1、 本科生毕业 设计 （ 论 文 ） 汽车追尾碰撞预警系统的研究 二级学院 ： 物理科学与技术学院专 业 ： 机电技术教育（汽车方向） 年 级 ： 2009 级 学 号 ： 2009954111 作者姓名 ： 指导教师 ： 讲师 完成日期 ： 2013 年 5 月 18 日 A 基础理论 B 应用研究 C 调查报告 D 其他 汽车追尾碰撞预警系统的研究 专业名称：机电技术教育（汽车方向） 作者姓名： 指导教师： 论文答辩小组 组 长 ： 成 员 ： 论文成绩： 目 录 摘 要 . 1 引言 . 1 1 汽车追尾碰撞预警系统的介绍 . 2 1.1 汽车追尾碰撞预警系统的数学模型 . 2 1.2 汽
2、车追尾碰撞 预警系统的结构组成 . 3 1.2.1 微处理器 . 3 1.2.2 相对速度测量传感器 . 4 1.2.3 激光测距传感器 . 4 1.2.4 车辆加速度传感器 . 5 1.2.5 显示报警装置 . 5 1.3 汽车追尾碰撞预 警系统的工作原理 . 6 2 汽车追尾碰撞预警系统的设计 . 7 2.1 汽车追尾碰撞预警系统的硬件设计 . 7 2.2 汽车追尾碰撞预警系统的软件设计 . 9 3 总结 . 12 参考文献 . 14 1 汽车追尾碰撞预警系统的研究 作者 指导教师 讲师 （湛江师范学院物理科学与技术学院，湛江 524048） 摘 要： 为了能够有效减少汽车追尾事故的发生，
3、建立在系统动力学的基础上，对汽车追尾碰撞预警系统进行了研究，得到了该系统的数学模型以及使用的硬件和软件。这种模型考虑了驾驶员对突发事件的应急情况，根据前方车辆和自身车辆的速度的变化来计算是否处于安全距离之内，如果是处在安全距离范围外，系统会给出预警信号，从而避免事故发生。详细给出了系统的工作原理、结构组成以及硬件和软件的设计，运行安全可靠，前景广阔。 关键词： 追尾碰撞；预警系统；数学模型；硬件设计；软件 设计 Automotive behind collision warning system research Xubin Liu Institute of physics science a
4、nd technology, Zhanjiang Normal University, Zhanjiang 524048 China Abstract : In order to be able to effectively reduce car tracing cauda accidents, based on system dynamics, the vehicle rear end collision warning system is studied, the mathematical model of this system, and the use of hardware and
5、software. This model takes into account the driver for emergency situation, according to the variation of the speed of the vehicle and its own whether to calculate within a safe distance, if the range is at a safe distance, the system will give warning signals, so as to avoid accidents. System is pr
6、esented in detail the working principle, structure composition and the design of hardware and software, safe and reliable running, broad prospects. Keywords : rear end collision； early warning system； mathematical model； hardware design; software design 引言 随着经济全球化的普及，各国的经济得到快速发展，人们更多的开始追求生活中的享受，而汽车作
7、为人们生活中的代步工具，逐步普及到每个家庭中。车辆的快速增多，给公路带去了巨大的压力，这也造成了追尾事故的快速增加。“追尾”是一种覆盖全世界的流行性疫情病毒，是有车一族的常见高发病，是自汽车大量面世以来，衍2 生的最恶性的副产品。据统计， 2005年，追尾碰撞事故约占全年事故总量的 12.88%，死亡人数约占 14.77%，受伤人数约占 12.52%；而在高速公路事故中，追尾碰撞事故起数约占总数的 39.29%，死亡 人数约占 47.82%，受伤人数约占 48.25%1。调查表明中国的公路追尾碰撞发生起数约占总事故起数的 33.6%，其造成的经济损失约占总数的40%2。可见追尾碰撞已成为车辆事
