汽车追尾碰撞预警系统的研究毕业论文

A 基础理论 B 应用研究 C 调查报告 D 其他本科生毕业设计（论文）汽车追尾碰撞预警系统的研究二级学院：物理科学与技术学院专 业：机电技术教育（汽车方向）年 级：2009级学 号：2009954111作者姓名： 指导教师： 完成日期：2013年5月18日目 录摘要1引言11汽车追尾碰撞预警系统的介绍21.1汽车追尾碰撞预警系统的数学模型21.2汽车追尾碰撞预警系统的结构组成31.2.1微处理器31.2.2相对速度测量传感器41.2.3激光测距传感器41.2.4车辆加速度传感器51.2.5显示报警装置51.3汽车追尾碰撞预警系统的工作原理62汽车追尾碰撞预警系统的设计72.1汽车追尾碰撞预警系统的硬件设计72.2汽车追尾碰撞预警系统的软件设计93总结12参考文献14汽车追尾碰撞预警系统的研究作者 刘栩彬 指导教师 李明圣讲师（湛江师范学院物理科学与技术学院，湛江 524048）摘 要：为了能够有效减少汽车追尾事故的发生，建立在系统动力学的基础上，对汽车追尾碰撞预警系统进行了研究，得到了该系统的数学模型以及使用的硬件和软件。这种模型考虑了驾驶员对突发事件的应急情况，根据前方车辆和自身车辆的速度的变化来计算是否处于安全距离之内，如果是处在安全距离范围外，系统会给出预警信号，从而避免事故发生。详细给出了系统的工作原理、结构组成以及硬件和软件的设计，运行安全可靠，前景广阔。关键词：追尾碰撞；预警系统；数学模型；硬件设计；软件设计Automotive behind collision warning system research修改Xubin LiuInstitute of physics science and technology, Zhanjiang Normal University, Zhanjiang 524048 China 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 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 at a safe distance, the system will give warning signals, so as to avoid accidents. System is presented in detail the working principle, structure composition and the design of hardware and software, safe and reliable running, broad prospects.Keywords : rear end collision；early warning system；mathematical model；hardware design; software design引言 随着经济全球化的普及，各国的经济得到快速发展，人们更多的开始追求生活中的享受，而汽车作为人们生活中的代步工具，逐步普及到每个家庭中。车辆的快速增多，给公路带去了巨大的压力，这也造成了追尾事故的快速增加。“追尾”是一种覆盖全世界的流行性疫情病毒，是有车一族的常见高发病，是自汽车大量面世以来，衍生的最恶性的副产品。据统计，2005年，追尾碰撞事故约占全年事故总量的12.88%，死亡人数约占14.77%，受伤人数约占12.52%；而在高速公路事故中，追尾碰撞事故起数约占总数的39.29%，死亡人数约占47.82%，受伤人数约占48.25%1。调查表明中国的公路追尾碰撞发生起数约占总事故起数的33.6%，其造成的经济损失约占总数的40%2。可见追尾碰撞已成为车辆事故中的主要形式，呈现出向恶劣方向发展的趋势，而且在现在以及在未来的时间里都会一直影响着道路的安全性。通过高科技带来的成果，基于系统动力学，利用信息反馈系统，在考虑到驾驶员的反应时间以及较为符合现实的基础下，研究出汽车追尾碰撞预警系统。该系统将会具有制造成本低、实用性好和安全可靠的特点，前景是能够普遍推广到各个车辆中，这将能够减少追尾碰撞事故的发生几率，保障人们出行的安全。1汽车追尾碰撞预警系统的介绍1.1汽车追尾碰撞预警系统的数学模型 在汽车追尾碰撞预警系统模型中，定义有状态变量、变化率。状态变量定义为在系统动力学中，具有将数据叠加的功能。引导两辆车的车速在加速度的影响下随着时间的慢慢推移，称为状态变量3。变化率也就是说状态变量的累积速度，二者的相对速度是车距得以所计算的。在时刻t的时候，前面引导车辆的车速Vl在在加速度al的影响下为状态变化，可以定义为： （1）其中公式的参数都得交代清楚dt为时间的微积分。