汽車防追尾預(yù)警及自動(dòng)減速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳海波，石磊磊Wu Haibo, Shi Leilei

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來，我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅猛，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)，高速行車也引發(fā)了一系列嚴(yán)重的交通事故。汽車追尾碰撞是高速公路交通事故的主要形式。調(diào)查顯示，追尾碰撞事故占高速公路總事故的比例高達(dá)36%～40%，而且多為惡性事故，所造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡最大。所以預(yù)防高速公路交通事故應(yīng)主要考慮汽車的追尾碰撞。汽車追尾碰撞發(fā)生的主要原因是車速過快、行車間距過小、制動(dòng)不及時(shí)等，而且在駕駛員疲勞和天氣狀況不佳的條件下尤其容易發(fā)生。國外對(duì)追尾預(yù)警和避免系統(tǒng)的研究較早，其大量研究結(jié)果表明，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的智能防撞系統(tǒng)能夠有效降低追尾事故的發(fā)生率，提高高速公路行車的安全性。

1 車輛制動(dòng)過程和制動(dòng)距離分析

汽車在行駛過程中，當(dāng)駕駛員接收到緊急制動(dòng)的信號(hào)后，制動(dòng)過程如圖1所示。

由圖可知，一次制動(dòng)過程分為以下幾個(gè)階段，即駕駛員反應(yīng)時(shí)間t1，制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t2，減速度增長時(shí)間t3和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t4，其中駕駛員反應(yīng)時(shí)間t1包括從緊急狀況出現(xiàn)到駕駛員意識(shí)到要采取制動(dòng)措施的時(shí)間t1′，以及腳從油門離開到踩制動(dòng)踏板的這段時(shí)間t1″。那么一次制動(dòng)過程的制動(dòng)距離SA可由以下模型簡化得到：

式中，amax取路面附著系數(shù)φ，m/s2；VA為車輛制動(dòng)前的初始速度，km/h。

2 車輛安全跟車距離計(jì)算模型

兩輛同向行駛的汽車緊急制動(dòng)過程如圖 2所示。S安全(m)為安全的跟車距離，SB(m)為前車B的緊急制動(dòng)距離，SA(m)為后車A的緊急制動(dòng)距離，SE(m)為設(shè)計(jì)要求的兩車完全停下的實(shí)際車間距離，一般為 1～6m，臨界條件時(shí)為零。年齡、性格、性別、心理素質(zhì)以及對(duì)距離的感知程度都可能影響駕駛員的跟車特性。一般來說，年輕果敢型男性駕駛員希望SE較小，而謹(jǐn)慎型女性駕駛員希望SE較大一點(diǎn)。系統(tǒng)取極端臨界條件SE=0。結(jié)合圖2和式（1），得出安全的跟車距離S安全：

為了避免發(fā)生碰撞，兩車的實(shí)際跟車距離S必須大于安全車距S安全，即

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件組成

如圖3所示，防追尾碰撞系統(tǒng)主要由輸入單元、中央處理單元和輸出單元組成。輸入單元包括距離傳感器、車速傳感器和路面選擇開關(guān)，分別用于采集車距、車速信息和選擇路面附著系數(shù)，并將其傳送給中央處理單元；中央處理單元根據(jù)這些信息，由式（2）計(jì)算出安全跟車距離S安全，并和實(shí)際跟車距離S進(jìn)行比較，輸出控制信號(hào)；輸出單元由顯示器、黃色警示燈、紅色報(bào)警燈和供油系統(tǒng)控制裝置組成，由中央處理單元控制工作。

經(jīng)過比較，系統(tǒng)采用脈沖激光雷達(dá)測距機(jī)作為距離傳感器，將其安裝在后車的前保險(xiǎn)杠上，用于采集實(shí)時(shí)的跟車距離信息；采用霍爾效應(yīng)式車速傳感器作為后車車速傳感器，將其安裝在變速器輸出軸上，以提供后車的實(shí)時(shí)車速信號(hào)；手動(dòng)式路面選擇開關(guān)分干燥路面、濕路面和冰雪路面3檔，駕駛員根據(jù)實(shí)際路面情況手動(dòng)進(jìn)行選擇，系統(tǒng)將此參數(shù)帶入式（2）中進(jìn)行計(jì)算。

中央處理單元由AT89c51單片機(jī)和接口電路組成。中央處理單元接收到傳感器信號(hào)后，運(yùn)行其中的主控制程序，輸出控制信號(hào)。

輸出單元由車速顯示器、警示燈、報(bào)警燈以及供油系統(tǒng)控制裝置組成。顯示器選用EDM809段碼式液晶顯示器模塊，顯示器模塊與單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)如圖4（a）所示；警示燈和報(bào)警燈分別選用黃色、紅色LED燈，其與單片機(jī)的連接如圖4（b）所示；安裝在供油管路中的電磁閥，由中央處理單元控制，必要時(shí)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量，從而降低車速。

3.2 主控程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，3個(gè)傳感器實(shí)時(shí)采集跟車信息，中央處理單元（AT89c51型單片機(jī)）接收這些信息后，運(yùn)行其中的主控制程序，計(jì)算安全跟車距離S安全，并和實(shí)際跟車距離S進(jìn)行比較：當(dāng)S≥S安全+25 m時(shí)，不輸出控制信號(hào)；當(dāng)S安全

4 結(jié)論

在對(duì)車輛制動(dòng)過程理論分析的基礎(chǔ)上，建立了車輛安全跟車距離模型，并結(jié)合傳感器技術(shù)、電子通訊技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種汽車防追尾預(yù)警及自動(dòng)減速系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠排除駕駛員因素及交通環(huán)境的影響，有效地降低高速公路汽車追尾事故的發(fā)生率。但系統(tǒng)也存在一些不足和有待改進(jìn)之處，例如傳感器精度不高，尤其是在降低虛警率方面還有待進(jìn)一步的分析和研究。

[1]李曉霞，李百川，侯德藻，等.汽車追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2001，14（3）：23-25.

[2]CAROL D Eberhard. Collision warning[J]. Automotive Engineering，1997，（3）：86-90.

[3]余志生. 汽車?yán)碚摚ǖ谒陌妫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.