8、故中的主要形式，呈现出向恶劣方向发展的趋势，而且在现在以及在未来的时间里都会一直影响着道路的安全性。通过高科技带来的成果，基于系统动力学，利用信息反馈系统，在考虑到驾驶员的反应时间以及较为符合现实的基础下，研究出汽车追尾碰撞预警系统。该系统将会具有制造成本低、实用性好和安全可靠的特点，前景是能够普遍推广到各个车辆中，这将能够减少追 尾碰撞事故的发生几率，保障人们出行的安全。 1 汽车追尾碰撞预警系统的介绍 1.1 汽车追尾碰撞预警系统的数学模型 在汽车追尾碰撞预警系统模型中，定义有状态变量、变化率。状态变量定义为在系统动力学中，具有将数据叠加的功能。引导两辆车的车速在加速度的影响下随着时间的慢
9、慢推移，称为状态变量 3。变化率也就是说状态变量的累积速度，二者的相对速度是车距得以所计算的。 在时刻 t的时候，前面引导车辆的车速 Vl在在加速度 al的影响下为状态变化，可以定义为： dtdt-talt-tpt(1 ）（）（） VVV （ 1） 其中 dt为时间的微积分。 同理，相对于前面车辆的后面的车辆的车速 vf在加速度 af的影响下的表示为： dtdt-tfdt-tptf ）（）（）（ AVV （ 2） 在同一个参考系的基础下，如果引导车辆与另一台汽车的行车位置变化率分别用dXl（ t）和 dXf（ t）表示，则这两辆车的车距为： ）（）（）（ tfd-t1dt XXS （ 3） 3
10、 图 1 汽车车距测量示意图 Fig.1 Car distance measurement schematic diagram 1.2 汽车追尾碰撞预警系统的结构 组成 图 2 汽车追尾碰撞预警系统的结构图 Fig.2 Automobile behind collision warning system structure diagram 汽车追尾碰撞预警系统的整体结构如图 1 所示，主要的部件包括了微处理器、相对速度测量传感器、激光测距传感器、车辆加速度传感器和显示报警装置。 1.2.1 微处理器 系统的微处理器采用的是 AT89C51 的单片机，该单片机是一个低电压、高性能的CMOS8 位
11、单片机，片内含 4KB 的可 反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128B 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密、非易失性存储技术产生，相对速度测量传感器 激光测距传感器 步进电机 跟车车辆加速度传感器 微处理器 报警显示装置 后车 前车 V1 激光测距传感器 发射光束 反射光束 S Vf 4 兼容标准 MCS-51 指令系统，片内 置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案， AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，
12、同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口， AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程 4。 为了有效降低开发制造的成本，扩大普及到一般家庭中的可能性，将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，尤其是可反复擦写的 Flash 存储器。 1.2.2 相对速度测量传感器 传 感器是一种将非电量的变化转化为电量变化的原件，是进行测量、控制仪器和设备的零件。在公路上行驶而发生的追尾碰撞事故往往是由于后方车辆没有确保安全车距，才会酿成事故的发生。如果要确保两车的行驶安全车距，不仅仅要知道两车行驶时的距离，还要知道两车行驶时的相对速度，才
13、不会至于后方车辆逐渐进入到危险车距中。相对速度测量传感器通过短时间内接收到的两辆车之间的距离的变化率来计算出相对速度，如式（ 4）： TV ）（相对速度 2d-1d（ 4） 式中： d1 上一时刻测量的车间距（ m）； d2 当前时刻测量的距离（ m）； T 测量的时间间隔； 通过这种测量的方式可以计算出当前两辆车之间的相对速度，从而为确定两车的安全车距的测量奠定基础。 1.2.3 激光测距传感器 激光测距传感器是先由激光二极管对准目标发射激光脉冲 ,经目标反射后激光向各方向散射 ,部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上 5。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的
