摘  要 为了避免汽车追尾的发生，本文在汽车防撞模型的基础上分析了汽车的制动过程，并设计了一种基于AT89S52的车辆防追尾预警系统，当检测到前方车辆在行驶中对本车构成危险时，声光预警模块开始工作，及时提示驾驶员以便让其采取制动等相应措施避免车辆追尾。实验表明，该系统可以根据实测距离和车速，准确地判断出安全制动距离并给出预警界限。

关键词  追尾碰撞；安全制动距离；预警系统；AT89S52

[中图分类号] TP273     [文献标志码] A

0 引言

近年来，国内外学者对汽车防追尾碰撞预警系统进行了研究。文献[1]提出了基于雷达与摄像头的主动防追尾预警系统，但它依赖于车对车的信息交互，系统信息量大难以实现。文献[2]分析了后向可达性与不变集理论，提出了最大允许安全设置，它是基于位置误差、相对速度与加速度的设置，需要用到两个及两个以上控制器，对自适应巡航系统提出了很高的要求。文献[3]利用了确定性及随机参数的方法，提出了基于驾驶员反应时间和人工神经网络的主动防追尾碰撞预警算法，用来减轻与前车追尾碰撞的风险，但其对需要探测的数据精度要求较高。针对上述问题，本文设计了一种车辆主动防追尾预警系统，利用AT89S52控制器单一、成本较低和容易实现的特点，完成了测距信息输入模块、车速检测模块和声光预警输出模块的硬件设计，并且在模拟软件中根据传感器采集的车速、车距等信息能够准确地计算出车间安全距离,实现声光报警，以避免追尾事故发生。

1 防撞原理

两车在道路上行驶，主要防撞原理是：后车根据自车的速度计算出自车的制动距离，并与实时测出的相对车间距离进行对比，作为判断预警的依据，及时提醒驾驶员做出正确的驾驶操作。　

1.1　碰撞分析模型　

高速公路上同车道同方向的前后两车在同一时刻的相对位置用图1表示。

图1 尾随车与前车相对位置示意图

Fig.1　The relative position’s schematic diagram between front vehicle and back one

图1中d为后车A和前车B在某一时刻的间隔距离；S_A为尾随车A采取制动以后行驶的距离；S_B为前车B直到停止所行驶的距离。从图1中可以看出，要想使A、B两车不发生碰撞，应该满足：

S_A≤S_B+d                                                                                                                          (1)

即：d≥S_A一S_B

所以最小纵向安全距离模型（动态车间相对距离差）应满足：

d_min=S_A—S_B                                                                                                                                 (2)

设激光测距传感器^[4]测得的后尾随车A和前车B的距离为D，并且设两车停止时，A、B两车间必须要保持的额定安全距离为d₀，其一般为2～5m^[4]，此距离的大小受驾驶员反应时间和汽车相对速度的影响。则本文确定的报警规则为：当S_w=d₀+d_min≧D时(即动态车间相对距离差D-d_min≤d₀，这里S_w为危险报警距离)，防尾撞预警系统开始工作，发出语音报警，从而提醒驾驶员采取制动等相应措施。

1.2  汽车制动距离

为了分析制动距离，必须全面认知制动过程。图2是驾驶员在接受了紧急制动信号后，制动踏板力、汽车制动减速度与制动时间简化后的关系曲线^[5]。

图2汽车的制动过程

Fig.2 Automotive braking process

驾驶员接到紧急制动信号时，并没有立即行动（图2中的a点），而要经τ₁^/后才意识到应进行紧急制动，并移动右脚，在经过τ₁^//后才踩到制动踏板。从a点到b点所经过的时间τ₁=τ₁^/+τ₁^//称为驾驶员反应时间，v_ao称为汽车初速度。根据文献[6],τ₁这段时间一般为0.3～1.0s。在b点以后，随着驾驶员在踏板的动作，踏板力迅速增大，至d点时达到最大值。由于制动蹄是由回位弹簧拉着，蹄片与制动鼓之间存在着间隙，所以要经过τ₂^/，即至c点，地面制动力才起作用，于是汽车开始产生减速度a_bmax。这里，a_bmax=φ_sg,φ_s为滑动附着系数^[7]，g为重力加速度。由c点到e点是制动器制动力增长过程所需的时间τ₂^//。τ₂=τ₂^/+τ₂^//总称为制动器起作用时间，制动器起作用时间一般取决于驾驶员踩踏板的速度，另外更重要的是受制动系结构形式的影响，τ₂一般取在0.2～0.9s^[6]之间。根据文献[6]，制动距离原始公式为：

    　　　　　　　　           (3)      

从式（3）可以看出，决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的时间，最大制动减速度即附着力以及初始制动车速。附着力（或制动器制动力）越大、初始车速越低，制动距离越短。

