車輛安全距離智能控制與自剎車系統(tǒng)

 為避免兩車在同車道行駛中因追尾發(fā)生交通事故，本項(xiàng)目根據(jù)追尾事故的產(chǎn)生原因研制了車距安全距離智能控制與自剎車模擬系統(tǒng)。本模擬系統(tǒng)運(yùn)用霍爾傳感器以及加速度傳感器測(cè)量后車車速Vb、采用超聲波回波測(cè)距原理測(cè)量前后車的車輛間距△S，利用stm32f103zet6單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，并根據(jù)兩車的運(yùn)行狀況，后車自動(dòng)調(diào)整行駛速度，從而實(shí)現(xiàn)后車與前車的安全車距的智能控制。實(shí)際測(cè)試表明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)安全車距的智能控制，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

近幾年全國(guó)道路交通事故中，追尾事故約占全部交通事故的1/10.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車的增多，近年來道路交通擁堵現(xiàn)象十分嚴(yán)重。人們不能及時(shí)控制車速以及人操作反應(yīng)時(shí)間的延遲是造成這些問題的主要原因。要解決這些問題，可以將行車手動(dòng)駕駛變?yōu)樽詣?dòng)駕駛，而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛就必須實(shí)現(xiàn)車輛速度的精確測(cè)量。本項(xiàng)目首先改進(jìn)了速度測(cè)量方式，用加速度傳感器補(bǔ)償傳統(tǒng)霍爾傳感器測(cè)速的誤差，實(shí)現(xiàn)速度的精確測(cè)量，其次精確測(cè)量前后車距，通過自動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)安全車距的智能控制。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過速度測(cè)量模塊和車距測(cè)量模塊得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)送到stm32f單片機(jī)(stm32f單片機(jī)是一款基于ARM—CM3內(nèi)核的32位微處理器，系統(tǒng)主頻72 MHz，低功耗，功能強(qiáng)大)的數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行運(yùn)算和處理，將處理結(jié)果送至車距智能控制單元，從而實(shí)現(xiàn)車速的控制和車輛安全距離的智能控制。

2方案、原理以及技術(shù)描述

2.1后車車速Vb測(cè)量

1)車輪轉(zhuǎn)速→行車速度將恒定磁體按一定的角間距安裝在車輪的輪軸上，運(yùn)用霍爾效應(yīng)，通過設(shè)計(jì)和配置小電壓輸出的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，獲取一定時(shí)間內(nèi)(△t)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角間距(△Ω)，根據(jù)車輪半徑參數(shù)，得到后車車速

2)直線加速度→下一刻速度速度等于加速度對(duì)時(shí)間的積分。利用壓電效應(yīng)原理制成的加速度傳感器獲取小車的線加速度a，計(jì)算下一時(shí)刻速度vn

2.2兩車相對(duì)位移△S測(cè)量

以運(yùn)動(dòng)的后車為參照物，運(yùn)動(dòng)的前車與后車的位移為兩車相對(duì)位移△S.通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，利用回波測(cè)距原理，根據(jù)接收器接到超聲波(波速)時(shí)的時(shí)間差△T，及時(shí)獲取兩車相對(duì)位移△S

兩車相對(duì)速度vr，的測(cè)量：以運(yùn)動(dòng)的后車為參照物，測(cè)取前車相對(duì)速度，實(shí)驗(yàn)原理為：以時(shí)間T為間隔，連續(xù)兩次發(fā)射超聲波，通過獲取兩次的相對(duì)距離得到相對(duì)速度。根據(jù)車輛的相對(duì)速度，獲取前車的運(yùn)動(dòng)信息，從而為后車速度調(diào)整提供依據(jù)。

2.3安全車距智能控制實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)車輛性能，設(shè)定自動(dòng)控制算法的安全距離。根據(jù)vb、△s、vr，采取閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整后車速度，使后車與前車保持安全距離，實(shí)現(xiàn)安全車距智能控制和自剎車，其原理如圖2所示。

3測(cè)試數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)性分析

保證超聲波測(cè)距系統(tǒng)及霍爾器件測(cè)速的準(zhǔn)確性，是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)車距智能控制的關(guān)鍵。在實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和分析，記錄和分析如下。

3.1超聲波測(cè)距模塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1)超聲波測(cè)距模塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)方法：先精確確定超聲波測(cè)距模塊與前方障礙物的距離，此距離即是實(shí)際距離。然后啟動(dòng)超聲波模塊，得到測(cè)試數(shù)據(jù)。

2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，兩條數(shù)據(jù)曲線吻合較好(如圖3所示)。超聲波模塊與前方障礙物距離小于200 cm時(shí)，測(cè)試相對(duì)誤差的最大值為3.28%，且隨距離的增加而增大;超聲波模塊與前方障礙物距離在大于200 cm時(shí)，相對(duì)誤差顯著增加。

