基于紅外線測距的汽車防撞系統的研究

唐理洋，張亞君

(杭州電子科技大學電子信息學院，杭州310018)

近年來，隨著經濟的高速發展，家庭用車和運輸用車的數量急劇增長，不僅使道路更加擁擠，更為嚴重的是隨之而來的越加頻繁的交通事故。造成這些事故的原因有多種，客觀上有道路條件、惡劣天氣等的影響，而主觀上是強行超車、錯誤估計車距、司機開小差等等。為了減少因此造成的交通事故，給車輛安裝具有自動測距、報警、剎車的防撞系統勢在必行。

當今世界電子技術發達，測距的方法多種多樣，主要有超聲波測距、激光測距、微波雷達測距和紅外線測距。這些測距的原理不同，也各有其優缺點。超聲波測距原理簡單、成本較低，但是速度易受外界環境影響，并且測量的理想距離也只有4 m ～5 m。激光測距易受汽車震動、惡劣天氣、反射鏡表面磨損和污染等因素影響，而使測距的探測距離減少1/2～1/3，使用精度大為降低。微波雷達測距不僅成本較高，而且易受電磁波的干擾，不適合應用于汽車測距系統。紅外線傳播時不易擴散，穿越其他物質時折射率很小，再加上能適應夜晚或能見度差的環境、應用于測距時成本低廉，因此便于民間的推廣。

本文所研究系統的便是根據紅外線往返目標所需的時間來判斷目標的距離，并結合單片機技術，把這種測距方法應用于汽車防撞系統，能夠有效的減少追尾等事故，保證交通安全。

1 紅外線測距基本原理及防撞系統的建立

1.1 基本原理

紅外線測距器由發射器和接收器兩部分組成。發射器不斷發射出頻率為40 kHz 的紅外線，當碰到其他汽車或是障礙物時反射，接收器接收到反射波信號后將其轉換成電信號。如果知道發射器發射信號與接收器接收反射信號之間的時間差t，便可以根據以下公式計算出距離S:

上式中，C 為光速，一般取C=3×108m/s。

本文的系統采用的是“計數”的方式，通過單片機處理數據，其原理是:紅外線發射器連續不斷的向外發射紅外線，當紅外線接收器第一次接收到由障礙物反射回來的紅外線信號時，經電路處理單片機給出一個技術啟動信號，單片機的計數器開始以一定的頻率進行計數;當接收器再次接收到反射回來的紅外線信號時，經電路處理單片機給出一個停止計數脈沖，計數器停止計數。通過軟件編程，令單片機能夠自動處理這些數據，用脈沖的周期T 乘以脈沖數n 就能夠得到發射紅外線到接收線時間差t，即:t=nT。把t 代入到S=tC/2 就可以得到測量距離的最終公式:S=nTC/2

1.2 汽車防撞系統的建立

紅外線汽車防撞系統的原理框圖如圖1 所示。圖1 中，整個汽車防撞系統中除了前面所介紹的紅外線測距部分，還包括聲光報警電路，自動剎車減速裝置和輸入當前汽車速度的電路。

汽車當前速度輸入到單片機中進行數據運算:結合與前車的距離變化和可以計算出前車行進速度和加速度;結合已經計算出的障礙物距離和本身的制動能力可以計算出警戒距離和危險距離。

報警電路由觸發器、驅動電路、小喇叭和彩燈組成。當與障礙物的距離等于或小于警戒距離時單片機給觸發器一個信號，令觸發器置位并產生一組脈沖，通過驅動電路，使小喇叭發出報警聲并令彩燈閃爍，達到報警的目的。當與障礙物的距離大于警戒距離時，觸發器復位，停止產生脈沖。

