畢業(yè)設計（論文）汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的研究

1、<p>　　汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的研究</p><p>　　專業(yè)名稱：機電技術教育（汽車方向）</p><p>　　作者姓名： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　論文答辯小組</b></p><p>　　組 長： <

2、;/p><p>　　成 員： </p><p>　　論文成績： </p><p>　本科生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的研究</p><p>　二級學院：物理科學與技術學院</p><p>　專 業(yè)：機電技術教育（汽車方向）</p

3、><p>　年 級：2009級</p><p>　學 號：2009954111</p><p>　作者姓名：</p><p>　指導教師：講師</p><p>　完成日期：2013年5月18日</p><p><b>　　目 錄</b></p>&l

4、t;p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　1汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的介紹2</p><p>　　1.1汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的數學模型2</p><p>　　1.2汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的結構組成3</p><p

5、>　　1.2.1微處理器3</p><p>　　1.2.2相對速度測量傳感器4</p><p>　　1.2.3激光測距傳感器4</p><p>　　1.2.4車輛加速度傳感器5</p><p>　　1.2.5顯示報警裝置5</p><p>　　1.3汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的工作原理6</p>

6、<p>　　2汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的設計7</p><p>　　2.1汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的硬件設計7</p><p>　　2.2汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的軟件設計9</p><p><b>　　3總結12</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p&g

7、t;<p>　　汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的研究</p><p>　　作者 指導教師 講師</p><p>　?。ㄕ拷瓗煼秾W院物理科學與技術學院，湛江 524048）</p><p>　　摘 要：為了能夠有效減少汽車追尾事故的發(fā)生，建立在系統(tǒng)動力學的基礎上，對汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)進行了研究，得到了該系統(tǒng)的數學模型以及使用的硬件和軟

8、件。這種模型考慮了駕駛員對突發(fā)事件的應急情況，根據前方車輛和自身車輛的速度的變化來計算是否處于安全距離之內，如果是處在安全距離范圍外，系統(tǒng)會給出預警信號，從而避免事故發(fā)生。詳細給出了系統(tǒng)的工作原理、結構組成以及硬件和軟件的設計，運行安全可靠，前景廣闊。</p><p>　　關鍵詞：追尾碰撞；預警系統(tǒng)；數學模型；硬件設計；軟件設計</p><p>　　Automotive behind co

9、llision warning system research</p><p><b>　　Xubin Liu</b></p><p>　　Institute of physics science and technology, Zhanjiang Normal University, Zhanjiang 524048 China</p><p&g

10、t;　　Abstract : In order to be able to effectively reduce car tracing cauda accidents, based on system dynamics, the vehicle rear end collision warning system is studied, the mathematical model of this system, and the use

11、 of hardware and software. This model takes into account the driver for emergency situation, according to the variation of the speed of the vehicle and its own whether to calculate within a safe distance, if the range is

12、 at a safe distance, the system will give warning signals, so as</p><p>　　Keywords : rear end collision；early warning system；mathematical model；hardware design; software design</p><p><b>　

13、　引言</b></p><p>　　隨著經濟全球化的普及，各國的經濟得到快速發(fā)展，人們更多的開始追求生活中的享受，而汽車作為人們生活中的代步工具，逐步普及到每個家庭中。車輛的快速增多，給公路帶去了巨大的壓力，這也造成了追尾事故的快速增加?！白肺病笔且环N覆蓋全世界的流行性疫情病毒，是有車一族的常見高發(fā)病，是自汽車大量面世以來，衍生的最惡性的副產品。據統(tǒng)計，2005年，追尾碰撞事故約占全年事故總量的12.

14、88%，死亡人數約占14.77%，受傷人數約占12.52%；而在高速公路事故中，追尾碰撞事故起數約占總數的39.29%，死亡人數約占47.82%，受傷人數約占48.25%[1]。調查表明中國的公路追尾碰撞發(fā)生起數約占總事故起數的33.6%，其造成的經濟損失約占總數的40%[2]?？梢娮肺才鲎惨殉蔀檐囕v事故中的主要形式，呈現出向惡劣方向發(fā)展的趨勢，而且在現在以及在未來的時間里都會一直影響著道路的安全性。通過高科技帶來的成果，基于系統(tǒng)動力學

