《高速公路汽车防追尾系统研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速公路汽车防追尾系统研究.doc（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、工程硕士学位论文高速公路汽车防追尾系统研究摘 要高速公路交通系统在我国的兴起，正改变着我国陆上交通的格局。然而近年来，道路交通安全形势越来越严峻，交通事故给家庭、集体和国家都带来了巨大的损失，已成为世界性的严重问题。这其中自高速公路投入使用以来，事故频发，已严重影响人们对使用高速公路的信心，据有关统计资料表明，在众多的高速公路交通事故中，追尾碰撞引起的事故占最多数，因此，研发一种高性能的汽车追尾防撞预警系统成为迫切的需要。本文在借鉴了国内外诸多汽车防撞模型及研究成果的基础上，从车辆动力学和运动学两方面详细分析了汽车的制动过程，并且根据汽车的运动状态建立了实用、简单的汽车防撞预警模型。通过对高速
2、公路追尾碰撞事故原因的分析，提出了汽车追尾防撞预警系统设计要求，并确定了系统的设计方案。整个系统由各种传感器、数据采集电路、声光报警电路、液晶显示电路等组成，系统采用高性能的ARM7芯片S3C44B0X作为中央处理器，保证了系统工作的实时性。论文对汽车追尾防撞预警系统所需传感器进行了分析、比较和选型；制作、调试了系统硬件部分；采用汇编与C语言结合的方式编写系统所需软件，并将此软件在硬件上进行了调试；论文针对系统应用的环境，从软件和硬件两方面对系统进行了可靠性设计，从而使系统更加稳定可靠。最后，论文还通过实验对系统各项功能进行了考察，实验表明系统声光报警、抑制报警、液晶显示等各项功能基本实现了系
3、统的设计要求。关键词：追尾，防撞预警系统，碰撞模型，S3C44B0X，ARM7AbstractThe rising of rapid transit on freeway is changing the pattern of overland traffic in our country. The traffic safety condition is becoming increasingly serious in recent years. The traffic accidents have become a worldwide problem which make great lost
4、 to our families and country. While the frequent accidents have badly touched the confidence of people using them since the freeways were devote to using, the statistic shows that the accidents resulted from Rear-end Collision are in the majority among the accidents in expressway. The statistic show
5、s that the Rear-end Collision is of the majority in all expressway accidents. Therefore it becomes an urgent necessity to develop a high-performance Collision Warning System.This paper conducts both the dynamic and kinematic analysis of the automobile braking process. Referring to many research frui
6、ts in automobile anti-collision of the world, the paper establishes a simple and applicable model of anti-collision alarm system based on the automobiles movement status. By analyzing the cause of Rear-end Collision, the dissertation put forward the system requirements and then designs scheme. The w
7、hole system consists of various sensors, data collection circuit, alarming circuit of sound and light, display circuit of LCD screen. The high-powered chip，as the central processing unit，is used to control all the circuits for improving real-time character of the system. This paper also analyzes and
8、 compares the sensors, then complete the hardware system. The system software is programmed with C and assembly language and debug on the hardware.According the environment of the automobile, many effective measures from the software and hardware are adopted to enhance the reliability of the system.
9、 At last, experiments are carried out on the Collision Warning System and it is confirmed that the system basically meets the design requirements.Key words: Rear-end Collision, Collision Warning System目 录第一章 前 言31.1 课题研究的目的和意义31.2 国内外研究的概况41.2.1国外研究述评41.2.2国内研究述评71.3 论文主要研究的内容81.4 研究方法及具体步骤9第二章 汽车追尾
10、防撞系统设计102.1 汽车追尾事故分析102.1.1 驾驶行为及过程102.1.2 追尾事故分析112.2 追尾防撞系统设计要求122.3 追尾防撞系统总体设计132.4 本章小结12第三章 高速公路最小安全行车车间距离的分析143.1 高速公路最小安全行车车间距离的定义143.2 高速公路最小安全行车车间距离分析的前提条件143.3 高速公路最小安全行车车间距离模型的建立143.3.1 车辆制动减速过程分析143.3.2 B车制动距离的计算153.3.3 A车制动距离的计算163.3.4 最小安全行车车间距离的确定163.4 模型参数的讨论163.5 本章小结9第四章 系统硬件设计174.
