汽車低速測距報警與輔助制動系統設計

2025-07-13 00:00:00盧軍鋒宋偉孫健

汽車電器 2025年6期

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）06-0123-03

DesignofLow-speed RangingAlarmand Auxiliary BrakingSystemfor Automobiles

LuJunfengl，SongWei2，Sun Jian3

（1.Schoolof Mechanical andElectrical Engineering，JinlingInstituteof Technology，Nanjing，China; 2.Nanjing Iveco Automobile Co.，Ltd.，Nanjing ，China; 3.Nanjing Chuangyuan Power Technology Co.，Ltd.，Nanjing ，China）

【Abstract】Aiming at the problem that rear-end colisions are prone to occur when vehicles are following at low speeds，thispaperdesignsasystem integrating ranging alarmand auxiliary braking functionsbasedon theAT89C51 single-chip microcomputer.Bydeplyanalyzing theminimumsafe time modelofthevehicle during dynamic driving，the systemusesultrasonicdistancesensorsandvehicle speed sensors tocolectdatainreal time，combinedwith the environmentaltemperaturecompensationalgorithm，toaccuratelycalculatethevehicledistanceandtheminimumsafe time.When themeasuredvehicle speedand thedistance betweenvehicles fail tomeet theminimumsafety time requirements，thesystemwillimmediately triggeranaudibleandvisualalarm.Intheeventthat thedriverfailsto respond in time，the auxiliary braking program will be automatically initiated.

【Key Words】 low-speed ranging；auxiliary braking； single-chip microcomputer； error compensation

0 引言

隨著城市化進程加快，交通擁堵已成為全球性問題。在低速跟車場景下， 70%～90% 的交通事故因駕駛員分心或反應延遲引發，其中約 35% 的交通事故是追尾事故。研究表明，若在事故發生前1.5s向駕駛員發出報警并促使其及時采取措施，可避免90% 的碰撞事故[-4。因此，開發汽車低速測距報警與輔助制動系統具有重要現實意義。

近年來，國內外學者圍繞汽車測距防碰撞技術開展了大量研究。目前，汽車間距離測量主要采用激光雷達、毫米波雷達、紅外、攝像系統及超聲波等方式。其中，激光雷達與毫米波雷達性能優異，但成本較高；紅外測距多用于軍事領域；攝像系統測距不僅成本高昂，還易受天氣條件影響；超聲波測距具有原理簡單、成本低、制造方便的優勢，不過探測距離有限[2]。文獻[5-7]分別基于激光雷達、毫米波雷達、超聲波傳感器設計防撞系統，均取得良好效果，但傳感器的選擇需結合實際工況與需求。此外，現有研究多聚焦于靜態距離測量，采用固定車距報警閾值，未充分考慮車速與安全距離的動態關系，缺乏實時匹配分析，且報警后過度依賴駕駛員操作，缺少自動制動機制。

針對上述問題，本文設計了一款低速測距報警與輔助制動系統。該系統通過實時匹配車距與車速，判斷追尾風險。當風險出現時，優先觸發報警；若駕駛員未及時制動，系統將自動介人，降低追尾事故發生概率。同時，系統選用高普及度芯片與元件，有效控制制造成本，利于推廣應用。

1系統總體方案設計

1.1 系統硬件方框圖

考慮到低速跟車工況下的成本因素，系統選用超聲波傳感器進行測距。按功能劃分，系統主要由信號采集模塊組（車距檢測、速度檢測、溫度檢測、制動信號檢測）、單片機模塊、顯示模塊、執行模組（制動電機驅動、聲光報警）組成，其硬件方框圖如圖1所示。

1.2系統防碰撞控制策略

傳統防碰撞控制策略通常設定固定安全車距，當實測車距小于該閾值時觸發報警，這種方式忽略了車速與車距的動態匹配關系。本文采用最小安全時間法，該時間包含駕駛員反應時間、制動系統延遲時間以及汽車以最大制動力減速至停止的時間[8]。三者總和約為 0.5～1.5s ，其中制動系統延遲時間約0.2～0.3s ，并隨車速變化。針對低速跟車場景（車速小于 20km/h ），此階段制動時間約為 0.7～0.9s ，綜合考慮安全裕量與跟車平穩性，選取3s作為最小安全時間。該值越大，跟車越平穩，但會增大車距，影響通行效率。

由于超聲波在空氣中傳播的速度受溫度影響，為降低測距誤差，系統引入環境溫度檢測模塊，在計算距離時，采用公式（1）的計算方法。

L=（331.4+0.6T）×t/2

式中： L 距離， m ; T -環境溫度， °C ;

-時間，s。

2 系統硬件電路設計

2.1單片機模塊電路與制動檢測電路設計

為平衡系統的成本與可靠性，本設計采用AT89C51單片機。單片機接收傳感器信號，通過程序判斷車距與車速是否處于安全范圍，若存在追尾風險，則控制執行模塊動作。制動檢測模塊用于檢測駕駛員是否踩下制動踏板，其一端連接制動燈開關，通過由 14kΩ 與 10kΩ 電阻組成的分壓電路，將電壓轉換為5V輸入單片機P1.7端口。當制動踏板踩下時，單片機接收高電平信號，電路如圖2所示。

2.2 溫度檢測電路設計

溫度傳感器選用DS18B20，該傳感器輸出數字信號，采用單總線的接口方式通信，具有良好的經濟性和較強的抗干擾能力。傳感器有3個引腳，其中DQ為數字信號輸出端，接入單片機P3.0口，如圖3所示。

2.3車距檢測電路設計

車距檢測采用AJ-SR04M超聲波傳感器，該傳感器具備防水功能，工作可靠，探測距離可達 8m 。車距檢測電路如圖4所示，TRIG端口連接單片機 P3.5端口接收TRIG觸發信號，ECHO端口連接單片機P3.6接收回波信號。

2.4車速檢測電路設計

系統采用A44E霍爾測速傳感器進行車速測量，其OUT輸出端與單片機P3.2端口相連。該傳感器產生的脈沖信號與車輪轉數對應，車輪每旋轉1周，傳感器輸出1個脈沖，結合輪胎參數計算輪胎周長，即可得出汽車實時速度。車速檢測電路如圖5所示。

2.5 制動電機驅動電路設計

為增強系統對不同車型的適用性，設計時預留電機接口，需主動輔助制動時可接入制動電機。電路采用TB6612芯片驅動電機，該芯片支持雙電機驅動。其中，VM為電機輸入電源（12V）；AN1、AN2分別與單片機P2.6、P2.5端口相連，控制電機轉向；PWMA連接P2.3控制電機轉速；BN1、BN2、PWMB分別接P2.7、P2.8、P3.0；STBY為使能端接VCC;OUT1-OUT4為電機驅動輸出端，制動電機驅動電路如圖6所示。