汽車(chē)防追尾和防側(cè)撞安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高俊祥，高孝亮，陳斐彪

（1.湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)普及率也越來(lái)越高，與之相應(yīng)，交通事故也越來(lái)越多。《2014年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》指出，2014年汽車(chē)交通事故死亡人數(shù)相對(duì)2013年增長(zhǎng)率為8.5%，相比2012年增長(zhǎng)率為13.46%，相比2011年的增長(zhǎng)率為15.78%?？梢?jiàn)，近些年來(lái)，我國(guó)交通事故死亡人數(shù)呈逐年小幅度上升趨勢(shì)［1］。

對(duì)大量交通事故的分析表明，80%以上的車(chē)禍?zhǔn)怯捎隈{駛員反應(yīng)不及時(shí)引起的，車(chē)輛相撞事故中屬于追尾相撞的超過(guò)65%，其余則屬于側(cè)面相撞和正面相撞［2］。所以設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)、可靠、適應(yīng)性好的車(chē)輛防碰撞系統(tǒng)是為提高車(chē)輛行駛安全而采用的非常重要的技術(shù)措施。

1 防碰撞安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 原理設(shè)計(jì)

車(chē)輛防碰撞系統(tǒng)在汽車(chē)有追尾碰撞和側(cè)面碰撞危險(xiǎn)時(shí)，能立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào)，警示駕駛員及時(shí)采取處理措施，并在駕駛員無(wú)避險(xiǎn)操作的時(shí)候自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)，避免發(fā)生交通事故。系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

整個(gè)系統(tǒng)由傳感器單元、中央處理單元以及信息輸出單元構(gòu)成。傳感器單元收集車(chē)輛的內(nèi)外環(huán)境信息，包含車(chē)輛上的各種傳感器；中央處理單元用于評(píng)估車(chē)輛行駛的安全狀態(tài)，由信息采集單元與主控制單元組成；信息輸出子系統(tǒng)為駕駛員提供汽車(chē)行駛的安全狀態(tài)信息，由聲光報(bào)警模塊與顯示模塊組成。

汽車(chē)防撞安全系統(tǒng)的工作原理：利用安裝在汽車(chē)前保險(xiǎn)杠上和兩側(cè)的雷達(dá)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量自車(chē)與前方目標(biāo)物間及自車(chē)與兩側(cè)面目標(biāo)物的距離和相對(duì)速度等信息，傳送至信息采集單元；利用霍爾傳感器獲得的車(chē)速信號(hào)，輸出至信息采集單元進(jìn)行車(chē)速計(jì)算；制動(dòng)、油門(mén)位置及路面附著系數(shù)也輸入至信息采集單元；各種傳感器信息經(jīng)信息采集單元處理后，傳送至主控制單元；主控制單元實(shí)時(shí)判斷行車(chē)安全狀態(tài)，發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，警示駕駛員采取措施或系統(tǒng)自動(dòng)采取措施。

汽車(chē)追尾時(shí)，系統(tǒng)采用兩次報(bào)警的方式，如果實(shí)際測(cè)量間距小于危險(xiǎn)報(bào)警距離，為危險(xiǎn)報(bào)警狀態(tài)，紅燈閃爍，產(chǎn)生短間隔報(bào)警音，要求駕駛員緊急制動(dòng)或自動(dòng)制動(dòng)；如果實(shí)際測(cè)量間距大于提醒報(bào)警距離，為安全行車(chē)狀況，綠燈亮、無(wú)報(bào)警音；如果實(shí)際測(cè)量間距小于提醒報(bào)警距離而大于危險(xiǎn)報(bào)警距離，為提醒報(bào)警狀態(tài)，黃燈閃爍，產(chǎn)生長(zhǎng)間隔報(bào)警音，提醒駕駛員需要松開(kāi)油門(mén)踏板。汽車(chē)側(cè)撞時(shí)，系統(tǒng)采用一次報(bào)警方式。

1.2 制動(dòng)距離的計(jì)算

為了保證絕對(duì)安全，自車(chē)制動(dòng)停止后，兩車(chē)之間應(yīng)保持一定的安全間距d0。d0越大，系統(tǒng)的虛警率越高；越小，系統(tǒng)的安全保障能力越小。d0的取值因駕駛員的駕駛風(fēng)格而異，國(guó)內(nèi)外的資料一般選取為2～5 m，為了保證系統(tǒng)的安全性，本系統(tǒng)取最大值5m。

