基于超声波的汽车防撞系统

摘要

在现有的汽车防撞系统中，主要都是使用雷达进行测距，这类系统的价格较高，不能大面积推广。本系统在现有的汽车防撞系统上优化测距算法，采用超声波传感器进行测距，建立相关的防撞模型，并根据不同的测量距离发出不同的报警信息。实验结果表明，在一定范围内该报警信息准确。

关键词：汽车防撞系统，超声波传感器，测距算法

随着城市经济的发展和人口的增加，截至2013年，全国汽车保有量达到1.37亿辆，年均增加1100万辆以上。然而，在过去的十年里，交通造成的死亡率却在上升，近年来交通事故频繁发生，直接威胁到公共安全和交通事故。造成严重情况的原因有：超速驾驶或醉酒驾驶和汽车防撞系统的失效。随着嵌入式技术的发展，嵌入式车辆监控系统在国际上开始进入汽车行业，如德国、日本、美国等国家。十多年前，先进的汽车制造商开始研究和开发主动防撞的安全机制。2014年1月6日，丰田和奥迪进行了独立的研究和开发，美国在无人驾驶汽车方面也一直在研制。我国在汽车防撞系统技术研究上主要有两家公司在进行，分别是太原公司和超越公司。太原汽车的防撞装置，是目前中国最先进的产品，其技术含量一直居世界先进技术之首，针对上述情况，本文对基于超声波测距系统的车辆模型进行了大范围的优化。设计了适用于现代车辆的汽车防撞系统，该系统功能简单实用，价格合理，具有通用性强的优点。

本文选择了一种基于ARM处理器的嵌入式系统，并以ARM 11处理器为CPU，结合超声波测距仪，搭建了必要的外围设备。T设备、速度传感器、报警装置及相关设备接口，建立了典型的嵌入式设备，系统采用主流Linux操作系统。

基于三星ARM 11处理器的OK 6410开发板，是一种低功耗、高性能的RSIC处理器，基于ARM 11内核(ARM1176JZF-s)，可广泛应用。S3C64102.5G和3G通信服务提供优化的硬件性能和内置强大的硬件加速器，包括Motionvid，EO处理，音频处理，2D加速，显示和缩放等。

在汽车防撞系统的研究中，测距装置常用到的雷达有激光、超声波等。超声波雷达是最受青睐的雷达，但其昂贵的价格不利于推广，激光雷达和高精度相机受环境的影响很大，因此超声波防碰撞装置的发展也受到了很大的影响。防碰撞系统与应用范围广的智能车辆系统是必要的，超声波测距从原理上可分为共振型和脉冲反射型两种。本系统的功能要求是采用脉冲反射，即利用超声反射特性。在室温环境下，通常采用340 m/s的超声波速度。

超声传输电路包括超声控制电路和超声波发生电路两部分，选用Dy150大功率换能器作为超声探头模型，中心Fr换能器的谐振频率为15 kHz，最大射程为50米，最大的特点是发射和接收一体。

本文采用中断信号的方式接收信号，超声波传感器反射一束超声波在空气中传播，在遇到障碍物时返回。超声波接收装置接收回波信号，对接收的较小振幅的回波信号，将通过放大、检测和滤波进一步处理。GNAL通过电压比较器输出，然后输入到单片机外部中断输入端，导致单片机中断。

在车辆驾驶过程中，如果两辆车之间的距离小于安全距离，则采用ARM开发板的报警模块来点亮LED报警电路。

为了使系统能够有效地作为对驾驶员的警告，不能通过过多的提醒干扰驾驶员正常驾驶，模型的建立应：

(1)提醒和报警的距离应留到司机有足够的反应时间，当司机听到警报时，他可以准备按照正常的习惯减速。

(2)危险报警距离(紧急制动临界距离)是在不考虑驾驶员反应时间和准备时间的情况下设定的，同时要防止频繁的警告干扰司机的正常操作。

(3)该模型能够反映汽车在不同运动状态下的最危险情况，对不同工况下的危险距离判断具有较好的准确性。

为了保证行车安全，高速公路上的车辆必须与前方车辆保持一定的距离。将两辆车分为提醒距离ST、报警距离SW和强制制动距离SD三个阶段。在相同情况下，其表达式为：ST>SW>SD。试验车与前方车辆之间的距离为提醒距离ST，测距仪将发出警告信号，提醒驾驶员两车之间的距离太短。司机有足够的反应时间听到提醒，冷静，并准备按照正常习惯减速。当测试车与前面的汽车之间的距离在提醒范围内时两辆车的危险因素相对较低，在听到警报器后，司机应保持警惕，注意前车的情况，以确保驾驶安全；当试验车与前车之间的距离处于强制制动距离SD时，危险因素很高，驾驶员没有足够的时间作出判断，系统将超过司机，由于车辆会被迫发出减速信号，并降低车速，以增加两辆车之间的距离，从而降低驾驶风险因素。