自動剎車減速裝置。該功能可以手動開啟或關閉，當處于開啟時，一旦與障礙物的距離等于或小于危險距離，便通過單片機啟動自動剎車裝置，令汽車減速防止碰撞。

圖1 汽車防撞系統原理框圖

2 硬件電路的設計

2.1 紅外線測距硬件電路的設計

紅外線測量距離的硬件電路圖如圖2 所示。

單片機間斷發出編碼不同的脈沖，經過8155 輸出。8155 的高4 位PA 口作為數據的發送端，將信號輸入到編碼器YYH26 的數據端進行編碼。CD4011 是頻率為40 kHz 的振蕩器，用于調制YYH26 產生的編碼信號。已調制的信號經8550 放大后由紅外線發光二極管PH 發送出去。同時為了保證紅外線在遠程發射時具有足夠的發射功率，在發射端，采用多個發光二極管并聯以增大發射強度，并安裝聚光鏡使紅外線成束發射，以增大發射功率。

圖2 紅外線測距硬件電路圖

VD 是多個并聯的紅外線接收二極管，用來接收反射回來的紅外線脈沖調制信號。接收到的信號經CX20106A 解調放大后輸入譯碼器YYH27 的14腳。將接收到的地址碼與YYH27 本身的地址碼進行比較，如果連續4 次無誤則表示解碼成功，同時把接收到的數據經8155 的低4 位PA 口輸入到單片機中。然后單片機就可以根據從發射至接收到此編碼脈沖的時間計算出車距來。

2.2 報警電路

系統的報警電路如圖3 所示。報警電路主要由蜂鳴器、三極管及LED 等組成。電路中，蜂鳴器使用PNP 三極管Q2進行驅動控制。正常時，LED2綠燈亮，三極管不導通，蜂鳴器無電流通過。當系統檢測到車距達到警戒距離時，單片機就將BUFF 引腳控制電平設置為低電平，此時Q2導通，蜂鳴器蜂鳴，LED1 紅燈閃爍，電路便實現報警。同時單片機還與自動剎車系統相連接，當車距達到危險值時，啟動自動剎車系統迫使汽車減速。

圖3 報警電路

2.3 液晶顯示接口電路

本系統選用ZJM1286BSBD128×64 點陣式液晶顯示器(LCD)來進行顯示，其原理圖如圖4 所示。

通過R/W，RS，E，CS1，CS2 作為與MCU 微處理器數據總線接口的控制信號，進行通信。R/W 端口用于控制液晶讀寫，當其為低電平時LCD 工作在寫模式，高電平時LCD 工作在讀模式。RS 是指令/數據控制信號，它控制存取的方式，可實現接受數據或讀寫指令。CS1，CS2 是片選信號，高電平為有效電平，控制液晶的左右半屏顯示。DB0－DB7 是數據總線，其與單片機端口連接來進行寫命令或讀數據。電路中通過變位器R15可以調節背光的亮度，使顯示達到更好的效果。

圖4 液晶顯示電路

3 軟件的設計

汽車防撞系統的軟件流程圖如如圖5 所示。

圖5 汽車防撞系統軟件流程圖

圖5 中，需要檢測的信號只有經障礙物反射回來的紅外信號這一個。當系統初始化之后，不斷地進行檢測，并通過控制計數器的開啟與關閉得到兩次信號之間的技術差值n，這個數值與汽車當前速度V1是整個系統的外部輸入數據。

軟件的核心部分是對數據的處理，經此可以得到與障礙物的距離、前車速度和加速度、警戒距離、危險距離。最后是顯示部分和控制部分。前者把車距和前車速度顯示于液晶顯示器上;后者根據當前車距的情況做出不同的反應。其中核心部分的算法原理如下介紹。

3.1 前車速度和加速度的計算

在本汽車防撞系統中，前方車輛速度是通過本車速度V1和與前方車輛的距離S 計算出來的。兩車之間的距離S 是時刻在變化中的，它的值受本車速度V1和前車速度V2影響。設ΔS 是兩車間距離的增量，Δt 是極短的一段時間是在時間Δt內的平均速度。