1.3 汽车危险报警距离的建立

对于行驶着的汽车来说，尾随车A的驾驶员对于前车B驾驶员下一时刻的行为是无法预知的。但在不同的行驶状态下，前车与尾随车的安全距离也是不同的。分别根据以下3种情况，分析了危险报警距离：

(1)前车静止或者尾随车前方为静止障碍物时，由文献（8）推得：

      ,                   (4)　　　　　　      

v_A为后车的车速，v_B为前车的速度，前车速度v_B可以通过相对速度计算得到，所以v_B=v_A-v_r,这里，v_r=(D2-D1)/Δt，D2和D1分别为时间间隔Δt内由激光测距传感器实时测量得到，以下两种情况下的v_B的获得与此相同。a_Amax为后车的最大制动减速度。此时，危险报警距离为：

                         (5)

(2)前车减速行驶时，由文献（8）推得：     

                                                                     (6)

一般情况下，a_A, a_B的大小对报警模型有很大的影响。为了简化计算，尾随车与前车均采用最大减速度计算,取a_Amax=a_B。此时，危险报警距离:

              (7)

(3)前车匀速或加速行驶

前车匀速行驶的时候，如果前车的速度大于尾随车的速度，那么两车则不会发生追尾碰撞。当前车的速度小于尾随车的速度时，两车才有发生碰撞的可能性。根据文献[8]，前车匀速或者加速的时候，危险报警距离为:

                                        (8)

2 车辆防追尾预警系统设计

2.1  系统结构

防尾撞系统的总体设计结构如图3所示，防追尾预警系统由三部分构成:信息采集模块、中央信息处理模块和声光预警模块。

图3 系统的总体设计

Fig.3 The overall design of the system

首先，信息采集模块包括激光测距传感器、霍尔车速传感器、路面情况选择开关和驾驶员反应时间。激光测距传感器安装在车辆前部保险杆处，完成实时测量与前方车辆间的距离信息和路况情况，然后将检测到的参数发送到模块内部的射频模块，最终传输到中央信息处理模块。在本设计中激光测距传感器采用的是脉冲激光测距传感器^[9]，测程可达200m，测距精度0.15~2m。霍尔车速传感器安装在变速箱第二轴驱动的蜗轮轴上，完成对自车速度的测量，然后将车速信息输入到中央信息处理模块。路面情况选择开关是通过三个开关按钮，分别为干燥路面、潮湿路面与泥浆路面，然后进行路面情况的选择(本文仅对干燥路面进行了模拟实验)。驾驶员反应时间输入指的是根据不同的驾驶员，不同的车速，输入相应的反应时间。

其次，中央处理模块是系统的运算核心，所有测量参数都要经过中央处理器的分析运算融合。处理器选用AT89S52单片机^[10],并且ATMEL公司为该处理器的所有外设编写了函数库,应用开发方便快捷。

最后，声光预警模块是系统的输出执行部分，能够提供及时的报警提示。模块由LED显示器^[11]和声光报警装置组成。前者用来实时显示尾随车本身的速度与前车之间的实际距离信息。后者主要是蜂鸣器，在系统预测到有危险时，发出声音提醒驾驶员，使其采取制动等相应措施，从而避免碰撞事故的发生。

2.2 硬件电路设计　

本系统的硬件设计主要包括元器件的选型及其电路原理图的设计，以下分别设计了测距信息输入电路、车速检测电路以及声光预警模块。

(1) 测距信息输入电路　

要把激光测距传感器测得的数据信息传给单片机，必须要设计接口，传感器的通信接口为RS232标准接口。由于RS232的电平为RS232电平，单片机的电平为TTL电平，所以采用电平转换芯片MAX232，激光测距传感器的MAX232引脚和AT89S52的接口。如图4所示。测距信息输入模块主要按RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232作为数据处理，将来自激光测距传感器的距离信息进行电平转换后，送往单片机进行处理。

图4 激光测距传感器与AT89S52接口电路

Fig.4 The interface circuit of laser ranging sensor and AT89S52

（2）车速检测电路

理U。出P521，号43.com车速检测电路如图5所示，主要由H代表的霍尔元件S43、三极管 9013和光耦开关TLP521构成。在蜗轮轴转轴上固定一块磁钢，并且在磁钢正对面安装霍尔元件H（根据霍尔元件灵敏度调节好空隙），霍尔H与磁钢之间恰形成磁场，当每次磁铁转动到霍尔正对面时，霍尔就会发出一次脉冲信号，单位时间内的脉冲数即是转速。当磁场强度B变小到达释放点时，3脚由低电平跳变为高电平，使三极管9013导通，从而使光耦TLP521的6，7脚导通， I/O输出低电平；当磁场强度B变大到达工作点时，3脚由高电平跳变为低电平，使三极管9013截止，从而使光耦TLP521的6，7脚截止，I/O输出高电平。所以，根据I/O口输出标准数字电路高低电平的个数，就可以计算得出转轴的转速。

