汽车防撞预警系统设计.docx

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汽车防撞预警系统设计

汽车防撞预警系统设计

摘要：

随着现代社会交通运输的需求日益增长，现代汽车的行驶速度越来越快，相应的安全问题也愈发被重视。

于是有了安全气囊、安全座椅等的发展，但只是减轻事故后的人员受伤程度解决不了问题，要从源头上减少事故的发生才是根本。

电子控制技术在交通安全方面的应用发展应运而生。

本设计研究的是汽车防撞预警系统，利用超声波不易受外界环境影响且测量精度高等特点，设计出了以FPGA芯片为主控芯片的智能防撞预警系统，阐述了超声波测距的原理并设计出了所需的硬、软件系统，提出了要实现系统功能所需的关键性技术和一些相关问题。

本文中所设计的汽车防撞预警系统对于提高车辆行驶安全性，降低交通事故发生的风险从而保障安全驾驶具有重要的意义。

关键词：

FPGA芯片；超声波；测距；汽车防撞

DesignofAutomobileAnti-collisionEarlyWarningSystem

Abstract:

Withtheincreasingdemandfortransportationinmodernsociety,thespeedofmoderncarsisgettingfasterandfaster,andthecorrespondingsecurityproblemsarepaidmoreandmoreattention.Sothereisthedevelopmentofairbags,safetyseats,butonlytoreducethedegreeofinjuryaftertheaccidentcannotsolvetheproblem,fromthesourcetoreducetheoccurrenceoftheaccidentisfundamental.Electroniccontroltechnologyintheapplicationoftrafficsafetydevelopmentcameintobeing.

Thisdesignisavehicleanti-collisionearlywarningsystem,theuseofultrasoundisnotsusceptibletoexternalenvironmentandhighprecisionmeasurementcharacteristics,designedtoFPGAchipasthemasteroftheintelligentanti-collisionwarningsystem,describestheprincipleofultrasonicdistancemeasurementanddesignOutoftherequiredhard,softwaresystem,putforwardtoachievethesystemrequiredforthekeytechnologyandsomerelatedissues.Theanti-collisionwarningsystemdesignedinthispaperisofgreatsignificancetoimprovethesafetyofvehicledrivingandreducetheriskoftrafficaccidentssoastoensuresafedriving.

Keywords：

FPGAchip;ultrasonic;ranging;carcrash

摘要…………………………………………………………………………………………IAbstract…………………………………………………………………………………II

目录………………………………………………………………………………………III

1绪论

1.1汽车防撞预警系统简介

1.1.1汽车防撞预警系统定义

汽车防撞预警系统属于车辆碰撞警告系统的组件，是预防车辆相互碰撞的一种智能系统。

它会自动检测周围车辆，以便采取措施来避免与行人或障碍物的碰撞，并对驾驶员进行提示或者自动采取一系列规避行为，从而避免碰撞的发生。

该系统核心在于能精准、迅速地测出车辆与障碍物（其他车辆）之间的距离，并及时传递给控制系统，以达到避免碰撞，保证安全的目的。

1.1.2汽车防撞系统组成

信号收集系统：

运用超声波、红外线、影像、雷达等技术测出本车相对于前后车辆的运动状态以及车距。

数据处理系统：

计算机芯片收集、分析并处理信号收集系统传递过来的信息，开始判断当前状态是否安全，如果不是安全状态则启动相应的执行机构干涉当前状态。

执行机构：

执行来自数据处理系统的指令并发出警报以提醒驾驶员。

图1.1汽车防撞预警系统组成

1.1.3当前研究所面临的主要问题

如何识别是否是人为的误操作以及如何避免过度保护。

如果安全系统过于敏感的话，就会对前后所有车辆的正常靠近发出警报；如果在安全系统认为不安全的情况下，驾驶员想要超车、加速时，系统的执行机构就会进行干涉，这就会导致驾驶员忽略安全系统发出的警告，从而导致安全系统毫无意义。

