系統(tǒng)動力學(xué)模型，不能直接用于汽車 防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)的開發(fā)。應(yīng)用于汽車電子中的雷達(dá)產(chǎn)品以超聲波、激光方 式為主，毫米波雷達(dá)產(chǎn)品不多。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所研制出的毫米波雷達(dá) 系統(tǒng)具有重量輕、體積小和全天候等特點，工作頻率3 5 g h z ，測距范圍 10 0 m ， 測速范圍 10 0 k m h ，采用了先進的d s p 技術(shù)【9 1 。 1 1 3 防撞安全與巡航技術(shù)未來趨勢 汽車防撞預(yù)警與巡航技術(shù)歷經(jīng)幾十年發(fā)展，各大汽車廠商投入都很大，但 離真正大規(guī)模應(yīng)用還有一段距離。隨著汽車與計算機信息技術(shù)的相結(jié)合，其發(fā) 展也呈現(xiàn)以下幾個趨勢： ( 1 ) 充分的信息共享，降低成本，完善更新各種功能，更加穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)具 有更好的近距離探測能力和更快的信號處理能力，研發(fā)出適于城市中低速、高 車流密度狀況的智能巡航系統(tǒng)，增加城市交通流量。 ( 2 ) 隨著系統(tǒng)集成化程度提高和電子器件價格降低，近幾年智能公路概念的提 出以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，未來的防撞技術(shù)及巡航系統(tǒng)將同其它的汽 車電控系統(tǒng)相互融合，形成智能汽車電子控制系統(tǒng)。 ( 3 ) 低成本化。在使用上，未來防撞和巡航系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于中低檔機動車之上。 1 2 研究的內(nèi)容 1 2 1課題來源和特點 課題來源： 本選題來源于省部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項目：基于c a n 協(xié)議的車用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成 技術(shù)研究及相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)，項目編號：2 0 0 8 8 0 9 0 5 0 0 2 2 6 。 課題特點： ( 1 ) 現(xiàn)有的防撞預(yù)警系統(tǒng)和巡航控制系統(tǒng)多為獨立系統(tǒng)，需要在汽車上分 別安裝兩套系統(tǒng)來實現(xiàn)功能，本文探討了將兩個系統(tǒng)集成在一起，對于在汽車 內(nèi)部的安置和使用增強了便利性。 ( 2 ) 選用了飛思卡爾汽車等級1 6 位單片機作為主控芯片，飛思卡爾 m c 9 s d t 2 5 6 單片機具有使用方便，智能化、可靠性、低功耗、總線、多功能、 易開發(fā)、穩(wěn)定性好等特點，可以適合用于復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境，為系統(tǒng)的安全 運行和行車安全提供了保障。 ( 3 ) 防撞預(yù)警系統(tǒng)中除正面語音預(yù)警外，增加了汽車側(cè)面防撞預(yù)警功能， 這種設(shè)計有別于單一的縱向防撞預(yù)警設(shè)計，采用超聲波雷達(dá)測距方法，通過蜂 鳴警報提醒駕駛員注意側(cè)面車輛或其它物體的威脅，更好地提高行車安全。 ( 4 ) 系統(tǒng)集成了c a n 接口，使得孤立的系統(tǒng)與車身其他模塊互聯(lián)，信號 采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以通過c a n 為其他系統(tǒng)所采用。c a n 接口的集成方便了系 統(tǒng)診斷、升級、擴展和后續(xù)開發(fā)提供了便利。 1 2 2論文結(jié)構(gòu) 論文的結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容如下： 第一章為緒論。對汽車主動防撞預(yù)警安全與巡航作了介紹，分析了防撞安 全系統(tǒng)應(yīng)用于汽車電子的必然趨勢和發(fā)展前景。 第二章為汽車的動力學(xué)模型、測距雷達(dá)的選用和控制器。分析了汽車縱向 安全車距和幾種安全狀況，詳述了車用雷達(dá)測距儀器的類型與本文選用的依據(jù)。 