汽车防撞系统.docx

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汽车防撞系统

摘要

随着社会的发展，经济的进步，越来越多的汽车涌上了街头，随之带来交通事故的增多。

因此汽车防撞系统受到了跟多人的重视。

而由毫米波雷达、激光雷达以及CCD立体视觉系统组成的汽车防撞系统因成本高而无法应用与普通的汽车。

超声波测距系统组成的汽车防撞系统，具有成本低、受外界影响小的优点，因此研究大作用距离超声波测距系统组成的汽车防撞系统具有十分重要的意义。

本文采用超声换能器组成的超声波测距系统设计实现汽车防撞系统。

整个系统包括超声波发射与接收系统，单片机控制器，LED显示部分，扫描驱动部分。

关键词：

汽车防撞系统超声换能器大作用距离测距系统

Abstract

Withthedevelopmentofsocialandeconomicprogress,anincreasingnumberofcarsappearonthestreets,whichbringmoreandmoretrafficaccidents.Asaresult,vehiclecollisionavoidancesystemsarepaidgreatattentionto.Butthevehiclecollisionavoidancesystemcomposedofmillimeter-waveradar,laserradarandCCDthree-dimensionalvisualsystemaretooexpensivetobeusedinordinarycars.ThevehiclecollisionavoidancesystemusingUltrasonicRanginghastwogreatadvantages,suchaslowcostandnotsubjecttooutsideinfluence.Sothestudyofvehiclecollisionavoidancesystemcomposedofultrasonicrangingsystemissignificant.

Inthispaper,thevehiclecollisionavoidancesystemcontainsultrasonicrangingsystemcomposedofultrasonictransducer.ThesystemconsistsofUltrasoniclaunchingandreceivingsystems,SCMcontroller,LEDdisplaypartandthescanningdriver.

Keywords:

AutomobilecollisionavoidancesystemUltrasonictransducerLargesensing-rangeDistancemeasurementsystem

第一章绪论

随着社会经济的发展，越来越多的人拥有了自己的私家车，越来越多的汽车涌上了公路，可随之而来的是交通事故也越来越多，不少人也因此谈车色变。

作为主动式车辆安全系统之一的车辆防碰撞系统受到国内外汽车研究人员的高度重视，也取得了很多成果。

防碰撞系统主要用在追尾碰撞系统、侧防系统、倒车雷达三个方面。

其中倒车雷达技术比较成熟，成本也比较低，在世界各地都有广泛的应用。

世界多个知名汽车制造商也都有成功的研究与应用，但是价格还比较高，未能在中、低档车中推广，还需要进一步完善、降低成本。

超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同振幅的低频声波，非接触式超声测距传感器正是利用超声波的这种特性而制成的。

在空气介质中，超声波测距传感器的性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体的影响，而且价格低廉、使用方便。

因此，在物位测量、车辆安全行驶辅助系统、机器人自动导航、无人作战平台、地形地貌探测乃至江河水位高度监测等许多领域，超声波测距传感器都得到了广泛的应用。

此外，由于超声波在水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。

为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器、探讨新的超声波信号处理方法，对于推动超声波换能器技术与超声波检测技术的发展，都具有十分重要的现实意义。

1.1研究背景与课题来源

随着世界各国汽车持有量的不断增加，车辆碰撞事故也随之增多，尤其在城市道路和高速公路上发生的交通事故更是与日俱增。

自适应汽车防碰撞技术和汽车主动防碰撞预警系统以及与此相关的测距技术正是在这种背景下提出的，并己经成为当前车辆工程和测控技术领域中关注的一个热点研究课题。

近十年来，欧美大汽车公司资助研制的汽车防碰撞装置，一般倾向于使用毫米波雷达作为车载前视测距传感器。

这是因为毫米波雷达能够探测远距离物体，使车载控制器有足够的时间来处理和利用感知信息，以防止车辆发生追尾碰撞或与前方障碍物发生碰撞。

然而，更多的碰撞事故是发生在车辆换道、拐弯或倒车的瞬间，而不仅仅局限在车辆向前高速行驶过程中。

这就要求汽车主动防碰撞系统具有识别车辆周边物体、提前预报险情或自动保持安全行驶距离的基本功能。

由于常见的超声波测距传感器的作用距离太短，只能用于探测近距离（l~5m）目标（如泊车或倒车防撞报警装置中的超声波探头），而不适合用于探测靠近车辆的周边物体（大于15m）。

为此，国外一些著名的汽车公司正计划在汽车上安装一种近程雷达，它最多可以感知车辆周边20m范围内的8个物体。

这种额外获取的路况信息，可用来启动汽车防碰撞系统，实时地估计车辆与周边物体的相对距离和速度，以判定是否存在行车事故危险，并及时地发出警告或采取必要的应急措施，以避免发生车辆碰撞事故或减轻车辆发生碰撞的后果。

但是，近程雷达的价格昂贵，限制了它在普通汽车上的推广应用。

因此，研制和开发具有高性价比的超声波测距传感器和目标探测系统，必将推动具有全方位探测功能的汽车主动防碰撞系统的发展与普遍应用。

同时，这种技术也可以推广应用于无人作战平台或现场机器人的目标自动识别系统。

1.1.1各类车载测距传感器及其性能

为了便于在后续章节中说明大量程超声波测距系统研究课题的应用价值和意义，首先必须了解当前车载测距传感器技术领域的研究状况与发展趋势。

下面，简要介绍常见的车载测距传感器的类型和技术指标，如表1-1所示。

一般来说，单一传感器的感知信息都有一定的局限性。

为了提高汽车主动防撞系统对周边物体的识别能力，需要引入多传感器信息融合技术，把分布在不同位置的多个传感器或不同类型传感器所提供的局部观测量加以融合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，以形成对周围环境相对一致的感知描述，从而确保汽车主动防碰撞系统能够可靠地运行。

