智能尾燈在防止汽車追尾中的應用

蔣大偉 梁幸玲

（1.北京航空航天大學，北京 100191；2.廣西科學活動中心，廣西 南寧 530022）

智能尾燈在防止汽車追尾中的應用

蔣大偉1梁幸玲2

（1.北京航空航天大學，北京 100191；2.廣西科學活動中心，廣西 南寧 530022）

介紹了國內(nèi)交通事故的現(xiàn)狀，并針對其中的追尾事故進行了分析，同時結合國內(nèi)外現(xiàn)狀探討如何應用智能尾燈的技術預防追尾事故的發(fā)生，介紹了汽車智能尾燈的主要功能和構造。

防追尾；智能尾燈；汽車

（一）背景

自上世紀80年代中國開始出現(xiàn)私人汽車，到2003年社會保有量達到1219萬輛，私人汽車突破千萬輛用了近20年，而突破2000萬輛僅僅用了3年時間。2010年，我國汽車的保有量達到了7000萬輛。隨著我國汽車保有量的不斷增加，交通事故發(fā)生數(shù)量一直居高不下，造成了大量人員傷亡和經(jīng)濟損失，見圖1。僅我國2009年一年因交通事故死亡的人數(shù)高達9.1萬人[1]，相當于每天有兩架波音747飛機失事。據(jù)新華社報道，中國每一萬輛汽車的車禍死亡率是發(fā)達國家的幾十倍。2003年中國的萬車死亡率是 43.5人，同年美國只有1.7人，德國1.37人，日本1.1人。據(jù)我國交通部統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2009年，全國共發(fā)生道路交通事故 238351起，造成67759人死亡、275125人受傷，直接財產(chǎn)損失9.1億元。可以說我國一直是全球交通事故死亡人數(shù)最多的國家，在國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要中，降低交通事故的數(shù)量、減少人員和財產(chǎn)損失任是重大課題之一。

特別值得人們關注的是，在諸多交通事故中，汽車追尾則是最常見的交通事故之一，而且在交通事故中占據(jù)著很高的比例。據(jù)統(tǒng)計，汽車追尾事故約占美國汽車碰撞事故的20%[3],造成每年1,600人死亡和700,000人受傷。而在德國，汽車追尾事故則占到了交通事故的17%，同樣造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失。在我國近幾年的交通事故統(tǒng)計中，汽車追尾事故均超過了30%。在汽車行駛過程中，疲勞駕駛、注意力不集中、超速、違章停車、惡劣天氣和頻繁剎車往往是造成追尾事故發(fā)生的主要原因。交通密度大的城市道路往往是汽車追尾事故的高發(fā)地段，而高速公路更是多車連環(huán)追尾重大交通事故的多發(fā)地段。那么怎樣才能有效地預防汽車追尾事故的發(fā)生，減少不必要的損失呢？

經(jīng)研究表明，追尾事故發(fā)生的原因當中，后車駕駛員反應不及時和反應疲勞占到了事故比例的50%以上。同時傳統(tǒng)的乘用車一般采用剎車尾燈組，即一對剎車尾燈和一個高位剎車燈，來提示后車防止追尾，但目前系統(tǒng)的燈光方式所表達出的信息量過于單一。因為僅通過剎車尾燈組同時亮起來表達前車處于剎車狀態(tài)，不僅不能區(qū)分緊急剎車與普通剎車，而且頻繁亮起也容易讓后車駕駛員視覺疲勞從而放松警惕，所以不能有效地防止追尾事故的發(fā)生。如何通過有效的手段減少駕駛員的疲勞并使剎車尾燈能表示更豐富的信息，成了多數(shù)汽車企業(yè)和研發(fā)機構的研究重點。

（二）視覺對燈光閃爍頻率的敏感性

在駕駛人的感覺系統(tǒng)中，視覺尤為重要。研究表明，駕駛人視覺所獲得的信息占全部信息的80% 以上。 因此，在行車過程中，駕駛人視覺能力的高低直接關系到駕駛人的駕駛行為，因此對行車安全起著決定性的作用。