并且介紹了兩種控制器。 第三章為系統(tǒng)的總體設(shè)計。介紹了防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)整體架構(gòu)，輸入、 執(zhí)行與輸出。并且指出課題的研究控制對象和實現(xiàn)功能。 第四章為系統(tǒng)的硬件設(shè)計，設(shè)計整個系統(tǒng)硬件電路包括輸入部分、控制部 分、輸出部分和器件的選定，以及生產(chǎn)出主控部分實物板。 第五章為軟件的設(shè)計。通過動力學(xué)模型，控制模型來實現(xiàn)防撞預(yù)警、巡航 和緊急情況下的輔助制動控制。 第六章為調(diào)試與實驗。調(diào)試了部分電路板模塊，做了側(cè)面防撞實驗。 第七章為工作總結(jié)與展望。 1 2 3 本章小結(jié) 本章介紹了汽車防撞預(yù)警與巡航系統(tǒng)的研究背景、基本原理、發(fā)展和趨勢， 并總結(jié)了論文的結(jié)構(gòu)。 4 第二章動力學(xué)模型、測距傳感器與控制器 在汽車防撞預(yù)警與巡航控制系統(tǒng)中，動力學(xué)模型、傳感器和控制器是重要 的三部分。動力學(xué)模型決定了在防撞預(yù)警過程中的安全車距，測距傳感器的選 用對系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和汽車的安全駕駛有很大的影響，不同的控制器算法決定了 巡航功能質(zhì)量的高低。下面分三部分分別做闡述。 2 1 車輛縱向動力學(xué)模型分析 2 1 1概述 建立系統(tǒng)安全距離模型的目的是保證行車安全，安全距離模型應(yīng)該在公路 交通中使得防撞預(yù)警系統(tǒng)能正常工作。為了保證汽車安全行駛，避免行駛中的 車輛發(fā)生追尾碰撞，可以通過調(diào)節(jié)相對車速和增加縱向車間距離來實現(xiàn)，從容 量角度來看車與車之間的車距應(yīng)盡可能地小，鑒于安全問題更為重要，最小安 全距離對安全和公路容量來說都很重要。 汽車之間的距離是汽車行駛過程中的關(guān)鍵問題。間距過小會增加汽車行駛 時發(fā)生交通事故，間距過大會導(dǎo)致道路通行能力降低。汽車防碰撞系統(tǒng)作為汽 車駕駛的輔助系統(tǒng)，需要建立相對比較合理的安全跟車距離模型，準(zhǔn)確判斷前 方目標(biāo)，保證行駛的安全性，又保持良好的道路通行，即保持較好的安全間距。 汽車安全行車間距的與車輛的制動距離有著十分密切的聯(lián)系，汽車制動距離的 計算公式如下【1 0 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】： fv 2 扣v ?！?，+ 等 ) + 東 ( 2 1 ) 式中： d 一制動距離，單位為m 。v o 一制動時刻初速度，單位為m s 。 t 。一制動協(xié)調(diào)時間，單位為s 。t s 一制動減速度時間，單位為s 。 t h 一駕駛員反應(yīng)動作時間，單位為s ?！癿 a x 一最大制動減速度，單位為m s 2 。 2 1 2安全車距模型 依據(jù)自車，將前車分為三種運行狀態(tài)一勻速或加速、靜止、減速。 ( 1 ) 前車勻速或加速運動 圖2 1 前方車輛加速或勻速時v t 圖 l a 為自車行駛v t ，l b 為前方車輛行駛v t t b 一產(chǎn)生危險警報的時刻，單位s 。t p 一制動減速度最大值的時刻，單位為s 。 t 。一最危險的時刻，單位為s 。t s l 一自車停止的時刻，單位為s 。 v 1 一自車的速度，單位為m s 。v 2 一前車的速度，單位為m s 。 v r e i 一兩車間的相對速度，單位為m s 。 當(dāng)前車做勻速或加速運動時，兩車間的最危險時刻是后車的速度減小至與 前車同速時。如果在兩車速度相等的時刻未發(fā)生碰撞事故，之后就不再可能發(fā) 生碰撞事故，因為最危險時刻以后，前車?yán)^續(xù)保持勻速或加速運動，而后車仍 在做減速運動，兩車間距將變得大，因此只需保證兩車速度相等時不發(fā)生碰撞， 整個過程就能保證絕對安全。 小等 t ，+ 妒v ：等“。 ( 2 2 ) 提醒報警距離d w 的計算公式如下； 小等w 扣，+ ，一專一：等“。 ( 2 3 ) 即：d 。2 1 ，耐t h + d b ( 2 4 ) 上面的公式是建立在前車勻速運動的基礎(chǔ)上，若前車加速運動，模型仍采 用上面所列出的公式。 ( 2 ) 前車靜止 前車處于靜止?fàn)顟B(tài)時，兩車間的最危險時刻是自車停止，且與障礙物相隔 最近的時刻。