高速公路連環撞車預警裝置的設計研究

苗永浩，沈 威，胡超駿

（武漢理工大學物流工程學院，湖北 武漢430063）

隨著交通安全越來越受關注，各種汽車安全設計裝備也成為汽車設計領域的寵兒.針對高速公路上連環撞車事故，目前市場上出現了一些巡航裝置.值得注意的是，市場上出現的巡航裝置大多安裝在中高檔汽車上，利用GPS測速導航，此裝置不僅昂貴，而且在交通事故易發的惡劣天氣情況下，GPS不容易捕捉信號，成為此類裝置的致命缺點.

1 設計思路

撞車預警裝置由加速度傳感器、車距檢測裝置、信號發射器、信號接收器、預警裝置、汽車限速器、高速公路智能遙控裝置組成，分別完成分析汽車是否撞車，事故車與本車距離測量，撞車信息的采集、發射、接收，警示限速，限速，對汽車進行標記等功能.為靠近事故現場的駕駛員提供更多的反應時間，并輔助駕駛員減速，最終達到預防連環撞車的目的（圖1）.

圖1 整體原理圖

整套裝置安裝于汽車內部，信號發射器采集汽車撞車信息發射到后方汽車的接收器，啟動汽車限速器，預警裝置，實現對汽車駕駛員的預警和輔助減速功能［1］.

2 裝置組成

2.1 加速度傳感器

本裝置（圖2）包括敏感元件和信號獲取與處理電路，所述敏感元件為敏感質量塊、位于敏感質量塊中間空腔的懸臂梁以及敏感質量塊兩端的杠桿結構；與杠桿結構錨點相接觸的諧振器連入信號獲取與處理電路；諧振器做成雙音叉結構；敏感質量塊空腔的懸臂梁兩側設置有測試驅動叉指結構，以此提高信噪比和靈敏度.

圖2 加速度傳感器結構

2.2 車距檢測裝置

本裝置包括一個前置攝像頭（除成像功能外，還能從圖像傳感器中接收LED的調制光信號并輸出信息），在車尾部兩側安裝LED尾燈（能夠發射調制的信號，信號中攜帶有特定的信息）（圖3），來實現包括車距、相對位置、相對速度的測量［2］.

圖3 測距原理圖

2.3 信息發射器

信息發射器由存儲單元、無線發射單元、中央處理單元（CPU）以及按鍵控制單元構成.利用Zigbee實現信息擴散式傳播，信號持續發出，時間足夠等到救援人員控制事故現場，其信號范圍為1 000m.信號分為預警信號和兩種限速信號A與B，這三類信號不會相互影響，可以同時也可單獨發射.

考慮到汽車在高速公路上出現意外事故，如突然熄火等.這里為駕駛員提供了一套人機配合的安全裝置，就是在汽車發射器上連接一個按鈕，當司機意識到汽車將出現意外情況時，或者車輛突然減速或者故障行駛時，加速度傳感器首先會對加速度變化情況進行分析，車內預警器對駕駛員進行警示，駕駛員可以根據事故類型，現場情況作出判斷，然后選擇是否按按鈕直接通過發射器對靠近本車的汽車發送預警信號，以保證本車和來車的安全（圖4）.

圖4 信息發射器工作示意圖

2.4 信息接收器

接收器利用zigbee無線單片機單元、存儲單元、車輛信息采集單元以及中央處理單元（CPU）構成，當事故車輛上的特殊信號傳遞到靠近事故車輛時，信息接收器接收信號并由CPU進行分析判斷，對信息處理后，接收到預警信號就打開運行預警器，接收到限速信號A或B后就打開運行限速器（圖5）.

控制電路通過接收加速度傳感器以及接收器所反饋來的電信號命令，對預警器以及限速器進行有效智能化的控制［3］.