1.2汽车防撞预警系统的发展现状

世界各大汽车公司，在政府支持下的大学正在进行这项研究与开发工作。

日本主要汽车制造商如丰田，日产，本田，三菱等公司，为实现其运输省的发展提出“先进的安全车（ASV）计划”，致力于新型安全车辆技术研发，并取得重要进展进展。

丰田公司则利用毫米波和雷达的测距方法以及CCD相机来监控车辆的行驶状况以及与周边车距。

当两辆车之间的距离小于指定值时，系统会发出一个直观的报警信号，提醒司机。

日产汽车公司采用紧急制动咨询系统，采用先进的车辆距离监控系统跟踪距离动态监控，当需要减速或制动时，用刹车灯提醒司机，及时监控驾驶员控制驾驶踏板在踏步状态下，必要时，汽车的自动制动系统作用下降速度，在最危险的时刻自动制动。

本田使用带有扇形激光束扫描的雷达传感器，不过即使车辆能够在行驶时检测到与前车或障碍物之间的距离，驾驶员收到一个警告信号也来不及采取适当的行动来避免碰撞。

雷达的工作频率一般是60〜61GHz左右，检测范围可达到120米，日产公司研发的雷达测距系统，使用的便是毫米波雷达的测距方式，自带有自适应巡航控制系统。

同样的，德国和法国等欧洲国家也研究过毫米波雷达技术，特别是梅赛德斯-奔驰，宝马等着名汽车制造商，雷达用于FM调频波（FrequencyModulationContinuousWave），频段选择的是76〜77GHz。

如梅赛德斯-奔驰汽车公司和英国劳伦斯电子联合开发的汽车防撞报警系统，检测距离达到150米，当实际测量车距小于安全车距时，触发声光报警器报警，并且该系统现实已经应用。

美国的汽车防撞技术的发展相对更加先进，福特汽车公司所开发的汽车防撞系统的工作频率为24.725GHz，检测范围约为106米左右。

据说，该系统理论上可以根据转弯的角度信息适应道路的转弯，只能检测车道的车辆信息，以避免目标对车道的影响。

戴姆勒-克莱斯勒的碰撞结构主要是两个测距仪和视频系统，她可以测量安全距离，发现在障碍物前面，电脑可以自动触发制动装置。

戴姆勒-克莱斯勒的实验结果表明，速度为每小时32.18公里/小时，距离障碍物2.54厘米处停车。

中国汽车防碰撞系统与国外发达国家的研究与开发存在较大差距，近年来已有若干研究机构，大学和公司厂商进行了这项研究。

雷达雷达等特写报警现在正在蓬勃发展的车辆上安装使用，但国内长距离测量的生产一般不能满足要求，距离距离远离距离远的距离误差远远不及公路安全车距离要求，还需要进一步研究。

1.3国内外汽车测距系统设计方案

1.3.1微波雷达测距方式

因其探测近距离优越的性能而广泛应用于汽车防撞及工业物位领域，但这种测距方式成本较高，经济适用性较低，对路障的检测不准确，不利于广泛应用。

1.3.2毫米波雷达测距方式

探测器发出雷达波，收集反射的雷达波，找到目标并定位，定位距离盲区没有距离，并且容易实现非常高的距离分辨率。

然而，由于干扰源，杂波消除和多目标测量要求，毫米波雷达测距在微处理器上计算，分析能力要求高，另外检测器发射机和接收机同时发挥功能，当检测距离远时，所需的功率将变得非常大，导致距离方法的距离受到限制。

1.3.3超声波雷达测距方式

作为一种非接触型检测方式，超声波的波长短，方向性强，且辐射可以定向，反射效果也比较好。

这些特点有利于以超声波作为介质来测量物体的位置，距离和形状。

超声波防撞技术是利用超声波回波距离原理，测量经过一定距离物体后，及时检测车辆前方障碍物的距离和位置，并按照安全距离、警示距离、紧急停车距离来警告或通过语音信号警告行驶车辆不同的紧急状况，驾驶人员可以采取适当措施，防止发生事故。