為了保證此刻自車的絕對安全，設(shè)定自車停止時，兩車間還存在 一定的安全間距，則危險報警距離d b ( 單位：m ) 為： ，2， d b2 云 l ( 。，+ ) “。 ( 2 5 ) 提醒報警距離d w ，是在危險報警距離基礎(chǔ)上，考慮自車在駕駛員反應(yīng)動作 時間內(nèi)行駛的距離，所以其計算公式如下： 小丟w “，+ “小d 。 即：d 。= v 1 f - t - d 6 其中a i 為自車的最大減速度，單位為m s 2 ； ( 3 ) 前車減速運動或前車減速停止 把前后兩車可能的行駛狀態(tài)分為三種情況進行討論： a 前車先停，自車后停。 6 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ttp t 2t s i ( tc)t 圖2 2 前方車輛減速或減速至停止時v t 圖 l a 為自車行駛v t ，l b 為前方車輛行駛v t 兩車間的最危險時刻為自車停止的時刻。 b 自車和前車同時停止。 圖2 3 兩車同時停止時v t 圖 l a 為自車行駛v t ，l b 為前方車輛行駛v t 兩車間的最危險時刻為自車或前車停止的時刻。 c 自車先停，前車后停 兩車間的最危險時刻應(yīng)為自車減速到與前車速度相同的時刻，為了便于計 算，將最危險時刻確定為前車停止的時刻。 圖2 4 自車減速先行停止時v t 圖 l a 為自車行駛v t ，l b 為前方車輛行駛v t 在這三種情況下，前車均制動至停止，自車也從某一速度采取制動至停止。 所以，這三種情況公式均可簡化為同一種。該狀況下的危險報警距離為： d 。= ! 警a + 1 ，。，+ v 。，+ d 。 ( 2 8 ) z 口i， z u a 2 一前車的最大減速度，與自車最大減速度相同，單位為m s 2 提醒報警距離d w 為： d 。= 掣掣+ v ( f + f ，) + ，冬+ v + d 。 ( 2 9 ) 2 口l 口， z 且口：d 。2v l f + d 6 ( 2 1 0 ) 確定模型中參數(shù) 系統(tǒng)安全跟車模型參數(shù)確立的原則：防撞系統(tǒng)的目的是保證行車安全，需 要降低車速和保持足夠的車間距離，考慮到汽車防撞系統(tǒng)只是提醒駕駛員的操 作，依據(jù)安全距離模型進行行車狀態(tài)的判斷結(jié)果應(yīng)當(dāng)反映相同條件下實際駕駛 員的駕駛特點。從提高汽車防撞系統(tǒng)實用性方面出發(fā)，安全距離模型要保證多 數(shù)交通情況下防撞系統(tǒng)正常工作，減少由于誤判斷造成的虛報警的可能。 自車速度v l ，由轉(zhuǎn)速傳感器測得，相對速度vr c | 、由毫米波雷達(dá)測得，根據(jù) 公式： v 22v 1 一v r e l ( 2 1 1 ) 可計算出前車的速度v 2 ，模型中的參數(shù)a i 、a 2 ，、t h 、t ”t 。、d o 的具體設(shè)置 如下： a 確定時間參數(shù)和o t 值 th 是駕駛員的動作反應(yīng)時間，它長短對系統(tǒng)模型很重要，若選取過長，則 提醒計算值偏大，會造成虛報；若選取過短，則預(yù)警能力下降。資料表明，駕 駛員的反應(yīng)動作時間一般為0 6 1 0 秒，本文取th = 0 8 秒。 t 。是制動協(xié)調(diào)時間，與車輛采用的制動結(jié)構(gòu)及制動方式有關(guān)，本系統(tǒng)為商 用車設(shè)計，該車采用液壓制動，tx 的取值為0 1 秒。 t 。為制動減速度的增長時間，本文取0 2 秒。 在制動過程中，前車為主動后車被動，后車減速度會大于前車，它的大小 主要取決于路面附著系數(shù)。為了簡化計算，兩車的減速度0 【i 和o r , 2 取相同值c t 。 系統(tǒng)根據(jù)路面干燥、潮濕和冰雪三種不同情況，設(shè)置了三個選擇開關(guān)，根據(jù)路 面情況來選擇，a 的取值如表【1 1 】： 表2 1 三種路面附著系數(shù) 路面情況 a 瀝青水泥干燥路面 6 0 瀝青水泥濕滑路面 5 0 冰雪路面 2 8 b 確定絕對安全距離do 。為了保證絕對安全，自車從采取制動至完全停 止后，兩車之間應(yīng)保持一定的安全間距do ，該值選取的越大則系統(tǒng)的虛警率越 高；選取的越小則系統(tǒng)安全保障能力越小。對不同駕駛員的駕駛風(fēng)格進行分析 表明，激進的駕駛員希望do 值較小，謹(jǐn)慎的駕駛員希望do 值較大【1 1 1 。為了 保證系統(tǒng)的安全性，本系統(tǒng)取4 米。將相關(guān)參數(shù)代入公式，得到危險報警距離： 前車勻速或者加速運動時： 小魯+ o 2 v 一4 8 ( 2 1 2 ) 前車減速運動或減速停止時： d 。