基于激光測距的后車警示系統

肖寶森 阮浩威 簡彩仁

摘 要：系統根據兩個激光測距信號相繼到達接收模塊的時間間隔，得到后方車輛的速度，再由兩個后方車輛的速度得到后方車輛在一定時間內的加速度。利用統計學方法估計手動剎車所需的反應時間，計算出在該距離情況下兩車應當保持的速度差值與加速度差值，通過這兩個數值計算出車輛允許的最大速度和最大加速度。無論兩車是相對靜止還是相對運動，均可進行停車后兩車安全距離、警戒距離和危險距離的測算，當兩車距離過小時，系統后車警示功能能夠給予后車駕駛員更多反應時間，降低追尾事故發生的概率。

關鍵詞：預碰撞;激光;速度;加速度;統計學;警示功能

中圖分類號：TP39;U491.31文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-04

0 引 言

有關調查報告表明，大約有68.8%的交通事故是駕駛員在預計發生碰撞的時間上出現失誤導致的[1-3]。如今大部分中高檔車輛都安裝有預碰撞剎車系統，但此系統的缺點在于，成功剎車可保證與前方物體的安全，卻無法保證本車與后方車輛的距離。有時，擁有自動剎車系統的車輛即使成功剎車，卻還可能遇到被后車追尾的情況，依然會釀成事故。因此，為了最大限度避免交通事故的發生，配備自動剎車系統的車輛包含后車警示系統功能就顯得格外重要，該系統可以讓車輛在行駛時提示本車與后車保持安全車距。

1 系統基本原理

1.1 激光測距原理

激光測距傳感器是利用激光技術進行距離測量的儀器。它可以實現大量程的無接觸距離測量，且抗干擾能力強。另外，距離限制在200 m以內的小型激光測距儀器于人眼無害，因此本設計采用該裝置進行距離測量。

多個激光發射器安裝在車尾，間隔8 cm。當裝置啟動后，激光測距開始工作，激光發射器向車尾各安裝點的正前方發出激光，在測距過程中除激光發射與接收兩個模塊外，定時器也是本系統的核心，它在激光發射端發出信號時開始計時，在激光接收端收到折返回來的光束時停止計時，將計時結果轉換為以s為單位的參數，并將數據送至單片機。

當后車處于靜止狀態時，有公式（1）：

式中：c為激光光速;?t為激光離開發射模塊到返回接收模塊的時間，（1/2）?t即激光抵達后車的時間;S為本車與后車的距離。另外，激光測距儀的工作溫度要求在-20～200 ℃，正常室外溫度基本處在該范圍內。

系統由單片機組成電路中產生40 kHz頻率信號的定時器、激光發射模塊、激光接收模塊、信號處理電路、OLED液晶顯示電路與后車報警電路模塊等組成。單片機是所有工作的核心，它操控各模塊電路的工作，包括系統的啟動與復位功能。在啟動并復位后單片機發出10個40 kHz脈沖信號傳遞到激光發射模塊對應單片機的命令端，發射模塊開始工作，發出激光。當激光信號完全發射之后，定時器開始計數，且接收端不斷掃描，一旦檢測到折返的激光信號，定時器停止計數，得到公式（1）中的?t，再得到本車與后車的距離S，然后將該數據送入單片機以計算危險距離、警戒距離、安全距離，得到兩車同時剎車并停車后的相對距離。

為了驗證激光測距的準確性，做了16組測距實驗，實驗結果表明，該技術測距精度高。實際應用中激光測距的誤差見表1所列。

1.2 本車與后車的車速、加速度的計算

當激光測距得到的電信號進入單片機時，單片機通過定時器將其轉化為距離數值，即S。當后車處于運動狀態時，將兩車互為參照物進行比較，得到后車相對前車的平均速度：

式中：ΔS為第一個測試點距離減去第二個測試點距離的值;Δt為兩個測試點的反饋間隔時間，2.5×10-5 s（f=40 kHz）。

式中：V1表示本車車速;V2表示后車車速。當V>0時，本車車速大于后車;當V<0時，本車車速小于后車。

通過兩個測試點的間隔時間即可得到第一個后車速度，而計算后車加速度需要利用2個節點的后車速度，即由4個測試點得出2個后車速度，由此可求后車速度增量：

式中：V21表示后車經過第一個測試點的速度;V22表示經過第二個測試點的速度。

由此得到后車加速度：

式中?t=2.5×10-5 s。兩倍是因為從第一個V到第二個V經歷了2個測試點，即2個信號周期，所以兩車相對加速度?a=a1-a2，a1為本車加速度。因此，為了得到1個相對加速度的數據需要4個周期的激光信號，單片機連接激光接收模塊所接收的電平信號如圖1所示。

每一個脈沖點代表單片機收到一個時間數據，經過計算轉換成距離數據。例如一個周期4個點就會得到4個S的值，如20 m，30 m，23 m，14 m。圖1的脈沖點代表著每一次計時器的停止、每一次距離計算的開始、每一次信號記錄的開始。測試點1～4為一個數據收集周期。

1.3 剎車反應時間的分析

危險狀況發生時，一名正常情緒的健康男性駕駛員在無機械故障情況下采取的制動反應過程所需時間為其意識危險到采取制動動作（剎車系統開始工作）所需的時間（包括剎車系統的機械反應時間）。通過對時間參數進行分析，得到的平均值為一般情況下該駕駛員制動反應所需時間[7]。