本设计采用就是超声波雷达测距，这种测距方式具有以下优点：

1.超声波的指向性较强，且能量损耗缓慢，因此可用于直接测量较近目标之间的距离。

2.超声波对于颜色不敏感，可用于识别玻璃等透明类的物体，抗干扰性较好；超声波同样不易受光照以及电磁干扰，因此可在黑暗或雾霾严重、电磁干扰较强烈等环境下工作。

3.超声波传感器的结构较为精简，占用体积小，成本低，信息处理方式简单可靠易于集成制造，且方便进行实时控制。

1.3.4激光雷达测距方式

这种测距方式的工作原理和微波雷达测距方式较为相似，测距方法可分为连续波测距和脉波测距两种。

连续波相位测距是无线电频段的频率，激光束的幅度调制和调制光线由单相延迟产生的线，然后转换成波长调制的相位延迟表示为距离，确定光线通过所需时间的方法。

通过测量往返脉冲之间的距离来判断激光脉冲的可测量范围。

时间测量方法是使用时钟脉冲来填充时间和终点之间的计数。

这种方法非常准确。

1.3.5红外线雷达测距方式

红外线是一种肉眼无法观察到的光波，其波长比其他可见光长，穿透性较强且具有显著的热效应。

同时任何时候任何物体都会发出红外线。

红外线测距方式和激光雷达以及超声波测距的原理基本一致，都是通过波长以及反射波返回的时间从而确定目标之间的距离，红外线测距技术相对较为困难，所以尽管这种系统成本不高，但由于红外线传感器是基于测量传感器附近物体的热量来检测间距，因此系统响应时间过长的缺点，使司机得到预警时通常已来不及避免碰撞，这就限制了其在汽车防撞预警系统方面的广泛应用。

1.3.6基于视觉的智能防撞

视觉信号能以最为全面的方式概括道路上能接触的所有信息，并且可以充分利用待识别的道路和车辆的特点和特征，特别是对于道路通畅、场景明亮、目标明显的情况下，只需使用适当的图像处理就可以高效地实现对目标车辆或障碍物的间距检测，并且相机的成本相对于激光、雷达等要低得多。

因此，使用视觉信号来进行汽车自动驾驶并智能防撞是自控智能车辆发展的最佳方案之一。

1.3.7汽车互通信测距系统

无线网络技术的应用使车辆通信系统可以克服视野盲区，如当通过弯道时。

以ZIGBEE为基础的基于GPRS的WCDMA和基于GPS的防碰撞预警系统为例。

该系统具有以下优点：

（1）无盲区地收集周边信息；

（2）使用GPS观测可以不受时间、地理位置等因素限制，不间断地进行检测工作，并且随着GPS精度的不断提高，基本可以完全替代光学传感器；（3）成本低。

GPS开始普及大众，车主不需要安装多余的测距仪器，从而降低了防撞系统的成本；（4）抗干扰性强，密封性好。

1.3.8多传感器组合防撞系统

充分利用多种传感器资源，将来自多个信息来源的数据进行校准、组合、关联、合并、将包含不同类型或形式数据的相似特征，按照某些原则和方法进行比较，权衡和综合判断，获得一致的解释或描述的被测物体。

优点：

1.可靠性提高。

2.适用时间空间区间变宽。

3.提高实时处理能力。

这类信息融合防撞系统代表有：

1.基于GPS与ZIGBEE无线网络通信的防撞系统

使用GPS进行定位，然后将数据通过ZIGBEE无线网络来传输，报告尾部控制器根据机器等内部维护机器的GPS定位信息计算出两辆车的相对距离，相对速度，最后根据默认维护大型机器的安全参数来确定碰撞的风险，输出相应的尾部报警信息。