= 坐一旦+ o i ( v i + v “) + 4 提醒報警距離； 前車勻速或者加速運動時 d = 08 v 。，+ d 6 前車靜止或減速運動時 d 。= o8 v i + d 2 2 測距傳縛器選型和設(shè)計 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 2 2 1 概述 雷達(dá)誕生于上世紀(jì)三十年代，通過電磁波來發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)并實現(xiàn)測距， 應(yīng)用在上世紀(jì)4 0 年代第二次世界大戰(zhàn)期日j ，之后隨著科學(xué)技術(shù)的進步日臻完 善，雷達(dá)技術(shù)真正開始蓬勃發(fā)展并投入餿用。 2 2 2 測距傳感器類型 距離傳感器主要分為三類：聲學(xué)類一超聲波，光學(xué)類一無源紅外線、激光雷 達(dá)，電磁類一毫米波雷達(dá)。每一種距離探測技術(shù)都有其最適用的場合。 222 1 超聲波傳感器 超聲波發(fā)射原理是把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機械振動，發(fā)射出超 聲波。接收原理是當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時使磁致材料磁場變化，使線 圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢輸出。 1 ) 超聲波的發(fā)生 超聲波發(fā)生器將電磁能轉(zhuǎn)換成機械能。其結(jié)構(gòu)分為兩部分，一是產(chǎn)生高頻 電流或電壓的電源，二是換能器它將電磁振蕩變換成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波。 壓電式超聲波發(fā)生器就是利用壓電晶體的電致伸縮現(xiàn)象制成的。常用的壓 電材料為石英晶體、壓電陶瓷鋯鈦酸鉛等。在壓電材料切片上施加交變電壓， 使它產(chǎn)生電致伸縮振動，而產(chǎn)生超聲波，如圖25 所示。 毋毒 圖2 5 鞋i 致伸縮超聲波發(fā)生器幽26 超盧波1 距傳盛器實物目 0 + 丘h = j 時止 靜 車 酊 2 ) 超聲波的接收 在超聲波技術(shù)中，除了需要能產(chǎn)生一定的頻率和強度的超聲波發(fā)生器以外， 還需要能接收超聲波的接收器。一般的超聲波接收器是利用超聲波發(fā)生器的逆 效應(yīng)而進行工作的。 超聲波測距儀由發(fā)射器、接收器和信號處理裝置三部分組成。工作時，超 聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測量邏輯電路提供一個短脈沖。 超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來的反射波后，也向測量邏輯電路提 供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時間差進行處理，自動 計算出車與障礙物之間的距離。它主要優(yōu)點是原理簡單、成本低、制作方便、 成本較低、尺寸較小。故超聲波測距一般應(yīng)用在短距離測距，最佳距離為4 5 米。圖2 6 為超聲波測距傳感器實物圖。 2 2 2 2 激光雷達(dá)傳感器 激光測距分為脈沖和連續(xù)波相位兩種。連續(xù)波測距是用無線電波段的頻率， 對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返側(cè)線一次所產(chǎn)生的相位延遲，在根據(jù) 調(diào)制光的波長，換算成相位延遲所代表的距離。測量方法是在確定時間起止間 用時鐘脈沖計數(shù)。這種方法可以得到1 0 1 0 以上的測量精度。由固體激光發(fā)射器 產(chǎn)生一作用時間為幾納秒的激光脈沖經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)射向被測目標(biāo)，經(jīng)過目標(biāo)反射 之后返回到接受系統(tǒng)。通過主波脈沖和回波脈沖的時間差即可測出被測距離。 激光測距裝置具有測量時間短、量程大、精度高等優(yōu)點，在汽車上應(yīng)用較 廣的激光測距系統(tǒng)可分為非成象式激光雷達(dá)和成象式激光雷達(dá)。 