運用無線傳感器對車輛安全預警控制系統的探析與研究

許志鵬　張曉波　魏春　張少杰

摘 要：當今汽車發展的背景條件下，汽車產業鏈隨著時代發展十分迅猛，汽車的人均擁有量、使用量也隨著經濟發展不斷提升，把車輛安全性能方面的提升作為研究的目的[1]，將安全預警技術作為研究方向，在發生意外情況時，駕駛員可以及時做出規避操作，阻止安全事故發生，從而能夠避免交通安全事故的發生。本文通過在針對安全事故發生時候的原因進行分析，推測引發事故的人、車、環境等眾多影響因素與方式，建立相關的數學模型來計算車輛制動時的熱應力與側應力，構建好設備電路及接口設計，從而為控制技術系統設計提供理論支持。

關鍵詞：安全預警 模型 控制技術

Analysis and Research on Vehicle Safety Early Warning Control System Using Wireless Sensors

Xu Zhipeng Zhang Xiaobo Wei Chun Zhang Shaojie

Abstract：Under the background of today's automobile development， the automobile industry chain has developed rapidly with the times， and the per capita ownership and use of automobiles have also been increasing with economic development. The improvement of vehicle safety performance is the purpose of research. Safety early warning technology is considered as the research direction. In the event of an accident， the driver can make timely evasive operations to prevent safety accidents from occurring， thereby avoiding traffic safety accidents. This article analyzes the causes of traffic accidents， infers many factors and methods such as people， vehicles， and the environment that caused the accident， and establishes related mathematical models to calculate the thermal stress and lateral stress during vehicle braking， and builds a good equipment circuit and interface design to provide theoretical support for control technology system design.

Key words：safety warning， model， control technology

1 序言

安全話題是汽車行業中永存的話題。在一項數據統計中顯示，80%以上的常發事故案例分析中得出結論，發生事故時過度依賴于人工的安全操作。而本文中的電路圖設計基礎是基于無線傳感器在車輛安全預警方面做出的預報系統：汽車在運動狀態過程中預報技術的概念是汽車在道路行駛過程時候[2]，汽車上的慣性傳感器，在固定的布置位置上，同時實地監測汽車行駛運動狀態，配合相關的檢測與監測的技術和手段，利用線性函數的數學模型，可以智能化（AI）的預測出汽車短時間（大約1至3秒鐘）內的行駛運動狀態[3]，具有非常強的可靠性與準確性。針對汽車運動狀態的預報系統方面的研究，提前預警駕駛員，提供預報汽車未來時刻的行駛動態，甚至通過電路控制伺服系統直接驅動控制汽車面對此種行駛狀態做出準確的反應，此類相關系統對于提高車輛行駛主動安全性能，并且避免事故發生起到一定的重要的作用[4]。

2 國內外研究現狀

2.1.1 國內研究現狀

南京航空航天大學研究了基于以姿態監控的為研究對象的基礎上，在汽車側翻的狀態下，汽車的預警方面、控制方面進行了深入的探討與研究。以此為基礎，建立一個三自由度側翻模型，該模型能夠正確準時的對汽車行駛過程中側翻狀態進行實時性反饋，并以碰撞預警算法（TTC）為基本算法，研究基于側翻時，監測與反饋信息的側翻預警算法（TTR），對比試驗與計算結果，取得良好的成果和應用。

北京航空航天大學的王建、余桂珍等，以輕型運動型多用途汽車（SUV）為研究對象，研究（1）實時側傾狀態估計（2）側翻預測研究。設計了一種具有精確的實時側傾估計器，該估計器用于估計當前時刻發生側翻時刻，車身側傾角、線速度、側傾角速度等因素。建立了用于預測汽車內側輪胎離地所需要消耗的時間預測模型，并且結合當下時間內，綜合考慮汽車的側傾角、線速度及側傾角速度等因素，來確定汽車的發生側翻時候的角度，通過仿真軟件運算，其結果也得到在不同的行駛工況下，該建立的預測模型在汽車的側翻時候，都能進行準確而時效的預測。

2.1.2 國外研究現狀

德國比勒菲爾德大學的Christoph Hermes、Franz Kummert和戴姆勒公司的Christian Wahlert、Konrad Schenkt指出：盡早地探測到車輛在行駛過程當中可能發生的潛在的危險，在一定時間范圍內（1-3秒），掌握車輛自身情況和四周其他車輛的位置信息和運動軌跡是十分有必要的。出于這個角度出發，他們提出了綜合軌跡分類預測方法和粒子濾波結構的預測方法，次方法可以預測汽車運動長期的狀態分析。

日本的Kajiro Watanabe、Yasushi Umezawa和Kyoko Abe研究了傳感器在探測到前方如果發生碰撞的情況下，利用龍伯格觀測器（Luenberger observer）儀器，利用帶有噪聲干擾設置程序的加速度信號來估計出汽車的加速度大小和沖擊程度，以此為媒介得到所碰撞的汽車速度和相對的位置信息，對汽車車速和相對位移與位置等信息進行精確化的濾波處理，未來短時間范圍內，存在的可能的碰撞汽車速度、角度、位置、位移等諸多結果進行準確性與實時性預測，以此計算為基礎，智能化判別是否啟用安全氣囊。