预警距离100-1000M。

但易受天气影响，成本高昂。

一般用于火车等。

定位精度较高。

2.基于机器视觉和激光测距的防撞系统

车载摄像机和激光测距车辆碰撞避免系统可以自动测量车辆与前车的相对距离及相对速度，然后根据安全距离进行计算，危险判断，及时提醒司机采取适当的行动来避免汽车必须崩溃。

使用立体视觉图像和激光测距克服单传感器的可靠性低，有效检测范围小缺点，从而确保系统随时提供完整可靠的信息，几乎没有不准确的距离和速度。

1.4本课题研究的主要内容

车辆安全的核心问题是通过在车辆上安装各种传感器来对车辆的正式参数进行实时监控。

检测得到的车辆相关信息的可靠性以及准确性也是应该考虑的核心问题之一。

对于防撞警告系统，选择距离测量模式和数据处理方法非常重要。

汽车雷达测量过程中存在很多干扰，目前的碰撞系统生产有两个基本问题需要解决：

信号实时问题：

将雷达作为车辆安全的重要组成部分，其实时性非常重要。

本文选用了FPGA芯片作为信号数据核心处理器，这种芯片可同时执行不同工作，有利于提高系统的时效性，使系统更加可靠，还可以同时进行多个数据的传输，以便及时得显示当前车辆的驾驶状态。

2汽车防撞预警系统总体设计方案

2.1系统设计方案

设计汽车防撞预警系统主要是测得前方汽车与本车之间的距离，系统的关键是采集到超声波发射器经过发射和反射后的超声波，此信号中包含有前方运动障碍物的距离，CPU采集到这些外部数据，经过快速的分析判断是否属于安全距离范围内，若小于安全距离则发送警报命令提示驾驶员。

汽车防撞预警系统整体包含发射超声波探测前方障碍物的超声波探测器，信号数据处理器，显示屏，蜂鸣报警器等。

图2.1超声波模拟图

图2.2基于超声波的汽车防撞原理框图

超声波距离测量系统由发射电路、接收电路、显示电路等核心模块以及一些辅助性功能电路组成[1]。

使用发射机分离发射和接收电路有两个优点：

一个是发射信号不与接收到的信号重叠；二是探针被放置在适当的位置，能避免其他物体对超声波反射的干扰，从而提高系统的应用。

汽车行驶使用的超声波防撞系统，是利用超声波能够在空气中进行传播和反射的原理，通过发射和接收相关信号，然后根据接收到超声回波的时间差和超声波的传播速度来计算超声波传播距离再除以二得到的就是汽车和障碍物（前车）的间距。

2.2超声波传感器的选择和测距原理

2.2.1超声波传感器的选择

超声波的振动频率在20KHZ以上，已经远远超出了人耳的听觉极限。

为了确保本设计的可行性，选用的是现有的模块化系统。

由于传感器信号是由FPGA芯片产生的3.3V的TTL方波信号，所以最终选用的传感器的额定工作电压不能太高，当然也可选配变压器或者继电器；该设计是用于收发器集成超声波测距系统的车辆，体积不应该太大。

