汽車防追尾預警及自動減速系統(tǒng)設計

吳海波，石磊磊Wu Haibo, Shi Leilei

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710054）

0 引言

近年來，我國高速公路建設發(fā)展迅猛，為區(qū)域經(jīng)濟一體化的發(fā)展奠定了堅實的基礎，同時，高速行車也引發(fā)了一系列嚴重的交通事故。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36%～40%，而且多為惡性事故，所造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡最大。所以預防高速公路交通事故應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、制動不及時等，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。國外對追尾預警和避免系統(tǒng)的研究較早，其大量研究結(jié)果表明，經(jīng)過合理設計的智能防撞系統(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 車輛制動過程和制動距離分析

汽車在行駛過程中，當駕駛員接收到緊急制動的信號后，制動過程如圖1所示。

由圖可知，一次制動過程分為以下幾個階段，即駕駛員反應時間t1，制動協(xié)調(diào)時間t2，減速度增長時間t3和持續(xù)制動時間t4，其中駕駛員反應時間t1包括從緊急狀況出現(xiàn)到駕駛員意識到要采取制動措施的時間t1′，以及腳從油門離開到踩制動踏板的這段時間t1″。那么一次制動過程的制動距離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為車輛制動前的初始速度，km/h。

2 車輛安全跟車距離計算模型

兩輛同向行駛的汽車緊急制動過程如圖 2所示。S安全(m)為安全的跟車距離，SB(m)為前車B的緊急制動距離，SA(m)為后車A的緊急制動距離，SE(m)為設計要求的兩車完全停下的實際車間距離，一般為 1～6m，臨界條件時為零。年齡、性格、性別、心理素質(zhì)以及對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，而謹慎型女性駕駛員希望SE較大一點。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，兩車的實際跟車距離S必須大于安全車距S安全，即

3 系統(tǒng)設計

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，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）計算出安全跟車距離S安全，并和實際跟車距離S進行比較，輸出控制信號；輸出單元由顯示器、黃色警示燈、紅色報警燈和供油系統(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)采用脈沖激光雷達測距機作為距離傳感器，將其安裝在后車的前保險杠上，用于采集實時的跟車距離信息；采用霍爾效應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，以提供后車的實時車速信號；手動式路面選擇開關分干燥路面、濕路面和冰雪路面3檔，駕駛員根據(jù)實際路面情況手動進行選擇，系統(tǒng)將此參數(shù)帶入式（2）中進行計算。

中央處理單元由AT89c51單片機和接口電路組成。中央處理單元接收到傳感器信號后，運行其中的主控制程序，輸出控制信號。

輸出單元由車速顯示器、警示燈、報警燈以及供油系統(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的接口電路設計如圖4（a）所示；警示燈和報警燈分別選用黃色、紅色LED燈，其與單片機的連接如圖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，必要時減少發(fā)動機的供油量，從而降低車速。

3.2 主控程序設計

系統(tǒng)主控制程序流程如圖5所示。

系統(tǒng)啟動后，3個傳感器實時采集跟車信息，中央處理單元（AT89c51型單片機）接收這些信息后，運行其中的主控制程序，計算安全跟車距離S安全，并和實際跟車距離S進行比較：當S≥S安全+25 m時，不輸出控制信號；當S安全

4 結(jié)論

在對車輛制動過程理論分析的基礎上，建立了車輛安全跟車距離模型，并結(jié)合傳感器技術、電子通訊技術，開發(fā)設計了一種汽車防追尾預警及自動減速系統(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.汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)開發(fā)[J].中國公路學報，2001，14（3）：23-25.

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

[3]余志生. 汽車理論（第四版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4]李朝青.單片機原理及接口技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2005.