例如，如果将车载前视毫米波雷达、双前视激光雷达、超声波传感器阵列以及CCD摄像机提供的信息进行融合处理，那么，在虚警概率一定的前提下，可以大大提高车载感知系统对移动目标的检测概率。

1.1.2课题的提出

鉴于目前国内小型化毫米波测距雷达的研制和试验还处于起步阶段，是以开发基于毫米波雷达的国产化汽车主动防撞系统的条件尚未成熟。

本课题的主要任务是研制大作用距离超声波传感器和大量程超声测距系统，用于探测距离车辆20m或更大范围内的周边物体，以取代价格昂贵的近程雷达。

表1-1常用车载测距传感器

类型

性能指标

用途

适用环境

价格

毫米波雷达

（体积小）

作用距离：

100m（美国）

150m（欧洲）

测距精度：

±0.5m（满量程）

测速范围：

±160km/h

测速误差：

≤1.5km/h

纵/横视角：

4°/8.8°

更新速度：

20Hz

前视测距测速

不受大雨，大雾和沙尘爆等恶劣气候环境的影响；不能探测前方斜面物体

成本高

激光雷达

（体积小）

测距范围：

1~150m

测距准确度：

0.1m（满量程）

纵/横视角：

3°/6°

更新速率：

10~20Hz

前视测距

受环境变化影响大；对被测物体反射面的粗糙度和斜度有较高的要求。

成本较低

CCD立体

视觉系统

（像素640×480）

测距范围：

3~25m

测距准确度：

0.3m（满量程）

采样速率：

33帧/秒

周边测距

受光照，路面背景，粉尘，烟雾及雨雪天气等环境因素的影响大；可探测前方测斜面物体。

成本较高

超声波测距传感器

（体积小）

测距范围：

0.3~10m

测距精度：

±0.1m（满量程）

波束宽度：

10°

更新速率：

15Hz

后视测距

不受大雨，大雾和沙尘爆等恶劣气候环境影响；不能探测前方斜面物体。

成本低

超声波换能器的结构、超声波发射电路的机电能量转换效率和超声波接收器的信噪比以及超声波信号处理算法等因素，均对超声波传感器和超声波测距系统的性能产生影响。

因此，为了能够研制出频带宽、量程大（20~30m）、指向性好和响应速度高的超声波测距传感器和超声波测距系统，必须从以下四个方面采取措施：

其一、优化换能器的机械结构、发射电路和机电阻抗匹配参数，以提高超声波传感器的机电能量转换效率；其二、选择适当形式的压电振子，使其谐振频率尽可能地处于较低的频段上，以减小超声波传播过程中的能量衰减；其三、尽可能增大超声波换能器的辐射面积，采用恰当的声学阻抗匹配技术和特殊的换能器结构，以增强超声波换能器的指向性、拓展超声波传感器的工作频带；其四、设计低噪声、高阻抗超声波接收电路，并采用先进的数字信号处理方法，以提高超声波测距系统的处理增益和实时性。

解决上述问题涉及到机械、电子、声学和信息技术以及制造工艺等多学科知识的综合应用。

因此，超声波测距技术的任何进展，必将推动与之相关的技术和信息化装备系统的进步与发展。

1.2汽车防撞系统的现状

从上个世纪90年代以来，世界各国投入人量人力、物力从事汽车防撞系统的研究，目前已取得了显著的成果，开发了若干新产品，使汽车的行驶安全性人人提高。

汽车防撞系统是一种能向驾驶员预先发出视听警告信号的探测装置。

它安装在汽车上，能探测到接近车身的行人、车辆或周围的障碍物；能向驾驶员及乘员提前发出即将发生撞车危险的信号，促使驾驶员采取应急措施来应对特殊险情，从而避免损失。

通常，汽车防撞系统由多个传感器、天线、微处理器和数字式信号处理器组成。

传感器能向驾驶员提供车辆前、后、两侧及相邻车道可能发生意外事件的即时信息。

它采用固态砷化镓单片微波集成电路，能产生24000MHz的雷达信号，并采用调频连续波信号形式，这种信号形式不需要相对运动便可探测到目标。

同时，车上安装的每个传感器均能全天候工作，并均配置对应的目标指示信号灯和蜂鸣器。

这些传感器的电源来自控制显示装置。

该装置一般位于汽车仪表板附近，包括主电源开关和每个传感器的促动开关。

各车载传感器依据探测到的目标状况向驾驶员发出视听警告信号，即传感器一旦探测到人员或物体，黄色信号灯即开始频闪，同时蜂鸣器发出蜂鸣声报警。

灯光和声响的循环周期与车辆、人员及物体靠近车身的距离成比例。

微处理器对传感器的未处理回波信号进行整理和综合，并优化对入射信号检测的灵敏度和识别过程，指示灯和蜂鸣器根据其发送的指令向驾驶员提供指示。

数字信号处理器具有控制、自校准、输出和故障自诊断功能。

美国德尔科电子公司开发了多种汽车防撞装置可供实际使用。

在演示现场，德尔科电子公司的科技人员将前传感器安装在距离地面0.85m，车首大灯的两侧，它能扫描车辆前进路线上即将遇到的障碍物，其前方有效探测距离为28m，。

前传感器的窄波束能区别位于同一车道上的车辆和物体与相邻车道上或道路旁的车辆和物体