裝甲車(chē)輛防撞預警系統設計

近年來(lái)，裝甲車(chē)輛在日常訓練過(guò)程中，惡性事故時(shí)有發(fā)生，給部隊的人員生命及裝備安全帶來(lái)極大的損失。裝甲車(chē)輛在行駛中通常采用閉倉駕駛，駕駛員視線(xiàn)受到影響，而部隊訓練又經(jīng)常在丘陵地域，路況十分不好，特別是北方部隊，訓練時(shí)經(jīng)常伴有大量的灰塵，這就大大增加了車(chē)輛事故的發(fā)生概率。造成裝甲車(chē)輛碰撞的原因十分復雜，既有裝甲車(chē)輛自身的因素，也有人為的因素，還有道路、氣象等環(huán)境因素，總而言之，人、車(chē)、環(huán)境是影響車(chē)輛行駛安全性能的三大因素，這三者組成了相互制約的系統工程。

為了解決裝甲車(chē)輛訓練安全問(wèn)題，本文提出開(kāi)發(fā)研究一種能實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛位置信息并及時(shí)提醒駕駛員或者系統自動(dòng)采取措施以避免出現危險情況的裝甲車(chē)輛防撞預警系統，該系統的研究開(kāi)發(fā)具有極大的現實(shí)意義和廣闊的應用前景。

常用車(chē)載距離探測技術(shù)簡(jiǎn)介

目前，距離傳感器主要分為三類(lèi)：聲學(xué)類(lèi)——超聲波；光學(xué)類(lèi)——無(wú)源紅外線(xiàn)、激光雷達及視頻成像系統；電磁類(lèi)——連續波雷達/單脈沖雷達及電容式傳感器等。每一種距離探測技術(shù)都有其適用的場(chǎng)合。

（1）超聲波傳感器

超聲波是頻率在20KHz以上，人耳感覺(jué)不到的聲波。與可聞聲相比，它的特點(diǎn)是頻率高，波長(cháng)短，在傳播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超聲波距離傳感器一般采用獨立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號（40KHz~80KHz）來(lái)激勵。測量發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖至接收到反射信號所用的時(shí)間間隔，可以簡(jiǎn)單地估計出被測物體的距離。

其主要優(yōu)點(diǎn)是成本較低、尺寸較??；主要缺點(diǎn)是有些目標物（如土壤和草木）的反射信號很弱而無(wú)法探測。另一個(gè)缺點(diǎn)是聲波在空氣中的傳播時(shí)間隨溫度變化，因此，超聲波傳感器用于溫度范圍較大的場(chǎng)合時(shí)，必須進(jìn)行溫度補償。故超聲波傳感器一般應用在較短距離測量上，最佳距離為4米到5米。

（2）無(wú)源紅外線(xiàn)式傳感器

無(wú)源紅外線(xiàn)式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來(lái)實(shí)現測距的。與超聲波距離傳感器相同，無(wú)源紅外線(xiàn)傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低且尺寸??；主要缺點(diǎn)是響應時(shí)間過(guò)長(cháng)，使駕駛員得到的提前報警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車(chē)輛碰撞報警系統中的應用。

（3）激光雷達傳感器

由于光束一般很集中，激光雷達主要用于大范圍直線(xiàn)距離的測量。激光雷達量程大、方向性強且響應時(shí)間快，但成本高、易受外界環(huán)境（如能見(jiàn)度低、傳感器表面有泥土）的影響。同時(shí)，激光能量必須在人眼安全水平范圍之內。

（4）連續波雷達傳感器

連續波雷達采用頻率調制的高頻電磁載波（一般為微波頻率或者更高、通常為鋸齒形信號）。比較反射信號與發(fā)射信號，可得到與被測距離成比例的頻率差。利用返回信號的多普勒偏轉還能確定被測物體的相對速度。

連續波雷達的突出優(yōu)點(diǎn)是能穿透泥土和飛濺物“看到”物體；并且窄波束和寬波束均可以使用，因而能夠把波束寬度調制得適于特殊用途。其主要缺點(diǎn)是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對較高。另外，用電子學(xué)方法對相對窄的、探測距離大的波束進(jìn)行掃描能得到更大的測程和波束寬度，但復雜度和成本隨之增加。