为了确定制动模型中的ST、SW、SD三种距离的比值，需要通过计算距离n，分析两辆汽车在制动过程中的状况。汽车在实际的汽车制动过程中，如果轮胎没有锁住，制动阻力来自于汽车之间的摩擦。轮胎和地面，摩擦力取决于摩擦系数，从能量守恒出发，我们可以得到物体上摩擦力的幂，等于动能E的变化。物体的粗糙度：μNS=1/2mv2，其中N是地面压力上的汽车数，μ是汽车的地面摩擦系数，S是制动距离，m是汽车的质量，v是汽车的速度。汽车和地面的压力等于汽车的重力F＝Mg，从而得到Mgμs＝1／2MV2，即S＝V2/（2μg）。

公路上常见的交通事故是因为后面的车速高于前面的车速。在这种情况下，两辆车之间的距离太短，风险更大。在重合路上有两辆车，后面的车是A，A的速度是va，车的前部是B，B的速度是vb，va>vb，两辆车之间的距离是S。

如果S大于sa，在这种情况下，即使前面的车辆由于事故的发生而立即停止，后面的汽车也有足够的距离刹车直到停止。

如果司机B在他面前发现了事故，而且他有足够的距离刹车直到停车，那么汽车的安全距离是sb=v2b/(2μg)，假设这两辆车的距离是sa-sb。为了确保安全，后面的汽车应该完全刹车，此时事故概率很高，我们现在把风险系数设为1。防撞系统不仅要提醒车辆之间相对安全的距离，而且不能发出错误的制动信号影响正常行驶。

在安全驾驶知识中有维持安全距离的原则，例如，汽车的速度是50公里/小时，车与车之间应保持50 米距离，速度120公里/小时，保持120 米，根据基本驾驶知识将提醒距离设为ST=VT。

报警距离是危险因子为0时的距离，其中SW=s0=v2a/(2μg)。

如果司机不采取制动措施，那将是很危险的。出于安全原因，我们将风险系数设为0.5，因此我们设定了S0到S1之间的距离，其中SD=(S0 S1)/2。

如果我们考虑汽车的反应时间为T2+T3，通常所需的总时间约为0.5-0.6秒。出于安全性考虑，我们将设置T2+T3为1秒。所需时间可作为车辆制动系统的反应时间，因此ST、SW、SD需要增加延迟距离。

如果两辆车以较高的速度行驶，如一辆车速为0 km/h，另一辆为50 km/h，则当绝对安全距离不为e时，就会出现s0=s1的极端情况。尽管如此，在这种情况下，我们需要一个速度差系数来保证给驾驶员一个判断，在这个模型中，我们引入了一个速度差系数kv。两辆车的相对速度和速度差系数将基于两辆车的速度差，安全系数也从1提高到1.8。

由于制动距离与摩擦系数成反比，提醒距离也与摩擦系数有关，因此应增加摩擦系数的比例。由于摩擦系数一般在0.8左右，所以系数设置为0.8/μ。

首先，Ok 6410开发板实现模块通过中断接收超声波进行初始化，包括LED驱动程序初始化和串行接收程序。将AVR单片机发送的距离数据作为报警信息代入报警算法，然后将信息写入LED驱动程序完成报警。

超声波发射程序首先初始化初始参数，然后发送15 kHz超声波脉冲信号60s，与定时器比较，发送超声信号的延迟时间。因此，我们启用中断并初始化计时器等待信号。当接收到回波时，等待程序被关闭，中断关闭，计时器开始计时。否则，等待程序将继续进行，根据读取回波与透射波之间的差异，每1s计算一次距离。

本文利用超声波测距仪获取车辆之间的行驶距离，计算出前车的速度信息，然后利用计算机对其进行仿真，将汽车防撞报警信息的距离代入模型中。系统设计主要由以下几个方面组成：超声波测距，通过理论分析、实践分析和ARM处理器对交通数据进行计算，同时利用LED灯发送汽车防撞报警信息。随着系统的改进，它将得到更广泛的应用。