11、1 传感器单元174.1.1 激光测距传感器194.1.2 车速传感器204.2 控制单元与执行器单元204.2.1 硬件结构中主要部件和特殊部件的说明204.2.2 测距信息输入电路244.2.3 车速信息输入电路474.2.4 转向信息输入电路474.2.5 语音报警输出电路474.2.6 实际车间距离显示电路474.3 本章小结20第五章 系统软件设计495.1存储器配置495.1.1 程序存储器的地址空间495.1.2 数据存储器的地址空间495.2单片机的中断系统525.3 软件设计505.3.1 程序设计方案555.3.2 功能实现555.4 性能评价575.5 本章小结59结 论
12、59参考文献60附录62攻读学位期间取得的研究成果63致谢63第一章 前 言1.1 课题研究的目的和意义 汽车作为现代人类的交通工具，改变了人们的生活方式，推动了社会经济的发展和人类文化的进步，给人们的生活带来了极大的便利，但同时也带来了严重的交通安全问题。据红十字会的数据：全世界每年死于道路交通事故的人数达70万人，另有10001500万人受伤，每年因道路交通事故造成的经济损失约为5180亿美元。道路交通事故给家庭、集体和国家都会带来巨大的损失，成为世界性的严重社会问题。预计至2020年，交通事故将成为造成人类非正常死亡的最大的直接原因之一。随着经济的发展与汽车科学技术的进步，公路交通呈现出
13、行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。同时，随着汽车工业的飞速发展，汽车的产量和保有量都在急剧增加。高速公路的出现为汽车的高速化提供了有利的条件，但汽车的高速化也带来了一个不可避免的问题:汽车碰撞事故。在我国，汽车的产量和保有量逐年增加，但公路发展、交通管理却相对落后，导致车祸连年上升。我国每年因交通事故死亡的人数也在迅速增长，十年间翻了一番，从1991年的5.3万人，到2001年已达10.6万人，平均每4.8分钟有1人死于车祸，每0.9分钟有1人在车祸中伤残，每年因交通事故造成的直接经济损失达数百亿元，居世界第一位。我国的高速公路起步虽晚，但发展较快1。据统计，高速公路每百公里事故率
14、为普通公路的4倍多。照此下去，若车辆安全技术和道路交通管理手段跟不上的话，今后若干年中，我国的交通事故不但不会减少，反而还会有上升趋势，造成的经济损失也会以相当惊人的速度增长。我国高速公路交通事故情况统计表1.1给出了我国近年来高速公路交通事故的数量、人员伤亡和直接经济损失的大致情况。图表显示，我国高速公路交通事故形势不容乐观，并有愈演愈烈之势表1.1我国高速公路交通事故情况统计年 份事故数死亡人数受伤人数直接经济损失（亿元）19979035118231901.7199810574148740341.762000160002.2 从其他有关统计数据来看，1996年全国高速公路百公里事故率比普通
15、公路高出3倍多，而同期国外高速公路每百公里的事故发生率仅为普通公路的1/3，1998年我国高速公路每百公里死亡率为26.9%，高于全国道路每百公里死亡率25.9%，这与世界主要发达国家高速公路交通事故死亡的事故率仅为一般公路的1/101/2的结果相差悬殊。例如英国高速公路的死伤事故率只有一般公路的1/3，城市道路的1/92。综上所述，可以对我国高速公路的安全状况作如下评价:1、我国高速公路交通事故频频，事故率高于西方发达国家，并不能体现其“安全”的优点。2、事故严重程度高，致死率大大高于国外发达国家。3、缺乏预防高速公路交通事故有效措施。高速公路的事故类型，大多数为车辆追尾碰撞事故，这是由高速