防撞預警系統的基本功能及工作原理

根據野戰條件下裝甲車(chē)輛預防碰撞的需要，系統應具備以下功能：

（1）定位并顯示附近車(chē)輛。應能定位出附近車(chē)輛位置，并在顯示器中顯示出來(lái)。

（2）當兩車(chē)距離小于安全距離時(shí)報警。應能精確測得兩車(chē)間的距離，當兩車(chē)距離小于安全距離（5m）時(shí)，發(fā)出警報提醒駕駛員。

系統的工作原理：系統采用GPS系統對車(chē)輛進(jìn)行定位，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊接收周?chē)?chē)輛位置并向外發(fā)送本車(chē)位置。在顯示屏上顯示周?chē)?chē)輛，并計算兩車(chē)的距離，當兩車(chē)距離小于15m時(shí)，使用距離傳感器進(jìn)行精確測距，當距離小于5m時(shí)發(fā)出警報。對比常用車(chē)載距離探測技術(shù)中各傳感器的性能，由于距離傳感器測距不需要太遠，結合成本及體積等方面的考慮，選擇超聲波傳感器作為本系統中的近距離測距器。

超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。

超聲測距從原理上可分為共振式和脈沖反射式兩種。由于應用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就停止計時(shí)。根據計時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（S），即S=C×t/2，式中，C為超聲波音速，由于超聲波也是聲波，故C即為音速。

聲速與現場(chǎng)溫度的經(jīng)驗公式：C＝331.5＋0.607T。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現場(chǎng)溫度T，就可以精確計算出從發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離。

可以看出超聲波測距系統的主要部分有：

（1）供應電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；

（2）使接收和發(fā)射隔離的開(kāi)關(guān)部分；

（3）轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；

（4）接收反射聲能（回波）和轉換聲能為電信號的接收傳感器；

（5）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設備；

（6）記錄/控制設備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時(shí)間，存儲所要求的數據，并將時(shí)間間隔轉換成距離。

在超聲波測量系統中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很高的抗干擾性能。

距離測量系統常用頻率范圍為25KHz~300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，有時(shí)分開(kāi)使用。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開(kāi)強大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數并加以顯示或記錄。

系統的總體結構

設計本系統的主要目的是定位并顯示附近車(chē)輛位置，測量車(chē)距，危險時(shí)發(fā)出警報。

根據實(shí)際的功能需求，將系統的整體設計分成探測系統和數據處理系統兩個(gè)部分，其基本原理如圖1所示。其中，探測系統主要包括GPS模塊、超聲波測距模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、電源模塊、主控電路和通信接口；數據處理系統主要包括顯示模塊、報警模塊、電源模塊和主控電路。

傳感器、GPS和無(wú)線(xiàn)模塊的選擇

（1）超聲波傳感器的選擇

超聲波傳感器采用美國SensComp公司的Sens600系列智能超聲波傳感器，Sens600是基于超靈敏測距模塊6500的增強型靜電傳感器系列，集發(fā)送、接收于一體，新的電壓控制電路使傳感器可工作在6V～24V 直流電源下，測量范圍0.15m～10.7m，可外部觸發(fā)或內部觸發(fā)，封裝較小，終端引腳連接方便。由于超聲波傳感器接收到回波信號時(shí)，輸出高電平，因此需在回波輸出端連接反相器至單片機外部中斷口，以便即時(shí)響應。另外，在超聲波傳感器開(kāi)口端面增加喇叭狀套筒設計，以限制和減少偏離發(fā)射軸中心較大的發(fā)射波和接收波，在一定程度上增強了抗干擾能力。

（2）溫度傳感器的選擇

目前存在的溫度傳感器主要分為兩種類(lèi)型，即數字溫度傳感器和模擬式溫度傳感器。

數字溫度傳感器測量溫度是將溫度值直接轉化為數字值輸出。數字溫度傳感器具有以下的優(yōu)點(diǎn)：①具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；②抗干擾能力強，穩定性好；③信號易于處理、傳送和自動(dòng)控制；④便于動(dòng)態(tài)及多路測量，讀數直觀(guān)；⑤安裝方便，維護簡(jiǎn)單，工作可靠性高。