2 2 2 3 毫米波雷達(dá)傳感器： 毫米波雷達(dá)采用頻率調(diào)制的高頻電磁載波，比較反射信號與發(fā)射信號，可 得到與被測距離成比例的頻率差，利用返回信號的多普勒偏轉(zhuǎn)還能確定被測物 體的相對速度。 防撞雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理：線性f m c w 雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單，比較適宜測量近距 離目標(biāo)，故作為目前車用防撞雷達(dá)的普遍選擇方式。其基本原理可以描述為信 號的瞬時頻率隨時間線性變換，當(dāng)前方有單目標(biāo)回波時，發(fā)射信號和反射信號 將進行混頻，混頻后得到的信號中含有目標(biāo)的相對距離和相對速度的信息【l4 1 。 l 圖2 7 發(fā)射信號回?fù)苄盘?圖2 8 中頻輸出的混頻信號 圖2 7 為發(fā)射信號和點目標(biāo)的回波信號，當(dāng)和前方目標(biāo)問有相對速度時， 信號的回波中含有頻移，圖2 8 為中頻輸出的混頻信號，通過對中頻信號的處 l o 理即可獲得目標(biāo)的相對速度和相對距離的信息。記f 0 作為發(fā)射信號中心頻率， b 為頻帶寬度，t 為掃頻周期，調(diào)制信號為三角波，c 為光速，r 和v 分別為 目標(biāo)的相對距離和相對速度。在發(fā)射信號的上升段和下降段，中頻輸出信號可 以表示為【l 5 】【1 6 1 ： 工= i 等r 一半i ( 2 1 7 ) 廠= l 等尺+ 半i ( 2 1 8 ) 根據(jù)( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 兩式，可以獲得前方目標(biāo)的相對速度v 和相對距 和軋y = 警 曉 r ：警 曉2 。， 毫米波有三個基本特性：短波長、大帶寬和與大氣成分的相互作用。這三 個基本特性的優(yōu)點如下： 1 短波長?？蓽p小元件的尺寸，便于裝車；可獲得窄的波束寬度，為目標(biāo) 跟蹤和識別提供了較高的分辨率和精度；高抗干擾能力。 2 大帶寬。因為有大量的頻率可以使用，能有效地消除相互干擾，并可提供 大的寬帶；在雷達(dá)系統(tǒng)中可使用窄脈沖或?qū)拵д{(diào)頻信號來研究目標(biāo)的精細(xì)特征。 3 與大氣成分的相互作用。在大氣傳播窗口內(nèi)和煙霧狄塵污染環(huán)境中，毫米 波的衰減低于紅外和光波，不受天氣狀況的影響，具有全天候工作的優(yōu)點。 幾種距離傳感器的主要參數(shù)的對比如表2 2 所示17 1 。 表2 2 幾種距離傳感器的主要參數(shù) 探測方法超聲波激光雷達(dá)毫米波雷達(dá) 最大探測距 0 5 m d _ 0 ) w r i t e d a t a ( 幸s ) ； s + + ； 41 0 聲音報警電路 聲音報警電路由兩部分組成，第一個汽車側(cè)向距離檢測的報警；第二個是前方車 距檢測的報警。前者采用蜂鳴器來模擬，后者采用語音模塊設(shè)計。 蜂鳴報警電路 報警輸出單元采用了結(jié)構(gòu)簡單的單音頻壓電蜂鳴器，其應(yīng)用電路設(shè)計原理 如圖，當(dāng)中央處理單元通過信息處理、分析發(fā)現(xiàn)側(cè)向有碰撞隱患時，便向i o 口送出高電平，經(jīng)過三極管8 8 5 0 后觸發(fā)蜂鳴器。 幽42 5 蜂鳴報警l u 路 語音模塊報警 前后的報警采用語音模塊w t 5 8 8 d 語音芯片。該模塊集單片機和語音 電路于一體，是可編輯語音芯片，使用比較方便，所占板子的體積也較小，價 格也不高。它采用語音數(shù)據(jù)直接在s p i f l a s h 存儲器中存儲的技術(shù)、降噪處理技 術(shù)，能夠真實地再現(xiàn)語音。 w t 5 8 8 d 系列語音芯片具有如下特點：支持2 m 6 4 m 的s p i - f l a s h 內(nèi)存； 可以循環(huán)放音；具有自動節(jié)電控制：信息存儲無需后背電源。 該語音模塊與m c u 的連接主要有以下部分組成。復(fù)位 電路：由m c 9 s 1 2 d t 2 5 6 給w t 5 8 8 d 的r e s e t 腳進行復(fù)位， 在每次控制w t 5 8 8 d 前，先給一個復(fù)位信號。震蕩電阻 根據(jù)不同的阻值，可使語音播放速度不一樣。電路供電模 塊在5 v 供電時，串兩個二極管到v c c 端，模塊在3 v 供 電時，可直接把電源接到v c c 端。在5 v 供電時，串兩個 二極管到f l a s h 存儲器正電源輸入端，f l a s h 存儲器的供 幽42 6w t 5 8 8 d 模塊 電電壓為28 v