同理，相对于前面车辆的后面的车辆的车速vf在加速度af的影响下的表示为： （2）在同一个参考系的基础下，如果引导车辆与另一台汽车的行车位置变化率分别用dXl（t）和dXf（t）表示，则这两辆车的车距为： （3）后车前车V1激光测距传感器发射光束反射光束SVf图1 汽车车距测量示意图Fig.1 Car distance measurement schematic diagram1.2汽车追尾碰撞预警系统的结构组成 相对速度测量传感器激光测距传感器步进电机跟车车辆加速度传感器 微处理器报警显示装置图2 汽车追尾碰撞预警系统的结构图Fig.2 Automobile behind collision warning system structure diagram汽车追尾碰撞预警系统的整体结构如图1所示，主要的部件包括了微处理器、相对速度测量传感器、激光测距传感器、车辆加速度传感器和显示报警装置。1.2.1微处理器系统的微处理器采用的是AT89C51的单片机，该单片机是一个低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存储技术产生，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案， AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程4。为了有效降低开发制造的成本，扩大普及到一般家庭中的可能性，将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，尤其是可反复擦写的Flash存储器。1.2.2相对速度测量传感器传感器是一种将非电量的变化转化为电量变化的原件，是进行测量、控制仪器和设备的零件。在公路上行驶而发生的追尾碰撞事故往往是由于后方车辆没有确保安全车距，才会酿成事故的发生。如果要确保两车的行驶安全车距，不仅仅要知道两车行驶时的距离，还要知道两车行驶时的相对速度，才不会至于后方车辆逐渐进入到危险车距中。相对速度测量传感器通过短时间内接收到的两辆车之间的距离的变化率来计算出相对速度，如式（4）： （4）式中：d1上一时刻测量的车间距（m）； d2当前时刻测量的距离（m）； T测量的时间间隔；通过这种测量的方式可以计算出当前两辆车之间的相对速度，从而为确定两车的安全车距的测量奠定基础。1.2.3激光测距传感器激光测距传感器是先由激光二极管对准目标发射激光脉冲,经目标反射后激光向各方向散射,部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上5。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。使用激光测距传感器可以精确测出两车的距离，不仅具有测量范围广、响应速度快、测量精度高、量程大、体积小安装调试方便、远距离测量无需反光板的优点，而且最重要的是对人体没有伤害，是测量车距的最佳选择。1.2.4车辆加速度传感器 车辆加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，主要是计算出汽车在行驶时相对于水平面的倾斜角度，这种设计主要是车辆在上坡、下坡以及在不平的路面行驶时的测量的准度。车辆加速度传感器可以在短时间内做到快速反应，且能够达到稳定的状态，具有灵敏度高、稳定、范围广等优点，将其利用到汽车追尾碰撞预警系统中，将可以提高系统的精确度和稳定性，提高人们出行的安全性。1.2.5显示报警装置显示报警装置是由闪烁报警器、蜂鸣器和LED显示器组成，而系统的显示报警装置电路则由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成，如图2所示。对于其中的二级运算放大电路，采用的是F007芯片，两级的放大电路均是负反馈的接法，即反相比例运算电路，输入信号从反相端输入，而同相输入端则是接地处理。图3 系统报警电路图Fig.3 The system alarm circuit diagram单片机AT89C51会通过三个I/O口，发射出激光的信号，信号经过三极管进行放大，从而使工作电流急剧的增大，然后发射出激光。发射的激光在遇到前面的车辆的车尾时会反射回来，而接收器则会接收反射回来的激光，并将其转换为电信号的形式，通过放大器的两极放大，然后进入输入端，单片机就会开始计算车辆与前车的距离，并将计算出的结果送到LED显示器中进行显示。当两车的车距小于不发生追尾事故的最小车距时，单片机便会给一个信号，使得系统报警电路工作，闪烁灯闪烁，蜂鸣器鸣叫，达到报警的作用。