誤差產(chǎn)生的主要原因是模塊安裝位置與障礙物之間的角度隨距離的改變而產(chǎn)生，該誤差可根據(jù)產(chǎn)生的原因在算法中加以修正。

本作品系統(tǒng)中，超聲波模塊安裝在后車的車頭正前方，后車車頭與前車車尾的距離(即兩車的安全距離)設(shè)置在200 cm以內(nèi)，由以上數(shù)據(jù)分析可知，該距離范圍測(cè)試誤差和絕對(duì)誤差均較小，可見，超聲波測(cè)距模塊滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3.2速度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1)速度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)方法：本系統(tǒng)采用霍爾傳感器進(jìn)行速度測(cè)量，利用加速度傳感器對(duì)速度進(jìn)行輔助測(cè)量提高系統(tǒng)測(cè)速的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中，我們通過將顯示數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到以下數(shù)據(jù)。

2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及結(jié)論通過以上數(shù)據(jù)分析可知：小車速度為0.12～0.29 m/s時(shí)，速度測(cè)量的穩(wěn)定性好，測(cè)量誤差較小;當(dāng)速度大于0.29 m/s，測(cè)量誤差增大。

速度測(cè)量產(chǎn)生誤差的主要原因是：本套模擬系統(tǒng)中使用的模型小車，其車輪較小(直徑5.5 cm)，使得霍爾傳感器測(cè)速模塊中安裝在車輪上的磁珠的個(gè)數(shù)過少(3個(gè))，車輪旋轉(zhuǎn)一周所能獲得的信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)只有3個(gè)，使得測(cè)量誤差較大。誤差修正方法有2個(gè)：方法一，采用加速度傳感器來減小誤差;方法二，采用相同原理的光電碼盤測(cè)速器替代霍爾傳感器進(jìn)行脈沖信號(hào)采集。

本作品中，小車的運(yùn)行速度為0.12～0.29 m/s，另外由于加入了加速度傳感器來修正霍爾傳感器的測(cè)量輸出，使得誤差較小，滿足本模擬系統(tǒng)測(cè)速要求。

3.3安全車距的智能控制

為檢測(cè)本安全車距保持系統(tǒng)是否達(dá)到要求，我們通過固定一個(gè)路標(biāo)(停車標(biāo)志位)，讓小車以不同的速度通過設(shè)定的參考線，參考線與路標(biāo)距離為50 cm，然后測(cè)量小車停車時(shí)與路標(biāo)距離，從而判定該系統(tǒng)是否達(dá)標(biāo)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由以上數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)速度低于0.7 m/s時(shí)，本套模擬系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)安全車距的智能控制和自剎車系統(tǒng)的功能。當(dāng)汽車超速時(shí)，最大安全車距可根據(jù)車速調(diào)整，保障行車安全。

本系統(tǒng)的測(cè)距模塊、無線的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)顯示模塊如圖5、圖6所示。人性化的無線手持式參數(shù)顯示屏能清晰、實(shí)時(shí)地顯示系統(tǒng)的速度、里程、和前車的距離等參數(shù)。

4作品的科學(xué)性與先進(jìn)性

1)測(cè)速方式目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)測(cè)量汽車車速的方法采用霍爾傳感器進(jìn)行速度測(cè)量，然而在實(shí)際生活中，特別是在高速公路上行車，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)汽車碼盤表的顯示速度大于實(shí)際的車速。而這個(gè)誤差并非由于傳感器的精度問題，而是車輪由于抓地不好打滑造成的。霍爾傳感器的測(cè)速是通過測(cè)量汽車的車輪轉(zhuǎn)速?gòu)亩D(zhuǎn)化為汽車的行駛速度的。為了改善這個(gè)問題，我們采取測(cè)量汽車線加速度獲取速度的方式來彌補(bǔ)這種測(cè)量方式帶來的誤差。

2)安全車距控制根據(jù)車輛性能設(shè)定安全車距后，在行駛中，改變前車速度，后車能完成自動(dòng)跟車并調(diào)整速度，不與前車發(fā)生追尾。本模擬系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)車距保持功能和車距警報(bào)。

3)自動(dòng)剎車系統(tǒng)實(shí)際車輛制動(dòng)的過程是一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)與勻減速運(yùn)動(dòng)的疊加，如圖7所示，車速v(t)是一個(gè)簡(jiǎn)單的分段函數(shù)：

其中v0是采取制動(dòng)措施前的車速，a是平均制動(dòng)減速度。

對(duì)車速v(t)積分，可得制動(dòng)距離：

在檢測(cè)到前方有靜止障礙物時(shí)，汽車可啟動(dòng)自動(dòng)剎車功能，緊急制動(dòng)，防止相撞，智能行車模式降低了駕駛員的疲勞度。

5結(jié)論

車輛安全距離智能控制與自剎車模擬系統(tǒng)通過速度的準(zhǔn)確測(cè)試和自動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了在同車道行車中，前后車安全車距地自動(dòng)保持和自動(dòng)剎車的功能。實(shí)際應(yīng)用中，可實(shí)時(shí)預(yù)防追尾事故的發(fā)生，提高車輛行駛的安全性，減輕駕駛員的心理負(fù)擔(dān);同時(shí)該項(xiàng)目成果還可應(yīng)用于汽車無人駕駛中，為汽車的自動(dòng)無人駕駛提供了思路和技術(shù)支持，并且該系統(tǒng)還可改進(jìn)為自動(dòng)跟車系統(tǒng)，解決人手動(dòng)操作時(shí)的延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)汽車操控的實(shí)時(shí)性、靈敏性，提高交通通暢。