图5 车速检测电路

Fig.5 The speed detection circuit

   （3）声光预警模块

声光预警电路如图6所示。图6中，本方案采用ISD2560语音芯片，其中MIC是麦克风输入端，MIC REF为麦克风补偿端，AGC为自动增益控制端；ANAIN与ANAOUT是模拟信号的输入和输出端，它们之间连接的耦合电容通常取值为0.22～10μF；当P/R引脚为高电平时芯片选择放音，播放提示音直到EOM标志时结束。

图6声光预警电路

Fig.6 Sound-light alarm circuit

2.3 软件设计

系统的软件设计部分主要由系统软件流程和霍尔测速传感器流程组成，其设计思路是根据1.1节的碰撞模型和1.3节的危险报警距离编写相应的程序。系统软件程序的调试采用的是Keil -uVision2软件，此软件可以进行C语言程序编辑和编译，然后对单片机进行调试。

2.3.1  系统软件流程

系统主程序流程图如图7所示，首先对AT89S52进行初始化，然后从单片机的信息采集模块读取车速及附着系数、驾驶员反应时间等信息，通过式(5)至式(8)来计算危险报警距离，并与激光测距传感器测出的前后两车间实际距离进行对比，根据动态车间相对距离差来判断是否发生碰撞，判断子程序如图8所示，若传感器实测距离与最小纵向距离之差小于额定安

全距离（5m）时，则报警装置启动，提醒驾驶员及时转向或刹车，否则报警抑制。

图7  系统主程序                                   图8 判断子程序算法

Fig.7 The main program of the system                               Fig.8 Judging subroutine's algorithm

2.3.2霍尔测速传感器流程

计数流程图^[12]如图9所示，首先对定时器T0进行初始化，然后检查P3.0引脚高电平是否到达，若到达，脉冲数加1，接着再检查P3.0口低电平是否到达，若到达，再接着重新检测到P3.0口高电平，脉冲数重新加1，则此为一个周期，最后不断地进行循环，测量出单位时间内进入单片机的脉冲数量，通过软件处理就可以计算出转轴的转速。

                        图9  计数流程图                                                      

                                                         Fig.9 Flow chart of the count                         

3 实验结果

本次试验分别采用实测和模拟的形式进行。各硬件模块采用实际测试，而系统的防追尾碰撞功能采用模拟试验。

3.1 实测验证各硬件模块的功能。

（1）测距功能：改变激光测距模块与前方静止车辆的距离，将电路测量值与实际米尺测量进行比较。具体过程是在1~100m范围内分别设置10个采样点，分别进行米尺实际测量与激光测距模块测量。经测得，距离检测误差不超过2.1％。实验表明，该测距模块能够实现测距功能。

（2）转速测量功能：将霍尔车速传感器安装在变速器后部的蜗轮轴转轴处，启动车辆，将传感器测得的转速与汽车仪表盘的转速进行比较。具体过程是在500~5000r/min范围内分别设置10个采样点，分别进行车速传感器测量与汽车转速表测量，试验表明，转速检测误差不超过1.8％。实验表明，该测速模块能够实现转轴的转速测量功能。

3.2 汽车防追尾碰撞功能的模拟验证

采用软件VB6.0模拟的手段来验证本文第1章所建立的防撞模型。分别输入汽车的自车速度、相对距离、相对速度、以及汽车的行驶状态（制动、油门）等数据，同时输入车辆所行驶的路面情况，然后通过程序计算出报警危险距离，以判断是否报警。由第一章分析知，干燥路面条件下制动减速度a_bmax取为6m/s²，驾驶员反应时间τ₁取为1s,制动器起作用时间τ₂^/取为0.3s;制动力增长时间τ₂^//也取为0.3s，额定安全距离d₀可取5m。经模拟试验，分别在前车静止，减速以及匀速或加速行驶三种工况下给出了危险报警距离和报警情况，如下表1、表2和表3。

表1 前车静止时模拟实验数据

Tab.1 Simulated experiment data when the frontal vehicle at rest

表2 干燥路面前车减速时模拟实验 干燥路面状况下的追尾报警实验数据

Tab.2  Simulated experiment data when the frontal vehicle decelerates

表3 干燥路面前车匀速或加速时模拟实验 干燥路面状况下的追尾报警实验数据

Tab.3 Simulated experiment data when the frontal vehicle keeps the same velocity or accelerates

（注：Y表示正常报警，N表示不报警Notes:Y means normal alarm,N means no alarm）

由表1、表2和表3分析可知当两车相对距离小于危险报警距离时，系统能够正常报警并达到设计预期效果。

4 结论

　　本文在分析碰撞原理的基础上，进行了汽车防追尾预警系统的软硬件设计，实测结果表明，硬件模块能够满足测距和测速功能。同时，仿真证明，该系统能够在前后两车存在潜在危险的时候，发出警报以提醒驾驶员注意。下一步的研究方向 ，是进一步设计子程序算法，并降低虚警率。

参 考 文 献

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