15、，利用信息反饋系統(tǒng)，在考慮到駕駛員的反應時間以及較為符合現實的基礎下，研究出汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)將會具有制造成本低、實用性好和安全可靠的特點，前景是能夠普遍推廣到各個車輛中，這將能夠減</p><p>　　1汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的介紹</p><p>　　1.1汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的數學模型</p><p>　　在汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)模型中，定義有狀態(tài)變量、

16、變化率。狀態(tài)變量定義為在系統(tǒng)動力學中，具有將數據疊加的功能。引導兩輛車的車速在加速度的影響下隨著時間的慢慢推移，稱為狀態(tài)變量[3]。變化率也就是說狀態(tài)變量的累積速度，二者的相對速度是車距得以所計算的。</p><p>　　在時刻t的時候，前面引導車輛的車速Vl在在加速度al的影響下為狀態(tài)變化，可以定義為：</p><p><b>　?。?）</b></p>

17、<p>　　其中dt為時間的微積分。</p><p>　　同理，相對于前面車輛的后面的車輛的車速vf在加速度af的影響下的表示為：</p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　在同一個參考系的基礎下，如果引導車輛與另一臺汽車的行車位置變化率分別用dXl（t）和dXf（t）表示，則這兩輛車的車距為：</p&

18、gt;<p><b>　?。?）</b></p><p>　　圖1 汽車車距測量示意圖</p><p>　　Fig.1 Car distance measurement schematic diagram</p><p>　　1.2汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的結構組成

19、 </p><p>　　圖2 汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的結構圖</p><p>　　Fig.2 Automobile behind collision warning system structure diagram</p><p>　　汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的整體結構如圖1所示，主要的部件包括了微處理器、相對速度測量傳感器、激光測距傳感器、車輛加速度傳感器

20、和顯示報警裝置。</p><p><b>　　1.2.1微處理器</b></p><p>　　系統(tǒng)的微處理器采用的是AT89C51的單片機，該單片機是一個低電壓、高性能的CMOS8位單片機，片內含4KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存儲技術產生，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置

21、通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案， AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程[4]。</p><p>　　為了有效降低開發(fā)制造的成本，擴大普及到一般家庭中的可能性，將

22、通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，尤其是可反復擦寫的Flash存儲器。</p><p>　　1.2.2相對速度測量傳感器</p><p>　　傳感器是一種將非電量的變化轉化為電量變化的原件，是進行測量、控制儀器和設備的零件。在公路上行駛而發(fā)生的追尾碰撞事故往往是由于后方車輛沒有確保安全車距，才會釀成事故的發(fā)生。如果要確保兩車的行駛安全車距，不僅僅要知道兩車行駛時的距離，還要知道兩

23、車行駛時的相對速度，才不會至于后方車輛逐漸進入到危險車距中。相對速度測量傳感器通過短時間內接收到的兩輛車之間的距離的變化率來計算出相對速度，如式（4）：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：d1—上一時刻測量的車間距（m）；</p><p>　　d2—當前時刻測量的距離（m）；</p><p

24、>　　ΔT—測量的時間間隔；</p><p>　　通過這種測量的方式可以計算出當前兩輛車之間的相對速度，從而為確定兩車的安全車距的測量奠定基礎。</p><p>　　1.2.3激光測距傳感器</p><p>　　激光測距傳感器是先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖,經目標反射后激光向各方向散射,部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上

25、[5]。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。</p><p>　　使用激光測距傳感器可以精確測出兩車的距離，不僅具有測量范圍廣、響應速度快、測量精度高、量程大、體積小安裝調試方便、遠距離測量無需反光板的優(yōu)點，而且最重要的是對人體沒有傷害，是測量車距的最佳選擇。</p><p>　　

26、1.2.4車輛加速度傳感器</p><p>　　車輛加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備，主要是計算出汽車在行駛時相對于水平面的傾斜角度，這種設計主要是車輛在上坡、下坡以及在不平的路面行駛時的測量的準度。車輛加速度傳感器可以在短時間內做到快速反應，且能夠達到穩(wěn)定的狀態(tài)，具有靈敏度高、穩(wěn)定、范圍廣等優(yōu)點，將其利用到汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)中，將可以提高系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，提高人們出行的安全性。</p>

27、;<p>　　1.2.5顯示報警裝置</p><p>　　顯示報警裝置是由閃爍報警器、蜂鳴器和LED顯示器組成，而系統(tǒng)的顯示報警裝置電路則由一個運算放大器、一個發(fā)光二極管和一個喇叭組成，如圖2所示。對于其中的二級運算放大電路，采用的是F007芯片，兩級的放大電路均是負反饋的接法，即反相比例運算電路，輸入信號從反相端輸入，而同相輸入端則是接地處理。</p><p>　　圖3 系