1.3汽车追尾碰撞预警系统的工作原理在数学模型的指导下，汽车追尾事故发生的原因是两车的安全距离过小，相对速度较大而产生的，要考虑这样的一种过程。在国际单位制下，令后方车辆和前方车辆的相对瞬时速度为U=VfVt，后方车辆的制动加速度为Af，设在刚好不发生追尾事故时，后方车辆的制动时间为： （5）后方车辆在制动的过程中距离的变化为： （6）将上述两个式子联立得： （7）在追尾事故即将发生的那一刻，驾驶员即使能够快速反应过来，但是在这个过程中也需要一个反应的时间，即驾驶员的反应时间以及处理紧急事件的时间，记作M秒，则上式将改为： （8）这个就是不发生汽车追尾碰撞事故的两辆车的最小车距。 利用相对速度传感器测出后方车辆和前方车辆的相对瞬时速度U，然后测出后方车辆的制动加速度，通过单片机的程序电路计算出不发生追尾事故的最小车距So，通过比较激光测距传感器测出的两车的车距S来确定是否处于一个危险的距离中6。如果S小于或者等于So，则表示两车会发生追尾碰撞事故；而当S大于So时，表示两车的车距处在安全状态下，不会发生追尾碰撞事故。由于在处理的过程中还会有驾驶员的反应时间以及处理紧急事件的时间M，故在计算安全车距时必须考虑这个因素。为了确保足够的安全，将驾驶员的反应时间以及处理紧急事件的时间M最大化处理，一般人的反应时间为0.8秒，处理紧急事件的时间为1秒，则取M=2秒，于是（8）式变为： （9）如果系统计算出的结果是S小于或者等于So，则会给出闪烁指示，同时蜂鸣器发出蜂鸣声，提醒驾驶员减速行驶，以排除发生追尾事故的可能性。2汽车追尾碰撞预警系统的设计在进行了数学模型的设计、理论计算以及系统结构的分析后，进行系统的设计，这其中包括硬件设计和软件设计，硬件设计主要是对系统结构的组成的选配，将各结构进行组合达到预防报警的作用；而软件设计则是对系统采集的数据进行分析以及对信号的控制。2.1汽车追尾预警系统的硬件设计如图3所示，汽车追尾碰撞预警系统硬件主要由微处理器、传感器组、显示报警装置组成，而传感器组有相对速度测量传感器、激光测距传感器和车辆加速度传感器，这些传感器主要是提供车辆在行驶过程中数据和信号的变化，如两车的距离、车辆的加速度大小以及两车的相对速度的大小。相对速度测量传感器激光测距传感器车辆加速度传感器控制单元显示报警装置跟车信息控制信号图4 预警系统硬件构成Fig.4 The warning system hardware相对速度和车距的测量可以采用集成传感器LDM301来实现，LDM301能测到的距离为1000米，远大于两车的安全车距范围，且该传感器灵敏度高，可进行精确测量。LDM301基于激光脉冲发射时差法测量原理，由发射器发出的激光脉冲射在被测量的前车车尾处，然后反射回到接收器，而接收器和发射器是安装在LDM301的内部。因为激光的速度远远大于车辆行驶的速度，在激光发射到反射回来的这段时间车辆所驶过的距离是微少的，所以可以忽略了这段时间内车辆前进的距离。两车的车距为： （10）式中：S1两辆车的距离 C光速 T激光脉冲从发射到接收所用的时间相对车速的测量则是需要发射两个激光脉冲，进行两次车距和时间差的计算，再将两次的车距差值与时间差做比较，即相对车速为： （11）式中：U1两车的相对速度 S1第一个激光脉冲测得的车距 S2第二个激光脉冲测得的车距 T两次激光脉冲之间的时间差LDM301的响应时间为0.10.5ms，漫反射测距范围为0300m，测速范围为0100m/s。该传感器提供的是RS232、RS422、SSI和Profibus接口方式，汽车追尾碰撞预警系统采用RS232串行接口，其硬件电路如图4所示，其中TXD和RXD分别指向AT89C51单片机的串口发送端和接收端7。 图5 相对速度和瞬时车距测量电路图Fig.5 Relative velocity and instantaneous distance measurement circuit diagram 这里的步进电机主要是为了带动LDM301传感器旋转固定的角度，由于汽车在行驶时并不一定是一直处在一个平稳的状态，尤其是在上坡、下坡以及在不平的路面行驶时，如果传感器一直固定在车辆的前部，就可能会使得汽车在上坡、下坡以及在不平路面行驶时不能够准确的测得前车与本车的距离，这样就可能导致追尾事故的发生，而步进电机是由驱动器和控制电路进行控制的。汽车追尾碰撞预警系统采用的是86BYG250A型的步进电机，具有步距角1.8的选择，当后方车辆从低速增至高速时，步进电机会在正方向行进，而从高速进入超速挡行驶时，步进电机会继续在正方向行进，反之步进电机则会在反方向行进。2.2汽车追尾预警系统的软件设计在追尾碰撞预警系统的硬件构成了激光测距的作用后，系统软件的设计主要是为了达到系统所能产生的作用和数据的处理以及信号的控制。