計算出前車速度V2后，對其進行微分計算，便可以得到前方車輛的加速度a，公式為:a=dV2/dt。所以，前方車輛加速度也是實際測量和計算相結合的結果。

3.2 警戒距離和危險距離的計算

從兩車速度判斷，為避免發生追尾事故，所探測到的本車到前方車輛的距離S 必須要大于一定的數值。由于每個人的反應時間不同、本車制動能力、前車意外減速等因素的影響，能夠有效預防事故的安全距離是時刻在變化的，所以本系統并不是預先設定一個固定的安全距離，而是根據本車速度、前車速度、前車加速度等實際數據結合理論自動計算安全距離，并且將其分為警戒距離和危險危險距離，并在達到不同的距離做出不同的反應。該方法與傳統的固定距離相比，極大的提高了效率與精確度。該方法的原理如下:

正常情況下，駕駛員從發現狀況到肢體動作進行剎車有一段反應時間，設為Tf1，另外拉動車閘到汽車剎車也有一段制動協調時間，設為Td，另外再設本車的剎車加速度為a1、前車的剎車加速度為a2、本車當前速度為V1，前車當前速度為V2可以得到兩車剎車減速到0 后之間的距離為:D=V1(Td+Tf1)+(V21/2a1)－(V22/2a2)。

當本車前方是靜止障礙物時，即a2=0 的情況下，D1=V1(Td+Tf1)+(V21/2a1)，所得的距離是警戒距離。當本車前方是移動物體時，由于不知道前車什么時候突然剎車減速，所以令a2為車輛的正常制動加速度，由此得到危險距離D2。然后，在防撞系統運行過程中，單片機不斷的把當前車距S 與D1和D2進行比較，并在必要時進行聲光報警和自動剎車。

4 汽車紅外線防撞系統性能評測

為了證明該紅外線防撞系統的實用性，進行了實際使用結果的測試，其中包括靜物距離探測，在公路上行駛過程中的動態探測，以及報警和制動性能的測試。

4.1 靜物距離探測試驗

把該防撞系統安裝在普通汽車上，令試驗汽車靜止，當另一輛汽車從遠處駛向試驗車輛時，取一連串間斷的點分別記錄兩車間的實際距離和防撞系統測得的距離，其結果如表1 所示。

表1 靜物距離探測試驗結果 單位:m

4.2 公路上行駛動態試驗

在一輛試驗車上安裝該系統，然后令試驗車與普通車在寬松公路上同向行駛。觀察系統測得的車距與前車速度變化，并將結果記錄成表2。

表2 公路上行駛動態試驗結果

4.3 報警及制動能力測試實驗

《中華人民共和國道路交通安全法》規定:機動車在高速公路上行駛，車速超過100 km/h 時，安全車距為100 m 以上;車速低于100 km/h 時，最小安全車距不得少于50 m。交管部門解釋，當機動車時速為60 km 時，行車間距應為60 m 以上;時速為80 km 時，行車間距為80 m 以上，以此類推。

測試過程中，令實驗車輛以不同速度接近前方設置的布制屏障(安全考慮)，分別記錄啟動報警和自動剎車的距離，并對數據進行記錄分析，如表3 所示。

表3 報警和制動能力分析

由此可見，該系統能夠在車距過近時進行報警提醒，其制動能力也可以有效的預防汽車追尾事故的發生。

5 結論

該“汽車防撞系統”通過紅外線測距確定兩車之間的距離，以單片機為核心處理數據，經智能計算從而得到限定距離、前車速度和加速度等。當兩車距離小于警戒距離時，系統發出聲光報警，以提醒駕駛員注意;當車距進一步縮小達到危險距離時，會采取自動剎車的手段來迫使汽車減速，從而預防追尾事故的發生。本系統相較于其他防撞系統有許多優點，如測距精確度更高、安全距離根據實際情況自動測算等等，再輔以計算機技術、通信技術、信息處理技術等先進技術，相信能夠有廣闊的前景。

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