車(chē)輛安全距離智能控制與自剎車(chē)系統

摘要：為避免兩車(chē)在同車(chē)道行駛中因追尾發(fā)生交通事故，本項目根據追尾事故的產(chǎn)生原因研制了車(chē)距安全距離智能控制與自剎車(chē)模擬系統。本模擬系統運用霍爾傳感器以及加速度傳感器測量后車(chē)車(chē)速Vb、采用超聲波回波測距原理測量前后車(chē)的車(chē)輛間距△S，利用stm32f103zet6單片機處理數據，并根據兩車(chē)的運行狀況，后車(chē)自動(dòng)調整行駛速度，從而實(shí)現后車(chē)與前車(chē)的安全車(chē)距的智能控制。實(shí)際測試表明，本系統可以實(shí)現安全車(chē)距的智能控制，達到設計要求。
關(guān)鍵詞：車(chē)輛安全；模擬；ARM Cortex—M3；智能控制

近幾年全國道路交通事故中，追尾事故約占全部交通事故的1／10。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，私家車(chē)的增多，近年來(lái)道路交通擁堵現象十分嚴重。人們不能及時(shí)控制車(chē)速以及人操作反應時(shí)間的延遲是造成這些問(wèn)題的主要原因。要解決這些問(wèn)題，可以將行車(chē)手動(dòng)駕駛變?yōu)樽詣?dòng)駕駛，而要實(shí)現自動(dòng)駕駛就必須實(shí)現車(chē)輛速度的精確測量。本項目首先改進(jìn)了速度測量方式，用加速度傳感器補償傳統霍爾傳感器測速的誤差，實(shí)現速度的精確測量，其次精確測量前后車(chē)距，通過(guò)自動(dòng)控制算法，實(shí)現安全車(chē)距的智能控制。

1 系統總體設計
該模擬系統結構圖如圖1所示，通過(guò)速度測量模塊和車(chē)距測量模塊得到實(shí)時(shí)數據，將得到的數據送到stm32f單片機(stm32f單片機是一款基于A(yíng)RM—CM3內核的32位微處理器，系統主頻72 MHz，低功耗，功能強大)的數據處理單元進(jìn)行運算和處理，將處理結果送至車(chē)距智能控制單元，從而實(shí)現車(chē)速的控制和車(chē)輛安全距離的智能控制。

兩車(chē)相對速度vr，的測量：
以運動(dòng)的后車(chē)為參照物，測取前車(chē)相對速度，實(shí)驗原理為：以時(shí)間T為間隔，連續兩次發(fā)射超聲波，通過(guò)獲取兩次的相對距離得到相對速度。根據車(chē)輛的相對速度，獲取前車(chē)的運動(dòng)信息，從而為后車(chē)速度調整提供依據。
2．3 安全車(chē)距智能控制實(shí)驗原理
根據車(chē)輛性能，設定自動(dòng)控制算法的安全距離。根據vb、△s、vr，采取閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)自動(dòng)調整后車(chē)速度，使后車(chē)與前車(chē)保持安全距離，實(shí)現安全車(chē)距智能控制和自剎車(chē)，其原理如圖2所示。

3 測試數據、技術(shù)參數和技術(shù)性分析
保證超聲波測距系統及霍爾器件測速的準確性，是實(shí)現本系統車(chē)距智能控制的關(guān)鍵。在實(shí)驗中我們對相關(guān)參數進(jìn)行了測量和分析，記錄和分析如下。
3．1 超聲波測距模塊的實(shí)驗數據及分析
1)超聲波測距模塊的實(shí)驗數據
實(shí)驗方法：先精確確定超聲波測距模塊與前方障礙物的距離，此距離即是實(shí)際距離。然后啟動(dòng)超聲波模塊，得到測試數據。
2)實(shí)驗數據分析及結論
根據測試數據以及數據對比分析可知，兩條數據曲線(xiàn)吻合較好(如圖3所示)。超聲波模塊與前方障礙物距離小于200 cm時(shí)，測試相對誤差的最大值為3．28％，且隨距離的增加而增大；超聲波模塊與前方障礙物距離在大于200 cm時(shí)，相對誤差顯著(zhù)增加。

誤差產(chǎn)生的主要原因是模塊安裝位置與障礙物之間的角度隨距離的改變而產(chǎn)生，該誤差可根據產(chǎn)生的原因在算法中加以修正。
本作品系統中，超聲波模塊安裝在后車(chē)的車(chē)頭正前方，后車(chē)車(chē)頭與前車(chē)車(chē)尾的距離(即兩車(chē)的安全距離)設置在200 cm以?xún)?，由以上數據分析可知，該距離范圍測試誤差和絕對誤差均較小，可見(jiàn)，超聲波測距模塊滿(mǎn)足本系統的設計要求。
3．2 速度測量的實(shí)驗數據及分析
1)速度測量的實(shí)驗數據
實(shí)驗方法：本系統采用霍爾傳感器進(jìn)行速度測量，利用加速度傳感器對速度進(jìn)行輔助測量提高系統測速的準確性，實(shí)驗中，我們通過(guò)將顯示數據與實(shí)測數據進(jìn)行比較，得到以下數據。