16、公路的特点所决定的。高速公路属于全封闭、立体交叉、具有中央分隔带。所以行车道上的车辆与横向车辆、行人及对面车辆相撞的事故极少。但因其车速高，所以在雨、雪天气路面溜滑或雾天视线不良等情况下很容易发生制动侧滑、甩尾或行车视距不足而导致追尾碰撞事故。在过去20-30年中，人们主要把精力集中于汽车的被动安全性方面，例如，在汽车的前部后部安装保险杠、在汽车外壳四周安装弹性材料、在车内相关部位安装各种形式的安全带及安全气囊等等，以减轻汽车碰撞带来的危害。安装防撞保险杠固然能在某种程度上减轻碰撞给本车造成损坏，却无法消除对被撞物体的伤害;此外，车上安装的安全气囊系统，在发生车祸时不一定能有效地保护车内乘务员
17、的安全。所有这些被动安全措施都不能从根本上解决汽车在行驶中发生碰撞造成破坏的问题。如果从预防撞车事故的发生的角度着眼，在提高汽车主动安全性方面下功夫，则可在汽车安全性领域有较大的突破。汽车发生碰撞的主要原因是由于汽车距其前方物体(如汽车、行人或其它障碍物)的距离与汽车本身的车速不相称造成的，即距离近而相对速度又太高。为了防止汽车与前方物体发生碰撞，汽车的车速就要根据与前方物体的距离变化由执行机构进行控制，使汽车始终在安全车速下行驶。这样就会大大提高汽车行驶的安全性，减少车祸的发生。从安全行车的角度考虑，主动防撞远远优于传统的被动防撞，只是由于成本较高目前尚不能普及。随着主动防撞技术的逐步完善，
18、它在未来的汽车上是大有可为的3。高速公路是集人、车、路、环境和管理于一体的复杂系统，引起事故的原因很多，发生的交通事故的类型也各不相同，但追尾碰撞引起的事故占最多数。对陕西省西安至铜川、西安至渭南、西安至宝鸡三条高速公路19941999年6年间1168起交通事故的原始档案资料分析研究得出：引起单纯车辆破坏的交通事故前4位的类型为追尾、撞固定物、撞停止车辆、自翻,分别占32.0、25.4、16.2、12.8。发生致伤性交通事故前4位的类型为追尾、撞固定物、撞停止车辆、自翻。分别占28.4、24.1、18.6、7.6。导致致死性交通事故前4位类型为追尾、撞停止车辆、撞行人、撞固定物,分别占25.7
19、、21.1、20.7、10，追尾是事故发生的主要类型。据统计，汽车追尾在交通事故中占到了3040，而追尾事故所造成的财产损失和人员伤亡更是占到了总损伤的60。2005年1月，深汕高速30车连环相撞导致4死38伤；12月，西安西潼高速公路10分钟追尾事故发生9起；据不完全统计，南京日均发生400起左右的交通事故，其中追尾事故大约占15，日均50起左右5。为了减少交通事故和人员伤亡，各国都在积极的研究对策，利用各种方法和措施来减少交通事故的发生。近年来由于电子技术的飞跃发展，使得相关技术日新月异，尤其是信息产业的迅速发展，使得研制高度信息化的交通安全系统有了基础，因此便出现了旨在提高现有道路利用率
20、、发挥道路交通潜能、全面提高交通运行的便捷性和安全性的新型交通系统，即智能交通系统(Intelligent Transportation System，简称ITS) 4。汽车工业的发展速度相当惊人，加入世贸组织后，我国汽车产量5年翻了一番多，由2001年的世界第七大汽车生产国跃升为世界第三大生产国，并被公认为未来发展潜力最大的汽车市场。2006年末全国民用汽车保有量达到4985万辆（包括三轮汽车和低速货车1399万辆），比上年末增长15.2，其中私人汽车保有量2925万辆，增长23.7。根据调查，愿意安装自动防撞器的人占90，按私人汽车保有量的20计算，每年需要汽车防撞系统近600万套，实施此
21、项目还可以带动相关产业的发展，解决上万人的就业问题，为社会避免因车祸带来的直接经济损失数亿元。所以可见随着我国经济得到迅猛发展，私家车拥有量快速的增长，高等级公路建设也快速发展，则不可避免的交通事故频发。这其中，事故中追尾碰撞居首位，所以研究预防汽车追尾碰撞系统就显得格外重要和具有实际意义。因此，本文研究的如何预防汽车追尾防撞系统的设计是具有实际意义的6。1.2 国内外研究的概况1.2.1国外研究述由于高速公路交通事故中，碰撞事故占有很大的比例，而且给人们的生命、财产造成了很大损失，它己经引起了世界各国的广泛关注。为了有效保障汽车安全性和使用安全性，发达国家分别颁布了汽车安全性的国际标准(15