28、統(tǒng)報警電路圖</p><p>　　Fig.3 The system alarm circuit diagram</p><p>　　單片機AT89C51會通過三個I/O口，發(fā)射出激光的信號，信號經過三極管進行放大，從而使工作電流急劇的增大，然后發(fā)射出激光。發(fā)射的激光在遇到前面的車輛的車尾時會反射回來，而接收器則會接收反射回來的激光，并將其轉換為電信號的形式，通過放大器的兩極放大，然后進入輸

29、入端，單片機就會開始計算車輛與前車的距離，并將計算出的結果送到LED顯示器中進行顯示。當兩車的車距小于不發(fā)生追尾事故的最小車距時，單片機便會給一個信號，使得系統(tǒng)報警電路工作，閃爍燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，達到報警的作用。</p><p>　　1.3汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　在數學模型的指導下，汽車追尾事故發(fā)生的原因是兩車的安全距離過小，相對速度較大而產生的，要考慮這樣的

30、一種過程。在國際單位制下，令后方車輛和前方車輛的相對瞬時速度為U=Vf—Vt，后方車輛的制動加速度為Af，設在剛好不發(fā)生追尾事故時，后方車輛的制動時間為：</p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　后方車輛在制動的過程中距離的變化為：</p><p><b>　?。?）</b></p>

31、<p>　　將上述兩個式子聯(lián)立得：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　在追尾事故即將發(fā)生的那一刻，駕駛員即使能夠快速反應過來，但是在這個過程中也需要一個反應的時間，即駕駛員的反應時間以及處理緊急事件的時間，記作M秒，則上式將改為：</p><p><b>　　（8）</b></

32、p><p>　　這個就是不發(fā)生汽車追尾碰撞事故的兩輛車的最小車距。</p><p>　　利用相對速度傳感器測出后方車輛和前方車輛的相對瞬時速度U，然后測出后方車輛的制動加速度，通過單片機的程序電路計算出不發(fā)生追尾事故的最小車距So，通過比較激光測距傳感器測出的兩車的車距S來確定是否處于一個危險的距離中[6]。如果S小于或者等于So，則表示兩車會發(fā)生追尾碰撞事故；而當S大于So時，表示兩車的車距

33、處在安全狀態(tài)下，不會發(fā)生追尾碰撞事故。</p><p>　　由于在處理的過程中還會有駕駛員的反應時間以及處理緊急事件的時間M，故在計算安全車距時必須考慮這個因素。為了確保足夠的安全，將駕駛員的反應時間以及處理緊急事件的時間M最大化處理，一般人的反應時間為0.8秒，處理緊急事件的時間為1秒，則取M=2秒，于是（8）式變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　?。?）</b>&l

34、t;/p><p>　　如果系統(tǒng)計算出的結果是S小于或者等于So，則會給出閃爍指示，同時蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，提醒駕駛員減速行駛，以排除發(fā)生追尾事故的可能性。</p><p>　　2汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)的設計</p><p>　　在進行了數學模型的設計、理論計算以及系統(tǒng)結構的分析后，進行系統(tǒng)的設計，這其中包括硬件設計和軟件設計，硬件設計主要是對系統(tǒng)結構的組成的選配，將各結構進

35、行組合達到預防報警的作用；而軟件設計則是對系統(tǒng)采集的數據進行分析以及對信號的控制。</p><p>　　2.1汽車追尾預警系統(tǒng)的硬件設計</p><p>　　如圖3所示，汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)硬件主要由微處理器、傳感器組、顯示報警裝置組成，而傳感器組有相對速度測量傳感器、激光測距傳感器和車輛加速度傳感器，這些傳感器主要是提供車輛在行駛過程中數據和信號的變化，如兩車的距離、車輛的加速度大小以及

36、兩車的相對速度的大小。</p><p>　　圖4 預警系統(tǒng)硬件構成</p><p>　　Fig.4 The warning system hardware</p><p>　　相對速度和車距的測量可以采用集成傳感器LDM301來實現，LDM301能測到的距離為1000米，遠大于兩車的安全車距范圍，且該傳感器靈敏度高，可進行精確測量。LDM301基于激光脈沖發(fā)射時差法