14、光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记 录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标5 距离。 使用激光测距传感器可以精确测出两车的距离，不仅具有测量范围广、响应速度快、测量精度高、量程大、体积小安装调试方便、远距离测量无需反光板的优点，而且最重要的是对人体没有伤害，是测量车距的最佳选择。 1.2.4 车辆加速度传感器 车辆加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，主要是计算出汽车在行驶时相对于水平面的倾斜角度，这种设计主要是车辆在上坡、下坡以及在不平的路面行驶时的测量的准度。车辆加速度传感器可以在短时间内做到快速反应，且能够达 到稳定的状态，具有灵敏度高、稳定、范围广等
15、优点，将其利用到汽车追尾碰撞预警系统中，将可以提高系统的精确度和稳定性，提高人们出行的安全性。 1.2.5 显示报警装置 显示报警装置是由闪烁报警器、蜂鸣器和 LED 显示器组成，而系统的显示报警装置电路则由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成，如图 2 所示。对于其中的二级运算放大电路，采用的是 F007 芯片，两级的放大电路均是负反馈的接法，即反相比例运算电路，输入信号从反相端输入，而同相输入端则是接地处理。 图 3 系统报警电路图 Fig.3 The system alarm circuit diagram 单片机 AT89C51 会通过三个 I/O 口，发射出激光的信号，信号经
16、过三极管进行放大，从而使工作电流急剧的增大，然后发射出激光。发射的激光在遇到前面的车辆的车尾时会反射回来，而接收器则会接收反射回来的激光，并将其转换为电信号的形式，通过放大器的两极放大，然后进入输入端，单片机就会开始计算车辆与前车的距离，6 并将计算出的结果送到 LED 显示器中进行显示。当两车的车距小于不发生追尾事故的最小车距时，单片机便会给一个信号，使得系统报警电路工作，闪烁灯闪烁，蜂鸣器鸣叫，达到报警 的作用。 1.3 汽车追尾碰撞预警系统的工作原理 在数学模型的指导下，汽车追尾事故发生的原因是两车的安全距离过小，相对速度较大而产生的，要考虑这样的一种过程。在国际单位制下，令后方车辆和前
17、方车辆的相对瞬时速度为 U=Vf Vt，后方车辆的制动加速度为 Af，设在刚好不发生追尾事故时，后方车辆的制动时间为： f-AUT （ 5） 后方车辆在制动的过程中距离的变化为： 20 f21 TAUTS （ 6） 将上述两个式子联立得： f220 AUS （ 7） 在追尾事故即将发生的那一刻，驾驶员即使能够快速反应过来，但是在这个过程中也需要一个反应的时间，即驾驶员的反应时间以及处理紧急事件的时间，记作 M 秒，则上式将改为： f220 AUMUS （ 8） 这个就是不发生汽车追尾碰撞事故的两辆车的最小车距。 利用相对速度传感器测出后方车辆和前方车辆的相对瞬时速度 U，然后测出后方车辆的制动
18、加速度，通过单片机的程序电路计算出不发生追尾事故的最小车距 So，通过比较激光测距传感器测出的两车的车距 S来确定是否处于一个危险的距离中 6。如果S小于或者等于 So，则表示两车会发生追尾碰撞事故；而当 S大于 So时，表示两车的车距处 在安全状态下，不会发生追尾碰撞事故。 由于在处理的过程中还会有驾驶员的反应时间以及处理紧急事件的时间 M，故在计算安全车距时必须考虑这个因素。为了确保足够的安全，将驾驶员的反应时间以及处理紧急事件的时间 M 最大化处理，一般人的反应时间为 0.8 秒，处理紧急事件的时7 间为 1 秒，则取 M=2 秒，于是（ 8）式变为： f22 20 AUUS （ 9）
19、如果系统计算出的结果是 S 小于或者等于 So，则会给出闪烁指示， 同时蜂鸣器发出蜂鸣声，提醒驾驶员减速行驶，以排除发生追尾事故的可能性。 2 汽车追尾碰撞预警系统的设计 在进行了数学模型的设计、理论计算以及系统结构的分析后，进行系统的设计，这其中包括硬件设计和软件设计，硬件设计主要是对系统结构的组成的选配，将各结构进行组合达到预防报警的作用；而软件设计则是对系统采集的数据进行分析以及对信号的控制。 2.1 汽车追尾预警系统的硬件设计 如图 3 所示，汽车追尾碰撞预警系统硬件主要由微处理器、传感器组、显示报警装置组成，而传感器组有相对速度测量传感器、激光测距传感器和车辆加速度传感器 ，这些传感器主要是提供车辆在行驶过程中数据和信号的变化，如两车的距离、车辆的加速度大小以及两车的相对速度的大小。 图 4 预警系统硬件构成 Fig.4 The warning system hardware 相对速度和车距的测量可以采用集成传感器 LDM301 来实现， LDM301 能测到的距离为 1000 米，远大于两车的安全车距范围，且该传感器灵敏度高，可进行精确测相对速度测量传感器 激光测距传感器 车辆加速度传感器 控制单元 显示报警装置 跟车信息 控制信号