22、0标准)、欧共体标准(ECE标准)、联合国欧洲经济委员会标准(EEC标准)和各国标准，其中美国的联邦机动车安全标准(F入IVSS)、日本汽车安全标准旧本汽车保安基准)对世界汽车安全性研究具有很重要的影响力。汽车安全性研究是汽车工业可持续发展战略中的重要项目。发达的汽车工业国家都耗费了巨大的人力、物力、财力不断研制新型的汽车安全装置，并在国家的法规、政策指导下，开发了各种安全运行的交通系统，例如仃S系统(新一代智能运输系统)等等。早在1971年美、德、英、法、日诸国的各大汽车公司在开展安全实验车ESV(Experimental Safety Vehicle )的研制，接着发展成RSV(Resea
23、rch Safety Vehicle)的研制，后来在此基础上又进行高水平的汽车综合安全系统的研究，以解决汽车安全中最根本的问题。各大汽车制造商和一些研究机构相继也开展了汽车安全性的研究。汽车安全性研究逐渐从汽车技术研究的其他领域中分离出来形成了一个独立的分支。国际上对于汽车安全防撞系统的研究始于20世纪60年代，在此后的10年时间内，以德国、日本、美国为代表的主要西方国家形成了一股研究热潮，众多科研机构与汽车制造厂家紧密合作，有多台样机问世，并有一些相应的实验结果和论文发表。但是限于微波理论及其器件的发展水平，再加上系统其它硬件成本居高不下，导致雷达系统难以做到结构简单、体积轻巧而且价格低廉。
24、况且由于汽车雷达工作环境恶劣，干扰因素众多，在实验室中制造样机时，对许多因素考虑不够全面，导致其在实际应用中工作效果不佳，不能令人满意。自二十世纪七十年代开始，日本最先进行了汽车碰撞系统的研究。日本的Smart Way计划(智能公路计划)中，提出要在车辆上采用诸如车道保持、十字路口防撞、行人避让和车距保持等智能车辆技术。2003年日本己经开始实施这个示范计划，到2015年将在日本全国范围内实施Smart Way计划。欧洲代理基金也支持纵向和侧向防撞技术研究。在欧洲等国，汽车作为他们国家的支柱性产业的发展战略的组成部分，对汽车安全性的研究一直是在有序的、有计划的状态中展开的，并且制定了近期、中期
25、、远期的规划，在国家法规、政策的指导下通过产、学、研的联合，逐步地付诸实施。各国都投人了相当的力量，实施在汽车安全技术方面的各项课题研究。在德国，维尔德黑布吕格公司光学传感器分部研制了MEAR系统2.。这种激光测距系统由3部分组成:1台传感器头(包括测距传感器和电视摄像机)，1台数据记录器和控制单元，以及1台仪表板显示单元，位于车头前的这种系统可向司机提供与其它车辆和障碍物之间的距离及相对速度数据，还可提供视频图像。为了探测车头正前方以外区域的障碍物，美国通用汽车公司正在研究一种称之为“视觉控制雷达”碰撞告警系统。该系统由1台电视摄像机来测定道路边界和曲度，再根据电视摄像机所获得的信息来控制激
26、光雷达，这时激光雷达就可随着汽车的实际路线来调整探测的方向，增加有效作用距离，实现对障碍物的最佳探测7。美国的IVI计划与通用汽车公司合作，发展一套自动碰撞预警/防撞系统并开发相关的试验系统。在欧洲和日本的某些轿车上，己经应用了适应性巡航控制(ACC-Adaptive Cruise，Control)系统，美国汽车上也将很快使用该技术。目前，ACC系统主要用于高速公路汽车速度控制上，下一代ACC系统将支持拥挤交通状况。1999年，日本三菱公司引入一套新的驾驶员预警系统，它可以进行车辆离道报警，并借助机器视觉监视车辆侧面和后面的交通情况。本田公司、尼桑公司和丰田公司也各自在先进安全性车辆计划中发展