圖5 接收器工作原理示意圖

2.5 預警器

預警器由蜂鳴器和防刺眼閃光燈組成，當信息接收器將電信號傳遞到預警器時，蜂鳴器發出提示音對駕駛員進行警示，通過本車上的測距裝置分析接收到事故車的信號，并告知駕駛員事故地點距本車的距離，讓駕駛員采取有效的相應措施以應付事故，保障人車安全.另外，閃光燈對駕駛員加以輔助警示，兩者同時運行，與車內其他預警器加以區別，提示駕駛員.預警器在高速公路和普通公路上都處于開啟功能狀態.

2.6 限速器

限速器由控制儀、機械手和軟軸傳力機構組成.其中機械手包括電機、電機驅動電路、螺旋副、限位裝置和計數裝置，螺旋副包括由電機驅動旋轉的螺旋軸和旋套在螺旋軸上的螺旋套，該螺旋套可通過軟軸傳力機構拉動汽車的油門踏板向上移動.計數裝置可對螺旋軸的旋轉圈數進行計數.控制儀通過接收到的信號對機械手進行控制，實現對駕駛員的輔助減速.限速器主要用在高速公路上，收費站上有無線自動啟動裝置開啟和關閉這個功能.

2.7 高速公路智能遙控裝置

圖6 高速公路智能遙控裝置示意圖

本裝置包括光電門感應單元，單片機控制單元，無線發射器與控制單元（圖6）.由于高速公路（包括普通公路）都為雙向行駛車道（高速公路無單行道），以下分別稱為L道（對應A信號）跟R道（對應B信號）.為實現限速警示的單向精確高效率控制.在高速公路的入口與出口處分別設置光電門感應裝置，并在對應路面上設置無線遙控裝置.當車通過R道入口時，光電門感應信息，將信息傳輸給無線發射器單元，無線發射器遂發射信號，將該車輛上的信號接收器A信號接受開關關閉，從而使車輛行于該方向車道時只能發射與接收處理B信號.當車從出口離開時，出口處的無線發射器控制單元重新對車輛上的A信號開關進行開啟.（車在L道上同理，只是將對A信號的操作改為對B信號的操作.）這樣，便可以成功實現單方向的車輛無線操控警示［4］.

3 裝置可行性分析

1）本裝置獨立于車體之外，為裝置的設計與安裝提供了有效的前提條件.

2）選取加速度測量器時，充分考慮了當今市場車輛的各種速度與加速度測量方式.在普通車輛中，速度測量采用的是在車軸上安裝速度傳感器（五輪儀），測量車軸輪胎的轉速，通過計算，將轉速化為車輛的速度.這樣的方法誤差較大，不能將各種意外情況導致的速度誤差考慮進去，如輪胎打滑、側滑、空轉以及突發碰撞等因素.為提高適用性，選取加速度傳感器作為數據采集源.

3）發射、接收裝置采用了當今比較流行的Zigbee模塊，這項技術具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本的特點.主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備.車距檢測裝置采用的是公開發明專利：基于可見光通信的車距測量方法，利用LED光通信的方式來實現包括車距、相對位置、相對速度的測量.預警器和限速器的技術成熟，考慮到本裝置的獨特功能，選擇的預警器具備語音和燈光雙重提示，限速器作為安全設計的輔助裝置，充分利用其智能性，結構簡單，安全可靠，便于推廣和使用.

4）本裝置主要用于高速公路上，其“標記功能”在汽車進入收費站那一刻開始工作，很好的保證了高速公路上兩車道的獨立性.這一設計充分體現了本裝置的智能性，如果缺乏該裝置，那么任意一車道的交通事故都會影響到另一車道的暢通性，嚴重影響高速公路上的行車效率.

［1］劉曙陽，堵兆君，劉 松.防止高速公路追尾撞車的預警系統及其預警方法，中國，02113003.5［P］.2002－11－27.

［2］羅立聲，王艷坤.一種LED測距裝置，中國，CN200820181591.7［P］.2009－10－21.

［3］管 欣，張立存.基于最優預瞄加速度決策的汽車自適應巡航控制系統［J］.吉林大學學報，2004，34（2）：89－93.

［4］羅禹貢，陳 濤，周 磊，等.奔騰智能混合動力電動轎車自適應巡航控制系統［J］.機械工程學報，2010，46（6）：2－7.