根據文獻[8-9]所做的實驗，在測試車輛上安裝一個實時速度檢測器，駕駛員以60 km/h的速度在平坦地面正常駕駛，并在遠處設置海綿障礙物，當海綿障礙物進入駕駛員認為的危險距離時，駕駛員剎車，最終將速度降為0。經過實時速度檢測器的反饋得到數據，剎車速度曲線圖2所示。從圖中可以得到當駕駛員意識到危險時到車輛開始剎車時所經歷的反應時間。當時間到達1.5 s時，剎車系統開始工作，所以從危險預警開始的時刻，到剎車系統正式工作的時刻即為本系統需要手動控制的制動反應時間。

經以上計算和判斷，可以估算手動制動的反應時間約為1.5 s。另外，在真實交通場景下我們還需要判斷駕駛時的環境、情緒等不可控因素對駕駛員制動反應時間的影響[10]，因此對所有駕駛員中最有代表性的五種人群類型，即成年男性駕駛員、微酒駕男性駕駛員、個人情緒不穩定的男性駕駛員、高齡男性駕駛員、成年女性駕駛員進行抽樣調查，調取每類人群所涉及的事故近200起進行剎車反應時間統計。統計結果表明：微酒駕男性駕駛員的制動反應平均時間是所有類型人群中最長的，為1.36 s。所以，如果保證了微酒駕男性駕駛員剎車時不發生危險則理論上其他類型人群也基本不會發生危險。

將“危險開始到駕駛員意識到危險所需要的時間Tμ”與“駕駛員意識到危險到車輛制動裝置開始工作的時間間隔Td”相加，得到系統需要額外補償給自動系統的反應時間Tμ+Td=1.36 s+1.5 s=2.86 s。

1.4 距離控制

為了保證系統剎車的可靠性，采用的駕駛員反應時間Tμ=1.36 s，另外，制動器協調時間Td=1.5 s。

根據上文，由激光收到反饋信號的間隔時間（2.5×10-5 s）

計算得出?a，再由四節點算法得出后車車速V2和加速度a2。

由以上各參數值求得本車剎車后車速降至0的時刻本車與后車的瞬時距離D為：

在市區車速偏低時，為了讓系統不輕易啟動工作，應將危險距離與警戒距離設置為動態值，可根據車速的變化而變化。假設最大警戒距離為2 m，則D≥2 m時為安全距離。因此，當D=2 m時，利用上式逆推計算得到V1值。此時為保持安全車距，后車最大車速應不高于該值，即V2max≤V1。一旦后車車速高于V2max則報警系統啟動。系統設置最大危險車距為最大警戒車距的40%，當后車與本車剎車后距離小于警戒車距時車尾警示黃燈亮并閃爍以警示后車保持車距，當后車與本車剎車后距離小于或等于危險車距時，本車警示喇叭響起以警示后車危險。

2 系統軟硬件設計

2.1 流程

系統所需要檢測的是激光模塊發出并且遇到物體折返回來的信號。當系統初始化之后，不斷進行檢測，并通過控制計數器的開啟與關閉得到兩次信號之間的時間差值?t，這是需要從外部輸入的數據。軟件的核心部分是對數據的處理，處理后可得到與障礙物的距離、后車車速和后車加速度等信息，用于準確計算安全距離界限值與危險距離界限值。最后是顯示部分和控制部分。單片機將車距和后車速度顯示于液晶顯示器上，然后根據當前車距的情況向后車做出不同的報警動作，具體流程如圖3所示。

2.2 激光發生電路

激光發生電路的調制編碼部分采用集成芯片的硬件實現一個8地址4數據的編碼。LDM激光發射器為自動功率的電路驅動，可以保證激光二極管的輸出功率穩定。激光發生電路如圖4所示。

2.3 激光接收電路

使用接收探測器接收紅光波段的光線，響應時間為5～30 μs。使用集成芯片電路系統進行檢波放大輸出，放大后的信號傳輸到解調解碼芯片處，將其解調為8地址4數據的解碼輸出。激光接收電路如圖5所示。

2.4 危險距離警示電路

本系統不會因為本車與后車剎車后距離小于安全距離而對本車進行速度控制以改變車距。本模塊不操縱車輛的速度，當后車與本車剎車后距離小于警戒車距時車尾警示黃燈L1，L2閃爍以警示后車保持車距，當后車與本車剎車后距離小于或等于危險車距時，本車警示喇叭響起以警示后車危險（電路圖設計中暫時用蜂鳴器代替警示喇叭）。

警示電路由蜂鳴器、三極管和LED警示燈等組成，利用PNP三極管控制蜂鳴器。當本車與后車處于安全距離以外時，BUFF引腳無輸出，三極管不導通，蜂鳴器無電流通過。當本車與后車進入安全距離范圍時，BUFF引腳輸出一個低電平信號，將原本的高電平置為低電平，此時三極管導通，蜂鳴器有電流通過，蜂鳴器工作。危險距離警示電路如圖6所示。

3 結 語

該系統通過激光測距得到本車與后車之間的距離，由單片機處理核心數據，經單片機計算后得到本車與后車速度、加速度等數據。設定合理的安全距離的界限值和危險距離的界限值，通過這兩個距離的界限值將兩車所處狀況劃分為三個區域，即安全區域、警戒區域與危險區域。本系統相比于探測前方車輛并形成剎車方案的自動控制系統，增加了兩車停車后距離的動態把控。當本車車速低時該系統的啟動距離非常小，當本車車速為0時，系統不再工作。若本車車速不斷增加，則兩車停車后的安全距離隨之增長，且增長速率逐步加快。本系統與測量前方車距的“預碰撞自動剎車系統”互不沖突，可同時工作，在保證本車與前車安全距離的同時提示本車需要與后車保持安全距離，以最大可能防止追尾事件的發生。

參 考 文 獻

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