通過試驗表明，燈光的閃爍頻率對人視覺敏感度的影響差異是顯著的，如下圖2：

圖2 視覺對燈光閃爍頻率的敏感特性曲線

由上圖可見，視覺對燈光的閃爍特性以17Hz到21Hz的范圍內(nèi)最為敏感，相應的燈光語言的設計將以此作為理論基礎。

（三）汽車尾燈主動安全控制的現(xiàn)狀

汽車尾燈主動安全控制即通過不同的燈光方式吸引駕駛人員的注意力，更為有效防止追尾事故的發(fā)生。例如：一向以注重安全著稱的VOLVO轎車已經(jīng)在其S80款高檔轎車上裝備有緊急剎車燈閃爍系統(tǒng)。當強力制動減速度達到1g以上時，串接于剎車燈開關的剎車燈閃爍控制裝置自動驅動繼電器快速間隔吸合，讓高位剎車燈快速閃爍以警示后方車輛注意減速。同時，汽車停止后，危險警告燈也會自動接通向后方來車提供警示，有效避免再次發(fā)生事故；在奔馳 S級轎車上，裝備了 Flashing brake light 技術，閃爍式剎車燈在急剎車時可以不停地閃爍，以提醒后續(xù)車輛采取相應的減速措施，見圖3；而寶馬公司則另辟蹊徑采用了雙段式剎車燈技術，這套系統(tǒng)是通過剎車燈的亮度和點亮面積來表現(xiàn)駕駛員施加剎車力的大小，提醒后方駕駛員注意減速，及時采取適當?shù)拇胧┓乐棺肺玻粬|風標致 206裝備有主動防追尾安全系統(tǒng)，在緊急制動時，危險警示燈自動頻閃，盡早提醒后面車輛，預防后車追尾。

圖3 奔馳公司的Flashing brake light 技術

（四）汽車尾燈主動安全控制的擴展應用

汽車尾燈也逐步向汽車智能尾燈升級，即在原有的功能中加入測距的功能。將測距儀安裝在車輛后部，實時測量后車距自車的距離，進而得到兩車的相對速度，根據(jù)特定安全距離模型智能判斷安全等級，實施相應安全預警。一般結構如圖所示：

圖4 汽車智能尾燈的系統(tǒng)構成框圖

1.測距傳感器

測距傳感器的使用一般分為：聲學類、電磁類、光學類三種：

（1）聲學類（超聲波防追尾儀）

超聲波防追尾儀的原理簡單，成本低、制作方便。但超聲波防追尾儀在應用上有一定的局限性，這是因為:第一超聲波的傳輸速度低；第二受天氣影響較大，不同的天氣條件下傳播速度不一樣；第三測距距離較近，對于遠距離的障礙物，由于反射波過于微弱，使得靈敏度下降。所以這項技術主要應用在汽車倒車防撞系統(tǒng)上。

（2）電磁類（毫米波雷達防追尾儀）

毫米波測距雷達可以分為脈沖測距雷達和連續(xù)波測距雷達兩種。

雖然脈沖雷達的原理簡單，但在具體技術實現(xiàn)上，脈沖測距存在一定難度。并且由于脈沖測距需在很短的時間內(nèi)發(fā)射大功率的脈沖信號，通過脈沖信號控制雷達的壓控振蕩器從低頻瞬時跳變到高頻，因此它在硬件結構上比較復雜，造價高。

目前汽車在應用領域研究較多的連續(xù)波雷達的測距方式是調(diào)頻連續(xù)波測距方式。其基本原理是它發(fā)射的連續(xù)調(diào)頻信號遇到前方目標時，會反射回與發(fā)射信號有一定延時的回波，根據(jù)多普勒等原理對回波信號進行分析處理，從而得出兩車相對速度、兩車相隔距離等信息。

連續(xù)波雷達的突出優(yōu)點是能穿透泥土和飛濺物“看到”物體；并且窄波束和寬波束均可使用，因而能夠把波束寬度調(diào)制得適于特殊用途。

其主要缺點是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對較高。

（3）光學類（紅外防追尾儀，激光防追尾儀）

①紅外防追尾儀。紅外防追尾儀的原理是通過發(fā)射并接收前方物體反射回的紅外線，計算出兩者的時間差，以時間差和光速計算出兩車的距離。紅外防追尾儀實現(xiàn)技術簡單，成本低廉，且尺寸小。主要缺點是響應時間過長，使駕駛員得到的提前報警時間常常不足以躲避碰撞，反射波隨距離的增長衰減較大，所以探測距離短不滿足高速公路的要求，并且受天氣、雨、霧、塵埃等環(huán)境因素影響較大。