27、了行车安全子系统，它们包括:车辆定位系统、前车距离控制系统、自动制动系统、障碍报警系统、驾驶员打盹报警系统和夜间行人报警。欧洲开放基金资助进行驾驶员的监测、道路环境的感知、视觉增强、汽车距控制以及传感器融合方面的研究。美国交通部己经开始一项5年计划，投入3500万与通用汽车公司合作开发一种前后方防撞系统。在汽车防撞系统中，前向探测传感器的性能在很大程度上决定了整个系统的防撞效果。早期，汽车防撞系统前向探测传感器大多采用的是激光雷达，日本对该项技术的研究处于世界领先水平，先后研制了单光束激光雷达、一维扫描式激光雷达、二维扫描式激光雷达。其中，丰田汽车公司与Denso公司合作开发的二维扫描式激光雷
28、达代表了当前激光雷达的最新进展，该雷达通过将激光雷达扫描回来的图像在竖直方向上进行分割，初步实现了对目标车辆上下坡道的判别与跟踪。该雷达不仅对动静态物体具有很强的辨识能力，而且，对在转弯、上下坡情况下也具有很高的分辨能力，可分辨路标、车辆、交通标志、车道线，减少在车辆上下坡时引起的目标丢失。但由于激光的散射特性，激光雷达不能适应恶劣天气环境，而且激光雷达价格昂贵，所以没有广泛的应用于汽车上。而毫米波雷达以其优良的性价比在车用雷达领域越来越受到青睐。车用毫米波雷达的研究始于20世纪60年代。典型代表是德国ADC公司生产的ASR100毫米波雷达采用脉冲测距方式，奔驰、日产、福特等汽车公司广泛开发的
29、汽车主动防撞系统以及自适应巡航系统多采用该款雷达。日本丰田公司与Denso公司、三菱公司合作开发的电子扫描式毫米波（electronically scanning MMW）雷达，采用调频连续波测距方式，结构紧凑、抗干扰性能好。它是世界上第一款采用先进的相控阵技术的车用雷达。与机械扫描雷达相比，相控阵雷达的天线无需转动，波束扫描更加灵活，对目标识别的性能优异。法国AutoCruise公司是由Thales公司与美国TRW公司联合成立的，专门从事车用毫米波雷达的研制与生产。该公司生产的AC10和AC20毫米波雷达，采用单片微波集成电路（monolithic microwave IC，MMIC）制造，
30、性能卓越、角度大、精度高，可自动对同一物体进行识别，无需进行后续信号识别处理。另外，美国EatonVord公司所生产的EVT-200，EVT-300车用全天候防撞击报警系统就采用了这两款雷达。在短短的几年间，该防撞系统已经在美国的5000辆大型卡车上装配使用。该公司还与日立公司联合开发了60.5GHz连续波调频雷达，探测范围为1120m，相对速度范围为0.4180km/h，探测方位角为水平方向6、垂直方向4，雷达功率为19W。20世纪90年代中期以来些纷纷加大对汽车安全研究投入开发出了若干实验产品，并将注意力投向了新型的汽车防撞雷达。这种新型的防撞雷达主要应用在高速公路的“AICC”即自主智能
31、巡航控制系统中。AICC的基本思想是:雷达系统通过实时监测车辆间距和相对速度信息，自动控制汽车的加速、减速或者制动，从而自动地使自车与前车间距和相对速度保持在一个安全的范围内。整个过程不需要人工控制，从而大大地减轻了驾驶员的负担，使驾驶变得更加安全和舒适。无疑，这种集电子设备与汽车结构于一体的安全辅助驾驶系统，是智能汽车防撞雷达发展的高级阶段，也是未来发展的趋势。但是就目前情况来看，国际上研制出的用于高速公路上的防撞雷达基本上都只具有向驾驶员提供危险警报的功能，为驾驶员争取一定的反应时间。许多汽车制造商也对研究部门提出建议和要求，认为就目就可以了，而且这样可以降低成本和简化系统的结构。日本各汽
32、车制造企业如丰田、日产、马自达、本田、三菱等公司，为实现其运输省提出的“发展先进的安全汽车(ASV)计划”致力于新型安全汽车技术研究开发，并取得了重要的进展。据报道，丰田公司使用毫米波雷达和CCD摄像机对本车与前车的距离进行动态监测，当两车距离小于规定值时，系统将发出直观警报信号提醒本车驾驶员。该系统的505驻车系统开关为驾驶员提供自动驻车的选择;日产公司使用紧急制动劝告系统，利用先进的车距监测系统对跟车距离进行动态监测，当必须减速或制动时，用制动灯亮来提醒驾驶员，并及时监测驾驶员操纵加速踏板的释放状态，必要时使汽车的自动制动系统提前起作用，先降低车速，在最危险时刻自动制动;本田公司使用具有扇