系统软件主要是采用Keil C51进行编程，如图4给出的是系统工作的流程图，基本上概括了追尾碰撞预警系统的工作过程。系统中的各子系统间的通讯中均采用先进的CAN总线通讯方式8。汽车追尾碰撞预警系统控制程序采用的是汇编语言进行编写，起初向激光测距传感器发送串行口测试指令，对数据的传送进行判断，当判断出数据是正确的时候，调用激光测距传感器的自检子程序；在激光测距传感器和电路正常工作时，调用控制的子程序，通过对传送进来的数据进行分析，判断车辆是处于安全行驶状态中，还是处在危险的处境中，系统才能判断是否进行报警动作。开始初始化采集制动加速度Af跟车速度采集确定A值采集相对速度U1及车距S1计算S及S0显示S、Af及S-S0SS0？报警YN图6 系统工作的流程图Fig.6 The flow chart of system work为了能够提高汽车追尾碰撞预警系统资源的利用率，提高系统的效率，采用8155芯片作为单片机系统的扩展I/O口。8155的PA口作为LED的字形输出口，PC口作为LED的位选控制口，采用共阴显示接法。通过公式计算出的距离数据设置在显示缓冲区的真实地址，显示缓冲区中被显示的字符的条形码的地址偏移量在系统工作前放入。该流程图如图6所示。显示报警子程序外部中断入口取值测量关闭外部中断LED显示读取T0时间值距离小于最小安全车？距？计算距离Y蜂鸣报警结果送显示并报警提示N返回返回开外部中断返回图7 子程序流程图Fig.7 Subroutine flow chart其中的部分源程序如下：DISP：MOV DPTR，#7FOOH；指向8155控制口 MOV A,#0DH ；8155初始化 MOVXDPTR，A MOV R7，#01H ；从右边第一位显示器开始 MOV R1，#30 ；显示缓冲区首地址送R1LOOP：MOV DPTR，#7F03H；指向8155控制口地址 MOV A，R7 ；位控码初值 MOVXDPTR，A MOV DPTR，#7F01H ；指向8155段控制口地址MOV A，R1 ；取待显示数据 MOV DPTR，#TAB ；取字形段码表首地址 MOVX A，A+DPTR ；查表获取字形段码 INC R1 ；指针指向下一缓冲单元 MOV A，R7 JB A CC.5,RETURN ；判断是否到最高位？返回 RL A ；不到，左移一位 MOV R7，A AJMP LOOP ；继续扫描RETURN：RET TAB：DB OCOH,OF9H,OA4H,OBOH,99H DB 92H,82H,OF8H,80H,90H DB 88H,83H,OC6H,OA1H,86H DB 8EH,OBFH,8CH,OFFH3总结 在系统动力学的基础上研究出的汽车追尾碰撞预警系统，能够在汽车处于非安全车距的情况下发出报警信号，告知驾驶员要进行减速行驶，以避免产生追尾碰撞事故，这将会大幅降低生活中因为追尾碰撞而发生的事故。相信这种可以增加人们出行安全性的装置，一定能够普及到每辆汽车中，增加人们出行的安全感。虽然研究出了汽车追尾碰撞预警系统，能够在人们驾驶车辆的过程中给予危险情况的告知，但是在目前为止最有效的抵抗和预防方式是靠人类的自觉防范。驾驶车辆出行时，驾驶员还是应该要提起百分百的精神，专注于驾驶车辆，只有拥有强烈的对事故的防患意识，才能够杜绝汽车追尾碰撞事故的发生，才能够在人们的心里烙下安全感。参考文献1 公安部交通管理局，中华人民共和国道路交通事故统计年限（19992005）. 2 侯德藻.高速公路追尾碰撞预防报警系统开发研究及其主控程序设计M. 西安：长安大学出版社.2000.3 马明，严新平，吴超仲.基于系统动力学的车辆追尾事故仿真分析模型 J. 系统仿真学报，2009,21(11)：3161-3165.4 侯德藻汽车纵向主动避撞系统的研究 M.北京：清华大学出版社.2004.5 张洪润.传感器技术大全M.北京航空航天大学出版社.2007.6 黄银花，赵仕奇.基于特征模型驱动的前方车辆检测J.计算机测量与控制， 2007,15(11):1478-1479.7 李全利，迟荣强.单片机原理及接口技术 .北京：高等教育出版社.2004.8 邬宽明CAN总线原理和应用设计M,北京：北京航空航天大学出版社,1996. 14致 谢本论文是在导师李明圣讲师的悉心指导下完成的，导师的专业知识渊博，治学态度严谨，工作作风踏实，诲人不倦的高尚师德。从最初的选题、定题，到论文资料收集、写作、修改，再到论文的最终定稿，在从中的每一步中，李老师都给予了我细心的指导和不懈的鼓励。在此，再次向李老师致以衷心的感谢。这篇论文的完成，还离不开所有任课老师和同学们的帮助，衷心感谢他们为我提出的宝贵建议，有了他们的帮助和支持，我才能更好地去完成我的论文，才能将自己的能力提高，再次感谢大家的帮忙! 2013年5月于湛江