②激光防追尾儀。目前在汽車上應用較廣的激光測距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達和成像式激光雷達。

A.非成像式激光雷達可以分為脈沖式和連續(xù)波式兩種。

脈沖式激光測距的原理是通過激光測距儀向目標發(fā)射激光束，當信號碰到前方目標被反射回來后，記錄激光往返的時間間隔，然后用光速乘以往返時間的1/2，即可獲得目標的距離。

連續(xù)波激光測距的原理是利用連續(xù)調(diào)制的激光光束照射被測目標，通過測量光束往返中產(chǎn)生的相位變化，換算出被測目標的距離，連續(xù)波激光測距誤差僅有百萬分之一。

其中脈沖激光測距雷達由于實現(xiàn)技術比較容易，所以其應用最為普遍。

B.成像式激光雷達又可分為掃描成像激光雷達和非掃描成像激光雷達。

掃描成像激光雷達把激光雷達同二維光學掃描鏡結合起來，利用掃描器控制激光的射出方向，通過逐點掃描整個視場，即可獲得視場內(nèi)目標的三維信息。

非掃描成像式激光雷達將光源發(fā)出的經(jīng)過強度調(diào)制的激光經(jīng)分束器系統(tǒng)分為多束光后沿不同方向射出，照射待測區(qū)域。由于非掃描成像激光雷達測點數(shù)目大大減少，從而提高了系統(tǒng)三維成像速度。

由于激光具有高單色性、高方向性等特點，因此激光束近似直線，很少擴散，波束能量集中，傳輸距離遠。因此激光雷達防追尾儀具有探測距離遠、精確性高、抗電磁干擾能力良好、尺寸小等特點。

但激光的靈敏度易隨惡劣的天氣狀況及光學元件的污染而下降。同時，激光的發(fā)射能量必須限定在人眼安全水平范圍之內(nèi)。

2.控制單元

控制單元接收狀態(tài)感知單元傳遞過來的自車速度、后車距離，計算出后車的速度、加速度，與設定的危險值比較、判斷目前車輛所處的危險等級，向控制單元發(fā)出指令。主要結構圖如圖6：

目前可供選用的主要基于：單片機系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、arm系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、微機系統(tǒng)。

各系統(tǒng)的車載能力各有強弱，單片機系統(tǒng)速度較慢，但成本低廉，使用較為廣泛；微機系統(tǒng)功能強大，可以多任務執(zhí)行，但價格昂貴，穩(wěn)定性較差。

圖6 汽車智能尾燈系統(tǒng)控制流程圖

3.執(zhí)行單元

執(zhí)行單元一般包括：聲音驅動執(zhí)行系統(tǒng)、車燈驅動執(zhí)行系統(tǒng)、制動和加速執(zhí)行系統(tǒng)等。其中的制動和加速執(zhí)行系統(tǒng)因為目前技術容易導致誤操作，引起更為嚴重的后果，所以鮮見使用。

聲音驅動執(zhí)行系統(tǒng)以聲音提示的方式給本車駕駛員預警；車燈驅動執(zhí)行系統(tǒng)主要正對后車的預警。

（五）結論

隨著人們對安全要求的提高以及計算機和微電子工藝的發(fā)展，使得現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)與汽車的集成進入了新的階段，電子系統(tǒng)在整車的零部件比重中將不斷增加，智能尾燈作為其中的一個重要分支必然越來越受到各廠家的重視。

[1] 2009年全國道路交通事故統(tǒng)計,http://www.tranbbs.com/Techarticle/TInformation/Techarticle_68747.shtml.

[2] “萬車死亡率”不容文字游戲,http://www.chinanews.com.cn/news/2005/2005-01-19/26/530268.shtml.

[3] 有效預防追尾 制動燈幫你忙,http://www.autoday.com.cn/news/2008-10-24_16229.html.

[4] 張朝剛.汽車駕駛員的視覺特性與行車安全[M].商用汽車,2001(9)48-49.

[5] 丁玉蘭.人機工程[M].北京:北京理工大學出版(第三版),2006:98-99

U461.91

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1008-1151(2011)05-0140-02

2011-02-23

蔣大偉（1985－），男，湖南岳陽人，北京航空航天大學在讀博士，研究方向為智能車輛技術；梁幸玲（1966－），廣東廣州人，廣西科學活動中心講師，研究方向為人機工程。