37、測量原理，由發(fā)射器發(fā)出的激光脈沖射在被測量的前車車尾處，然后反射回到接收器，而接收器和發(fā)射器是安裝在LDM301的內部。因為激光的速度遠遠大于車輛行駛的速度，在激光發(fā)射到反射回來的這段時間車輛所駛過的距離是微少的，所以可以忽略了這段時間內車輛前進的距離。</p><p><b>　　兩車的車距為：</b></p><p><b>　?。?0）</b&g

38、t;</p><p>　　式中：S1—兩輛車的距離</p><p><b>　　C—光速</b></p><p>　　T—激光脈沖從發(fā)射到接收所用的時間</p><p>　　相對車速的測量則是需要發(fā)射兩個激光脈沖，進行兩次車距和時間差的計算，再將兩次的車距差值與時間差做比較，即相對車速為：</p><

39、p><b>　?。?1）</b></p><p>　　式中：U1—兩車的相對速度</p><p>　　S1—第一個激光脈沖測得的車距</p><p>　　S2—第二個激光脈沖測得的車距</p><p>　　ΔT—兩次激光脈沖之間的時間差</p><p>　　LDM301的響應時間為0.1~0

40、.5ms，漫反射測距范圍為0~300m，測速范圍為0~100m/s。該傳感器提供的是RS232、RS422、SSI和Profibus接口方式，汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)采用RS232串行接口，其硬件電路如圖4所示，其中TXD和RXD分別指向AT89C51單片機的串口發(fā)送端和接收端[7]。</p><p>　　圖5 相對速度和瞬時車距測量電路圖</p><p>　　Fig.5 Relative v

41、elocity and instantaneous distance measurement circuit diagram</p><p>　　這里的步進電機主要是為了帶動LDM301傳感器旋轉固定的角度，由于汽車在行駛時并不一定是一直處在一個平穩(wěn)的狀態(tài)，尤其是在上坡、下坡以及在不平的路面行駛時，如果傳感器一直固定在車輛的前部，就可能會使得汽車在上坡、下坡以及在不平路面行駛時不能夠準確的測得前車與本車的距離，這

42、樣就可能導致追尾事故的發(fā)生，而步進電機是由驅動器和控制電路進行控制的。汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)采用的是86BYG250A型的步進電機，具有步距角1.8º的選擇，當后方車輛從低速增至高速時，步進電機會在正方向行進，而從高速進入超速擋行駛時，步進電機會繼續(xù)在正方向行進，反之步進電機則會在反方向行進。</p><p>　　2.2汽車追尾預警系統(tǒng)的軟件設計</p><p>　　在追尾碰撞預警

43、系統(tǒng)的硬件構成了激光測距的作用后，系統(tǒng)軟件的設計主要是為了達到系統(tǒng)所能產生的作用和數據的處理以及信號的控制。</p><p>　　系統(tǒng)軟件主要是采用Keil C51進行編程，如圖4給出的是系統(tǒng)工作的流程圖，基本上概括了追尾碰撞預警系統(tǒng)的工作過程。系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)間的通訊中均采用先進的CAN總線通訊方式[8]。</p><p>　　汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)控制程序采用的是匯編語言進行編寫，起初向

44、激光測距傳感器發(fā)送串行口測試指令，對數據的傳送進行判斷，當判斷出數據是正確的時候，調用激光測距傳感器的自檢子程序；在激光測距傳感器和電路正常工作時，調用控制的子程序，通過對傳送進來的數據進行分析，判斷車輛是處于安全行駛狀態(tài)中，還是處在危險的處境中，系統(tǒng)才能判斷是否進行報警動作。</p><p>　　圖6 系統(tǒng)工作的流程圖</p><p>　　Fig.6 The flow chart of

45、system work</p><p>　　為了能夠提高汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)資源的利用率，提高系統(tǒng)的效率，采用8155芯片作為單片機系統(tǒng)的擴展I/O口。8155的PA口作為LED的字形輸出口，PC口作為LED的位選控制口，采用共陰顯示接法。通過公式計算出的距離數據設置在顯示緩沖區(qū)的真實地址，顯示緩沖區(qū)中被顯示的字符的條形碼的地址偏移量在系統(tǒng)工作前放入。該流程圖如圖6所示。</p><p>

46、<b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　圖7 子程序流程圖</b></p><p>　　Fig.7 Subroutine flow chart</p><p>　　其中的部分源程序如下：</p><p>

