基于激光測距的自動防撞系統方案設計

康迂福，馮 桑，陳 愛

（1.河源職業技術學院，廣東河源 517000）；2.廣東工業大學，廣東廣州 510090）

隨著我國經濟水平和百姓生活水平的提高，國內汽車產業不斷壯大，越來越多的汽車進入普通家庭，每年新增大量駕駛員。汽車保有量的劇增，新增駕駛員的駕駛技術方面不夠嫻熟，使得交通事故的發生率大大提高，其中最為突出的就是汽車的碰撞。現有的車輛防碰撞系統只有停留在低速狀態下基于超聲波雷達的研究，其他防碰撞系統都由于其技術、經濟性能等原因而沒能普及。對交通事故應該盡量做到防患于未然，本文所研究的車輛防碰撞系統是一種主動式車輛事故規避系統，能夠大量減少車輛碰撞事故，提高行車安全性。

1 測距原理

目前測距技術，主要采用超聲波、紅外線和激光測距。其原理基本相似，測距是對目標發射一個或一列很窄的脈沖，通過測量脈沖到達目標并由目標反射返回到接收系統的時間計算出目標的距離。設目標距離為S0，脈沖往返時間為t，測量脈沖在真空中的傳播速度為v（在空氣中傳輸受介質、氣壓、溫度、濕度的影響可忽略），則目標距離為：

在脈沖測距中，t通常是通過測距計數器對從發射脈沖到目標并從目標返回到接收系統期間，累計進入計數器的時鐘脈沖個數來測量的。

設在t 時間內，有N 個時鐘脈沖進入計數器，則目標距離可由式（2）計算：

2 防撞系統整體方案設計

本文研究汽車自動防撞系統，根據系統功能原理，將系統分為數據采集、數據處理、聲光報警以及執行制動若干個部分。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖

3 ABS制動距離算法與建模

汽車制動距離是指對行駛中的汽車實施緊急制動，從踏制動踏板開始到完全停車為止，汽車所駛過的路程，即汽車需要緊急停車時，其行車制動系所能實現的最小停車行程[2]。

ABS（Anti-lock Braking System防抱死制動系統），其作用是在汽車制動時，防止車輪抱死，防止汽車在緊急制動時產生側滑和跑偏，以提高汽車制動過程中的行駛穩定性的汽車安全控制系統。

圖2 控制單元工作流程圖

從制動時刻開始，制動距離S、行駛速度vt，制動阻力f，車輪與地面的摩擦系數之間的關系分別為[3-4]：

在地面附著系數φ 與汽車行駛過程中的滑移率s 決定，通過文獻[5]的研究結果，φ-s 的關系可用圖3所示曲線描述。

綜合算式（3）～（6）和圖3，可以得到ABS制動距離的計算模型如圖4所示。

該ABS 算法模型中設置車身參數，并將行駛過程中其他參數理想化之后，在模型中輸入Initial Vehicle Speed v0（行車速度v0）后，經過計算便可得到Stopping Distance（制動距離S0）。

圖3 附著系數和滑移率曲線

圖4 制動距離算法模型

4 系統建模及仿真分析

根據行車的實時速度，可以得到一個在該車況下的ABS 制動距離S0。再將S0作為參考值，與激光傳感器獲取的行車與障礙物間的距離S 進行比較，當S ≤SS·S0（其中SS為安全系數）時，單片機向ECU 發出指令。當ECU 接收到指令時，ECU立即啟動ABS進行制動。

因此，基于Matlab/Simulink 的建模，得到整個系統的仿真模型如圖5所示。

圖5 系統仿真模型

首先通過產生一個線性信號，模擬激光測距系統傳送距離值，通過分析計算出此時的行駛車速。筆者設定初始速度為80 km/h的速度行駛，并且計算出在此行駛初速度下需要的最小制動距離S0，當實際行車與障礙物的距離小于最小制動距離S0的時候，單片機（MCU）向ECU 發出信號，要求ECU啟動ABS制動。

圖6 行車與障礙物距離

5 實驗仿真結果及分析

行車以80 km/h的初速度行駛過程中，當距離障礙物60 m時，系統檢測到了前方有障礙物，并計算出制動距離S0，當行車與障礙物距離為SS·S0時（SS為制動距離安全系數），系統開始啟動ABS進行制動，并且隨之汽車開始減速，直至汽車完全停止。

根據文獻[6]的大量數據實驗分析，Jetta GTX轎車的實車緊急制動實驗數據。其制動距離與制動初速（試驗車速范圍：30～80 km/h）的關系（擬合公式）為：

式（7）中，S—制動距離（m）；v—制動初始速度（km/h）。

結果表明，在一定誤差范圍內，仿真結果和實驗結果是一致的。通過該模型，根據行車初始速度計算制動距離，并做出預測，能非常有效地減少汽車行駛碰撞事故。

6 結束語

（1）通過基于Matlab/Simulink 的建模仿真，對ABS 制動系統進行仿真分析，結果表明，系統實現了ABS 的實時控制功能。在同一模型上，進行了車速與制動距離的仿真，仿真結果表明，該系統模型在理論計算上能夠有效的實現防撞功能，從一定程度上減少交通事故的發生和損失。

（2）本系統模型基于干燥良好路面上進行計算分析，得到的模型會有一定局限性。下一步研究將綜合考慮影響汽車制動距離的各種因素，改進制動距離模型算法，提高系統精度。

［1］劉巖川，王玲芬，欒慧，等.基于激光測距技術的汽車防撞系統的研究［J］.儀表技術與傳感器，2008（11）：96-98.

［2］王萬平，李強，廖勝.固定目標的運動單站被動測距［J］.紅外與激光工程，2008，37（1）：185-188.

［3］GB12676-1999.汽車制動系統結構、性能和試驗方法［S］.

［4］吳誥珪，趙克剛，范剛，等.附著系數-滑移率曲線的測定［J］.華南理工大學學報，2001，（29）9：20-22.

［5］王潤琪，蔣科軍.ABS 汽車制動距離分析與計算［J］.中南林學院學報，2005，25（2）：70-74.

［6］羅新聞.汽車ABS 試驗系統開發研究［D］.天津：河北工業大學，2007.