1）危險(xiǎn)報(bào)警距離計(jì)算公式

2）提醒報(bào)警距離dw計(jì)算公式

前車(chē)加速或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)：dw=db+vrel

前車(chē)靜止或減速運(yùn)動(dòng)時(shí)：dw=db+v1

上述公式中：v1——自車(chē)速度；v2——前車(chē)或側(cè)車(chē)速度；vrel——相對(duì)速度；a——本車(chē)加速度。

1.3 相對(duì)距離和相對(duì)速度的測(cè)量

車(chē)前及兩側(cè)采用毫米波雷達(dá)來(lái)作為測(cè)量傳感器。毫米波雷達(dá)［3］的工作頻率在30～300 GHz，波長(zhǎng)短，頻率高，抗干擾性強(qiáng)，測(cè)距性能穩(wěn)定，受對(duì)象表面和顏色的影響小，可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，環(huán)境適應(yīng)性能好，能精確地測(cè)量目標(biāo)的距離和相對(duì)速度，并且雷達(dá)的外形尺寸很小，便于在汽車(chē)上安裝。毫米波雷達(dá)有調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW）和脈沖雷達(dá)兩種，汽車(chē)毫米波雷達(dá)系統(tǒng)一般采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、適合作近距離探測(cè)的調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)方式。

2 自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)實(shí)際測(cè)量間距小于危險(xiǎn)報(bào)警距離，且信息采集單元沒(méi)有檢測(cè)到駕駛員的減速或制動(dòng)信號(hào)時(shí)，主控單元自動(dòng)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)伺服電機(jī)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓缸等組成。主控單元輸出的開(kāi)關(guān)量，負(fù)責(zé)接通制動(dòng)伺服電機(jī)，扭矩傳感器將獲得的扭矩大小轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字量，傳送給伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的角位移經(jīng)齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變成制動(dòng)液壓缸的位移，進(jìn)而得到相應(yīng)的制動(dòng)力矩，完成自動(dòng)制動(dòng)任務(wù)，自動(dòng)制動(dòng)原理見(jiàn)圖2。

在車(chē)輛不同的負(fù)載和車(chē)速條件下，力矩傳感器輸出的電壓大小也不一樣，伺服電機(jī)的角位移隨之變化，液壓缸產(chǎn)生的壓力大小就會(huì)不同，制動(dòng)器就能得到所需對(duì)應(yīng)的制動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)最佳的制動(dòng)效果。

3 小結(jié)

汽車(chē)防撞安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)追尾和側(cè)撞的情況，不針對(duì)倒車(chē)情況 （因?yàn)檐?chē)速較低，且駕駛員注意力集中，危險(xiǎn)系數(shù)較小）。本防撞安全系統(tǒng)在出現(xiàn)追尾和側(cè)撞危險(xiǎn)報(bào)警時(shí)，優(yōu)先采用人工制動(dòng)，只有在人工制動(dòng)失效的情況下，自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)，并且能根據(jù)汽車(chē)不同的載荷和車(chē)速選擇相應(yīng)的制動(dòng)力矩，改善了制動(dòng)效果。

系統(tǒng)測(cè)試以東風(fēng)雪鐵龍C4L 1.6THP勁智版為試驗(yàn)車(chē)型，該車(chē)最大扭矩240Nm。系統(tǒng)采用上海汽車(chē)電子工程中心研制的SAE－100型毫米波雷達(dá)，工作頻率35GHz，毫米波雷達(dá)的探測(cè)距離在100 m以上，探測(cè)寬度為3.5 m，探測(cè)幅度為3 m，與道路的升降相對(duì)應(yīng)。主控單元采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C52，它有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入／輸出 （I／O）端口，可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。遇到追尾危險(xiǎn)時(shí)，兩次報(bào)警完備，側(cè)撞一次報(bào)警，自動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)距離為0.5m，制動(dòng)力矩與載荷和車(chē)速相對(duì)應(yīng)，制動(dòng)效果良好。

［1］ 2014年全國(guó)道路交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)［EB／OL］.http：／／www.peichang.cn／detail／id2737.html，2015－03－13.

［2］ 車(chē)輛主動(dòng)防碰撞控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［EB／OL］.http：／／wenku. baidu.com／link?url=yV2LCCLR5sPqXZsgvzr_jNfPuSj5Y txuHj9pzkT92PdUw9_KKY1－G9QSbOe17NqqYNSxp76Y3 ak4yZGz99bbVRmPxYklGCrTIZB8YdXfYq，2012－12－05.

［3］ 韓天龍.現(xiàn)代汽車(chē)防追尾系統(tǒng)研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37（8）：76－78.