33、形激光束扫描的雷达传感器，即使车辆在弯道行驶也能监测到本车与前方汽车或障碍物的距离，当本车与前方的汽车或障碍物的距离降低到规定值时，若驾驶员仍未及时采取相应措施，便发出警告信号;富士重工利用2个CCD摄像机三维信息系统来识别道路标线和前方障碍物及汽车，当本车与前方障碍物或汽车的距离降低到一定值时，便自动发出信号，先自动调低车速，在紧急时自动制动，以避免发生碰撞事故。它们中的部分产品已经在载重汽车上付诸使用。德国是研究防撞雷达装置最早的国家，奔驰公司在最新型的Benz6005级轿车上，安装了距离自动控制雷达，可以在40至160公里时速范围内自动调节车速，还可以根据时速确定与前车的距离，一旦距前车
34、太近，汽车就自动减速以避免追尾碰撞。但是由于这些新技术价格过高，有关专家估计，经5一10年后，这些先进设备方能进入普及型汽车8。美国研究状况大致与德国相似，成本太高，结构尺寸太大，没有实用性，且只在一些高档车上试装了该类产品，未能完成产品化。此外，日本NEC、本田、村田制作所，德国VDO、宝马、博世（Bosch），美国德尔福（Delphi）、福特以及瑞典沃尔沃等公司都竞相研制和生产车用雷达。目前，世界上采用车用雷达的汽车产品还不多，车用雷达仅局限于在一些高档豪华轿车上应用。如：奔驰S系列、美洲虎XKR系列、尼桑Nissan的Q45，FX45系列、凌志330和430系列、奥迪A8系列，以及卡迪拉
35、克的某些选配车型。2006年9月，丰田汽车日前在雷克萨斯品牌旗舰轿车“LS460”发布会上详细介绍了车辆前方障碍物识别功能和后方车辆识别功能中使用的毫米波雷达。该雷达使用76GHz频段的毫米波，前方用的毫米波雷达左右方向的识别角为10度，配置在前格栅雷克萨斯车标后面，毫米波束利用9频道天线以电气方式进行扫描。用于后方车辆识别的毫米波雷达其左右方向的识别角高达15度，对进入30m距离内的后方车辆进行识别，毫米波束使用3频道天线以电子方式进行扫描。由于是以电子方式对毫米波束进行扫描，因此毫米波雷达的纵深尺寸也变小毫米波雷达的投影面积仅有烟盒大小。表1.2为国外几个主要公司的典型毫米波雷达产品技术指
36、标。表1.2国外几个主要公司的典型毫米波雷达产品技术指标性能参数德国（大众）瑞典美国日本英国发射频率（GHz）77777760.577方式FMCWFMCWFMCWFMCWFMCW作用距离（m）150200100120100相对距离精度（m）10.30.20.30.5相对速度（km/h）-80240-360+360未述及0.4180未述及相对速度精度（km/h）2.5未述及未述及1%1.5扫描速度（Hz）3310未述及未述及201.2.2国内研究述评我国早在二十世纪90年代就对主动安全系统的发展也表示了极大关注。据中国科技日报报道，1997年4月12日在北京召开了由我国电子工业部主办的首次智能交
37、通系统发展趋势国际研讨会，来自日本、美国和国内交通领域的著名学者、专家及企业代表出席了大会。与会代表认为，中国是经济发展中国家，车辆的发展高出慕尼黑平均速度9%，道路和车辆的不平衡发展的矛盾日益严重化，大城市环境污染也十分严重。在中国，目前高速公路建设还不是十分理想的情况下，通过高科技和安全教育来改善中国交通状况已迫在眉睫。与研讨会同时举办的国际汽车电子暨智能公路展览会上，来自全国近百家企业和科研院所展出了最新产品和科技成果。反映了我国汽车电子和交通电子产业的水平。这次研讨会和展示会对促进我国应用ITS(智能交通系统)加快交通进步及现代化起了积极作用。目前在汽车上所采用的安全措施已越来越多，越