47、;　　DISP：MOV DPTR，#7FOOH；指向8155控制口</p><p>　　MOV A,#0DH ；8155初始化</p><p>　　MOVX@DPTR，A</p><p>　　MOV R7，#01H ；從右邊第一位顯示器開始</p><p>　　MOV R1，#30 ；顯示緩沖區(qū)

48、首地址送R1</p><p>　　LOOP：MOV DPTR，#7F03H；指向8155控制口地址</p><p>　　MOV A，R7 ；位控碼初值</p><p>　　MOVX@DPTR，A </p><p>　　MOV DPTR，#7F01H ；指向8155段控制口地址</p><p>　

49、　MOV A，@R1 ；取待顯示數據</p><p>　　MOV DPTR，#TAB ；取字形段碼表首地址</p><p>　　MOVX A，@A+DPTR ；查表獲取字形段碼</p><p>　　INC R1 ；指針指向下一緩沖單元</p><p><b>　　MOV A，

50、R7</b></p><p>　　JB A CC.5,RETURN ；判斷是否到最高位？返回</p><p>　　RL A ；不到，左移一位</p><p><b>　　MOV R7，A</b></p><p>　　AJMP LOOP ；繼續(xù)掃描

51、</p><p>　　RETURN：RET </p><p>　　TAB：DB OCOH,OF9H,OA4H,OBOH,99H</p><p>　　DB 92H,82H,OF8H,80H,90H</p><p>　　DB 88H,83H,OC6H,OA1H,86H</p><p>　　DB 8EH,OBFH,8CH,O

52、FFH</p><p><b>　　3總結</b></p><p>　　在系統(tǒng)動力學的基礎上研究出的汽車追尾碰撞預警系統(tǒng)，能夠在汽車處于非安全車距的情況下發(fā)出報警信號，告知駕駛員要進行減速行駛，以避免產生追尾碰撞事故，這將會大幅降低生活中因為追尾碰撞而發(fā)生的事故。相信這種可以增加人們出行安全性的裝置，一定能夠普及到每輛汽車中，增加人們出行的安全感。雖然研究出了汽車追尾

53、碰撞預警系統(tǒng)，能夠在人們駕駛車輛的過程中給予危險情況的告知，但是在目前為止最有效的抵抗和預防方式是靠人類的自覺防范。駕駛車輛出行時，駕駛員還是應該要提起百分百的精神，專注于駕駛車輛，只有擁有強烈的對事故的防患意識，才能夠杜絕汽車追尾碰撞事故的發(fā)生，才能夠在人們的心里烙下安全感。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 公安部交通管理局

54、，中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年限（1999~2005）. </p><p>　　[2] 侯德藻.高速公路追尾碰撞預防報警系統(tǒng)開發(fā)研究及其主控程序設計[M]. 西安：長安大學出版社.2000.</p><p>　　[3] 馬明，嚴新平，吳超仲.基于系統(tǒng)動力學的車輛追尾事故仿真分析模型 [J]. 系統(tǒng)仿真學報，2009,21(11)：3161-3165.</p><p&

55、gt;　　[4] 侯德藻．汽車縱向主動避撞系統(tǒng)的研究 [M].北京：清華大學出版社.2004.</p><p>　　[5] 張洪潤．.傳感器技術大全[M].北京航空航天大學出版社.2007.</p><p>　　[6] 黃銀花，趙仕奇.基于特征模型驅動的前方車輛檢測[J].計算機測量與控制， 2007,15(11):1478-1479.</p><p>　　[

56、7] 李全利，遲榮強.單片機原理及接口技術 .北京：高等教育出版社.2004.</p><p>　　[8] 鄔寬明．CAN總線原理和應用設計[M],北京：北京航空航天大學出版社,1996.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在導師 講師的悉心指導下完成的，導師的專業(yè)知識淵博，治學態(tài)度嚴謹，工作作

57、風踏實，誨人不倦的高尚師德。從最初的選題、定題，到論文資料收集、寫作、修改，再到論文的最終定稿，在從中的每一步中，李老師都給予了我細心的指導和不懈的鼓勵。在此，再次向李老師致以衷心的感謝。</p><p>　　這篇論文的完成，還離不開所有任課老師和同學們的幫助，衷心感謝他們?yōu)槲姨岢龅膶氋F建議，有了他們的幫助和支持，我才能更好地去完成我的論文，才能將自己的能力提高，再次感謝大家的幫忙!</p><