2)實(shí)驗數據分析及結論
通過(guò)以上數據分析可知：小車(chē)速度為0．12～0．29 m／s時(shí)，速度測量的穩定性好，測量誤差較??；當速度大于0．29 m／s，測量誤差增大。
速度測量產(chǎn)生誤差的主要原因是：本套模擬系統中使用的模型小車(chē)，其車(chē)輪較小(直徑5．5 cm)，使得霍爾傳感器測速模塊中安裝在車(chē)輪上的磁珠的個(gè)數過(guò)少(3個(gè))，車(chē)輪旋轉一周所能獲得的信號脈沖個(gè)數只有3個(gè)，使得測量誤差較大。誤差修正方法有2個(gè)：方法一，采用加速度傳感器來(lái)減小誤差；方法二，采用相同原理的光電碼盤(pán)測速器替代霍爾傳感器進(jìn)行脈沖信號采集。
本作品中，小車(chē)的運行速度為0．12～0．29 m／s，另外由于加入了加速度傳感器來(lái)修正霍爾傳感器的測量輸出，使得誤差較小，滿(mǎn)足本模擬系統測速要求。
3．3 安全車(chē)距的智能控制
為檢測本安全車(chē)距保持系統是否達到要求，我們通過(guò)固定一個(gè)路標(停車(chē)標志位)，讓小車(chē)以不同的速度通過(guò)設定的參考線(xiàn)，參考線(xiàn)與路標距離為50 cm，然后測量小車(chē)停車(chē)時(shí)與路標距離，從而判定該系統是否達標。實(shí)驗現場(chǎng)如圖4所示。實(shí)驗數據如表3所示。

由以上數據分析可知：當速度低于0．7 m／s時(shí)，本套模擬系統能實(shí)現安全車(chē)距的智能控制和自剎車(chē)系統的功能。當汽車(chē)超速時(shí)，最大安全車(chē)距可根據車(chē)速調整，保障行車(chē)安全。

本系統的測距模塊、無(wú)線(xiàn)的系統運行參數顯示模塊如圖5、圖6所示。人性化的無(wú)線(xiàn)手持式參數顯示屏能清晰、實(shí)時(shí)地顯示系統的速度、里程、和前車(chē)的距離等參數。

4 作品的科學(xué)性與先進(jìn)性
1)測速方式
目前國內大多數測量汽車(chē)車(chē)速的方法采用霍爾傳感器進(jìn)行速度測量，然而在實(shí)際生活中，特別是在高速公路上行車(chē)，常常會(huì )發(fā)現汽車(chē)碼盤(pán)表的顯示速度大于實(shí)際的車(chē)速。而這個(gè)誤差并非由于傳感器的精度問(wèn)題，而是車(chē)輪由于抓地不好打滑造成的?；魻杺鞲衅鞯臏y速是通過(guò)測量汽車(chē)的車(chē)輪轉速從而轉化為汽車(chē)的行駛速度的。為了改善這個(gè)問(wèn)題，我們采取測量汽車(chē)線(xiàn)加速度獲取速度的方式來(lái)彌補這種測量方式帶來(lái)的誤差。
2)安全車(chē)距控制
根據車(chē)輛性能設定安全車(chē)距后，在行駛中，改變前車(chē)速度，后車(chē)能完成自動(dòng)跟車(chē)并調整速度，不與前車(chē)發(fā)生追尾。本模擬系統還可以實(shí)現車(chē)距保持功能和車(chē)距警報。
3)自動(dòng)剎車(chē)系統
實(shí)際車(chē)輛制動(dòng)的過(guò)程是一個(gè)勻速運動(dòng)與勻減速運動(dòng)的疊加，如圖7所示，車(chē)速v(t)是一個(gè)簡(jiǎn)單的分段函數：

其中v0是采取制動(dòng)措施前的車(chē)速，a是平均制動(dòng)減速度。

對車(chē)速v(t)積分，可得制動(dòng)距離：

在檢測到前方有靜止障礙物時(shí)，汽車(chē)可啟動(dòng)自動(dòng)剎車(chē)功能，緊急制動(dòng)，防止相撞，智能行車(chē)模式降低了駕駛員的疲勞度。

5 結論
車(chē)輛安全距離智能控制與自剎車(chē)模擬系統通過(guò)速度的準確測試和自動(dòng)控制算法，實(shí)現了在同車(chē)道行車(chē)中，前后車(chē)安全車(chē)距地自動(dòng)保持和自動(dòng)剎車(chē)的功能。實(shí)際應用中，可實(shí)時(shí)預防追尾事故的發(fā)生，提高車(chē)輛行駛的安全性，減輕駕駛員的心理負擔；同時(shí)該項目成果還可應用于汽車(chē)無(wú)人駕駛中，為汽車(chē)的自動(dòng)無(wú)人駕駛提供了思路和技術(shù)支持，并且該系統還可改進(jìn)為自動(dòng)跟車(chē)系統，解決人手動(dòng)操作時(shí)的延時(shí)，從而實(shí)現汽車(chē)操控的實(shí)時(shí)性、靈敏性，提高交通通暢。