38、来越完善，采取措施的原则是预防交通事故的发生和使事故灾难损失降到最小。同时最新研究还要求汽车应有自动记录功能报导交通事故的系统(类似于飞机上的“黑匣子”以确定汽车发生交通事故的真正原因)，这对“提高汽车安全性”措施的研究是有很大帮助的。我国汽车防撞系统的开发同国外发达国家相比，存在较大差距，到最近几年来才相继有一些科研院所和大专院校进行此方面的研究，近距离报警比如倒车雷达己在部分车辆上安装使用，但是国内目前生产的中远距离测量装置普遍达不到要求，最远距离才能达到60米，测距误差大于1米，远远不能满足高速公路的安全车距要求，许多关键技术有待于进一步解决，而且价格也比较高。90年代中期以来，我国交通
39、运输届的科学家和工程技术人员开始跟踪国际上智能交通系统(ITS)发展，交通部将智能交通系统的研究纳入了科技发展“九五”计划和2010年发展纲要，并于1998年1月成立了智能交通运输系统工程研究中心，国家科技部筹建了中国ITS政府协调小组。在国家政策的支持下，我国在汽车防撞系统研究上也取得了一定的进步。航天工业总公司8358所激光研究室采用窄脉冲半导激光测距技术，所开发的汽车防撞装置作用距离大于30米，测距精度小于1米，但仍然存在一些关键性技术问题未解决，而且价格偏高。广西大学计算机与信息工程学院及华中理工大学电信系共同研制的一种毫米波汽车雷达系统采用线性调频连续波(LFMCW)雷达体制，发射频
40、率按周期性三角波调制，前端主要包括收发天线、定向耦合器、混频器、调频振荡器，控制单元部分用单片机系统实现，由NRD波导构成的集成收发前端及小型化菲涅尔天线9。 上海汽车电子工程中心研制的SAE-100型毫米波防碰撞雷达系统样机，采用零差FMCW体制，工作频率35GHz,测距范围大于100m,测速范围大于100km/h。系统采用了增益为26dB的小型喇叭天线，发射功率40mW的波导结构前端，以及先进的DSP数据处理技术。整个系统由上下两部分构成:上面部分包括天线、前端和中频放大模块，输出信号为经过放大了的中频信号；下面部分为数据处理和显示报警模块，可以显示目标距离和相对运动速度。当目标距离小于1
41、00m时，根据距离的不同可以用三种不同的音调进行报警。1.3 论文主要研究的内容汽车智能防撞系统是一项融合汽车电子技术、现代控制技术、信号处理技术及通信技术等多学科的综合性课题，虽然国际上对于该项技术的研究已经进行了近40多年一些系统已经应用于高档豪华轿车上了，但我国在这方面的技术还相对比较落后，测距传感器性能较差，虚警率较高，性价比低等问题需要进一步解决。在倒车防撞方由于车辆运动速度较慢，传感器探测的距离较短，系统设计简单，目前已经有很多的已经成型的产品应用于汽车上，所以本论文仅在汽车前向追尾防撞方面进行了研究。本论文主要完成如下几部分工作：（1）详细分析汽车发生追尾事故的过程以及原因，对高
42、速公路的车辆追尾防撞预警系统提出功能性的要求；（2）从动力学和运动学两方面对汽车制动过程进行分析，对防撞预警系统的制动机构提出相应设计方案，建立实用的防撞预警模型,并根据汽车性能以及高速公路状况确定模型的参数设置；（3）针对系统的要求，选择合适的传感器对信号进行采集，采用高性能的AR微处理器作为中央处理器，设计相应的数据处理电路、A/D采集电路、显示电路、声光报警电路,并制作出PCB板对电路进行调试，从硬件方面可靠性设计； （4）采用C语言和汇编语言混合编程的方式对系统软件进行编写和调试，从软件方面进行可靠性设计；（5）设计实验对系统进行防碰撞实验，验证系统的各项功能。1.4 研究方法及具体步
43、骤本课题为理论研究与技术开发，在论文中采用了理论与实践相结合的方法，先从各环节的元件配置开始，基础实验和理论分析相结合，从该系统计算和试验得出有效理论依据，最后回到实践中去加以指导和改进。硬件方面：探讨各种测距传感器的优缺点，根据实际要求选择合适的测距传感器，并在此基础上选择合适的单片机与测距传感器相匹配；软件方面：在探讨行车信息采集与处理方法的基础上，进行编程调试以及验证其系统的性能和实用性，根据分析所得的数据提出合理的配置方案，并给出方案的具体元器件工作原理与所需的逻辑电路图；对报警方式进行优选和实验，将系统改进并优化，最终确定高速公路汽车追尾系统的整体方案。第二章 汽车防追尾系统的目标及