3 研究基礎

理論基礎：汽車在總裝這一系列復雜的過程中，部分情況下，零部件裝配時與車身狀況存在不匹配情況時有發生，引發后續裝備工作的問題，造成零部件的生產設計滯后。前期分析了汽車安全預警控制系統內的相關單元的電路，同時對接口設計進行了理論驗證，其中包括伺服驅動控制器、移動通信模塊載荷、相關參數處理器和GPS定位模塊等方面，根據已有的參數分析，通過數學模型實驗論證配合傳感器的位置分布設計了最小系統和反饋核心板的電路圖。

實踐基礎：本實用新型的汽車裝配檢測系統可以在汽車裝配每個工位上進行在線拍照，將采集到的圖片數據傳送到監控室服務器，檢測人員將采集圖片與標準裝配圖片進行對比，從而判斷每個工位零部件裝配是否合理。這種檢測方式可以避免零部件裝配干涉導致的返修問題，從而大大提高了汽車的生產效率，節約人力、物力及時間等成本。

4 電路設計

經過團隊成員的長期研究，在汽車運動狀態預報技術方面取得了一定成績，已經設計好設備電路及接口設計。如圖1所示，具體可表達為：

電路設計軟件Album Designerl0是當下最為實用與流行的設計軟件，憑借它的技術手段可以來為安全預警控制系統設計開發，各個板塊電路在實踐設計中遇到的一系列問題都可以通過此軟件來處理。涉及到原理圖的設計，PCB分布，相關的傳感器封裝，并且在電路安裝過程中特定走線模式。該電路設計的軟件具有穩定性好的優勢，圖形處理功能也是非常優異，在操作過程當中用戶的體驗感非常舒適，具有超強的用戶界面的，同時考慮到人反應時間，反應狀態的及時性與速度性，此套安全自動控制單元會在發生數據監測偏離時，駕駛員在操作不及，來不及反應的情況下，系統自動工作自動反應發生反應，通過采用增加制定力同時減小節氣門開度等多種方式綜合調控措施，對汽車自動實施減速，乃至停車。最大限度的增加汽車行駛的安全性。在圖紙設計中可以強調實現對汽車3軸加速度處理，并且計算和處理3軸角速度的，具有是一定實時性，傳感器通過電路反饋得到所需的汽車所處的位置和角度信息、實時車速以及未來短時間汽車行駛存在的可能性運動狀態信息，最終實現對汽車運動狀態實時測量，并及時預報甚至直接AI智能化處理的目的。

5 主要內容

（1）本文對此種監測與反饋處理系統進行了方案的初步設計實施，根據相關的設計需求，設計預警控制系統的總體設計方案。并且瞬時性的采集汽車在行駛過程中的速度以及加速度、制動器的溫度變化等本身參數，實時探測出周圍障礙物的距離情況，匯總進行主機反饋。

（2）本系統中的核心控制器部分是采用德制STC12系列單片機，根據設計思路，分別對車載瞬時速度控制信息單元、反饋信息單單元、智能AI安全自動處理控制單元進行電路圖的設計制造，并且嘗試運行電路程序設計，以及實現系統之間不干擾通訊手段。通過數學模型的建立，計算發生事故時車輛制動時的熱量變化，計算車身側翻受力情況等，以此構建車輛發生側滑、側翻時制動器的溫度變化模型，為探究車輛安全的預警理論與控制技術在事故發生時的實踐性應用，為該系統的設計提供理論支持。

（3）在通訊協議方面，采用SP協議程序，而在信息反饋單元系統方面則是采用目C/OS-II嵌入式，該操作系統具有穩定性，實時性，安全性，系統之間瞬時消息完全同步，完成了預警系統的軟件和硬件電路的設計與實施。

6 項目創新特色概述

（1）由傳統的預警方式改為智能化AI，更具有安全性與實用性。

（2）在以安全維度建立的數學模型的基礎上，構建出來的電路系統會智能化對駕駛員提出預警，同時能提供應對方案和操作。

（3）利用車速測量傳感器裝置，以車速信號作為觀測向量的指標，設計全新的Kalman濾波器，利用電路反饋信息來對汽車運動狀態參數進行最好的優化設計。

7 不足與期望

由于在現有的條件下，硬件條件略顯不足，同時傳感器精度方面相對較低，所以Kalman濾波器在汽車運動狀態下，對汽車運動狀態參數的誤差補償和最優估計作用在實際運用中只能是有限運動。在后續的研究中，建議引入精確的車速偏向測量裝置，以瞬時車速信號這一因素，來觀測運動向量以及重新設計新的Kalman濾波器來對汽車在運動狀態下，對參數進行最優估計和誤差診斷修正，以此來進一步減少測量誤差和在運算模擬器在積分解算過程中的減少累計誤差的目的。

基金項目：1.編號：ycgy202025，2020年江蘇省大學生創新創業訓練項目“隱形衛士”-基于無線傳感器車輛安全預警控制系統的研究;

2.編號：ycgy201816，2018年校級科研項目，基于能源瓶頸背景下鹽城市新能源汽車“彎道超車”發展路徑研究;

參考文獻：

[1]羅強，袁杰，胡三根，減曉冬.車道偏離預警系統研究綜述[J].自動化技術與應用，2015.

[2]胡誠，汪蕓，王輝.無線可充電傳感器網絡中充電規劃研究進展[J].軟件學報，2016，27（O1）：72-95.

[3]蔣明俠，童敏敏.汽車電控系統檢測與診斷方法探討[J].中國新技術新產品，2016（06）：38-40.

[4]自動化技術在汽車機械控制系統中的運用[J].石磊.南方農機.2017（13）.