44、总体设计 2.1 汽车追尾事故分析 2.1.1 驾驶行为及过程在道路上行驶的汽车，其驾驶员、汽车和道路环境构成了典型的人一车一路系统。在该系统中，驾驶员是关键因素，对行车安全起着主导作用。根据对人行为的“刺激-机体-反应”经典模式，驾驶汽车可分为三个阶段，即感知阶段、判断决策阶段和执行阶段，如图2.1所示。汽车运行状态判断决策执行感知道路环境信息图2.1驾驶员反应经典模式（1）感知阶段。感知阶段主要通过视觉、听觉和触觉来获得道路环境和自车的运行工况信息，这一阶段主要由感觉器官完成。在感知阶段，驾驶员对己存在的道路交通信息的判别和正确理解，是随后合理进行动作的保证和基础。对于驾驶员来说，如果没有
45、完全和准确的驾驶信息和运行状态的获得，极有可能导致判断失误和动作失误，因此，驾驶状态意识在驾驶行为中相当重要。（2）判断决策阶段。判断决策阶段是驾驶员在感知信息的基础上，结合自己的驾驶经验和技能，经过分析，做出判断，确定有利于安全行驶的措施，这一段主要由人的大脑完成。识别道路交通环境中的各个关键要素是首位。在汽车行驶时，驾驶员需要知道其他车辆和障碍物在哪里，以及它们的运动状态、自己车辆的状态和运动特性。驾驶员可以从道路环境、车内显示仪表板或直接通过感觉器官来识别道路交通状态中的要素及相应特性。（3）执行阶段。执行阶段是指驾驶员依据判断决策所做出的实际反应和行动，具体指手、脚对汽车实施的控制，如
46、加速、制动、转向等，这一阶段主要由运动器官完成。这样，驾驶行为不仅是信息感知、判断和执行三个阶段不间断的多次组合，而且也是三者的连锁反应。这就要求驾驶员在非常短的时间内，根据综合判断的结果及对现有状态的认识和理解，来确定要素的瞬时或者随后状态，以便于正确的决策和协调动作。2.1.2 追尾事故分析引起高速公路汽车追尾的原因是多方面的，除众所周知的诸如车速高、制动非安全区扩大、气候条件差等易于诱发汽车追尾事故外，还有以下几个方面的原因。在追尾事故发生的前一刻时间，驾驶员获得道路环境状态信息。当速度、相对速度和两车之间的距离超越了安全距离的边界时，就引发交通事故。根据前面的分析，我们可以找出追尾事故
47、产生在三个不同阶段的原因10。（1）在感知阶段驾驶员需要知道前方车辆的运动状态和自车的运行工况，如果通过感觉器官获得的信息不准确，或者不能获得完整的所需要的信息，那么就只有依靠经验来驾驶。但是驾驶员高速驾驶条件下生理特征会发生变化：汽车驾驶员通过视觉机能从交通环境中获得80%以上的交通信息，从而实施驾驶操作。行驶中驾驶员的视觉判断能力与车速有关，车速越高，判断能力越差，同时驾驶员观察人、物的视线焦点越远，这样就容易导致车辆的追尾事故。其中对驾驶影响较大的是动视力和视野。动视力下降:其变化趋向是随车速提高而下降。动视力是指汽车在行进中驾驶员能看清物体的(最远)距离。动视力不同于静视力，静视力对同一个人来说，一般变化不大，而动视力则不然。对于同一个人，以不同的速度驾车行驶，动视力差别很大，车速越高，能看清楚的距离越短。如车速在60km/h时驾驶员看清行车前方标志的距离为240m,而当车速升至80km/h时,驾驶员则在同样条件下看清行车前方标志的距离为160m；图2.2所示是不同年龄驾驶员的动视力与车速的关系。从图2.2可以看出，对于不同年龄的驾驶员，都遵循同一规律，即车速越高，动视力越小，故容易产生交通事故；视野变窄:其变化趋向是随车速提高注视点前移,视野变窄,形成“隧道视觉”。视野是指驾驶员眼睛能看到的空间范围。汽车高速行驶时，驾驶员的视野变得很狭小。低速行驶时，驾驶员能