传感器的主要性能要求有：

（1）灵敏度：

它主要取决于模块本身。

机电的耦合系数和传感器的灵敏度成正比。

（2）工作温度：

可以在较低温度的坏境下长时间工作而不会发生故障。

（3）工作频率：

压电晶体的谐振频率。

如果灵敏度达到最高，则交流电压两端的频率和芯片谐振频率等于此时的输出能量最大。

表2.1超声波传感器模块电气参数表

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电压

DC5V

工作电流

15MA

工作频率

40HZ

最远射程

4M

最近射程

2CM

测量角度

15度

输入触发信号

10US的TTL脉冲

输出回响信号

输出的TTL信号与射程成一定比例

规格

45*20*15MM

高度集成的小尺寸超声波模块，仅提供FPGA使信号能够接收到返回信号正常使用测量距离[2]。

电气参数如表2.1。

该模块工作状态时会自动且连续地发送8个频率为40KHZ的脉冲，然后自动检测回响信号，工作过程如下图：

图2.3HC-SR04模块工作时序图

由上图可得。

我们只需要提供超过10US的脉冲触发信号，模块就会在八个40KHZ的周期内自动发出注释并检测回响信号[3]。

当检测到回响信号时，输出回波信号。

回波信号的快速响应与检测到的距离成比例。

由此通过对晶体进行计数然后获得其时间间隔，就可以计算出需药测量的距离。

2.2.2超声波的测距原理

GALT公司和PELLAM公司在1946年首先提出了一种叫做脉冲回波法的测距方法，该测距方法的原理是利用超声波会在物体表面发生反射的特性来测距。

超声波信号由传感器向外发射超声波信号。

同时自动检测反射回来的信号，并记录从发送超声波到通过晶体计时码表接收回波的时间，通过下列公式：

可计算出被测物体与传感器的间距。

原理如图2.4所示：

图2.4超声波测距原理

图中S为被测距离，L为两个传感器的探头中心距的一半，根据勾股定理可得：

当S远大于L时

超声波的传播会受到很多因素的影响，为了简化数学模型，通常情况下只需考虑温度对超声波传播的影响，遵循以下公式：

C是声速，T是温度（摄氏度），K是常数273.16[4]。

2.3传感器位置

距离测量系统的发射器和接收器的头部应当在同一条直线位置上，此为超声波反射型的分离结构。

距离和角度误差引起的衰减问题和通信过程中的超声信号引起的，发射探头和接收器探头不能分开太远，为了避免发射和接收信号的干扰，不能太靠近。

根据以往的经验来看，传感器的发射探头和接收器应当放置在离中心轴4至8厘米处。

发射机超声波范围模块在波形启动定时器开始接收回波，导致负跳转到微控制器中断，微控制器做出反应并立刻停止计数。

可通过计算超声波在空气中的传播时间来计算时间差，从而计算距离。

2.4设计方案的论证

超声波探测技术主要用于中距离测距，结构测试，智能控制等领域，超声波换能器是核心部件，传感器根据其工作介质可分为气相，液相和固相传感器;传输光束宽度可分为宽光束和窄光束传感器;根据其工作频率可分为38KHz，40KHz等不同级别。

本设计采用40KHz超声波换能器。

超声波测距最常见的两种方法分别是计算强度法和反射时间法[5]。

本设计所采用的就是反射时间法。

反射时间法是通过计算超声波从发射出去直到被障碍物（被测物体）反射回来的时间差展开计算的[6]。

在距离较短的情况下,可以将声速作为一个常数来计算。

我们使用公式T=V*（T/2）来计算回波时间的这种方法不会受到其他声波的影响，因此可以直接进行信号耦合，非常适合用于短距离测量。

本篇设计中使用的就是这种方法。

2.5FPGA对于设计的必要性

FPGA是一种半定制的集成电路，具有良好的实时性，结合当代计算机技术可以直接将控制程序写入的可封边快捷的构建数字系统。

FPGA芯片采用硬件语言编写，具有较强的逻辑结合能力和时序控制能力。

虽然没有指挥控制系统，但其控制能力也相对较弱，因此对于通信接口，特别是对于不同的速率，不同协议的高速通信接口可以桥接和耦合。

运行快速记录非常快。

FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY即现场可编程门阵列，简称FPGA，是种基于CPLD技术开发的器件开发系统。

他利用电脑辅助设计，绘出用户逻辑示意图，硬件描述语言等的实现，内存设计输入，满足用户满足专用集成电路的要求，真正满足用户自己的设计，开发和自主生产的集成电路其显着特点是高速，高密度，小型化。

从几万到几千万门系统门系统的周期性密度，使得这种系统的性能可以达到几十兆赫兹。

这种非常灵活的设计让它可以重复无限次的编程，并进行现场仿真调试来进行验证，从而极大地缩短了电子系统的开发周期。

2.6FPGA的结构、工作原理和选型依据

目前主流FPGA厂商有ALTER，XILINX，ACTEL，LATTICE四种[7]。

芯片的基本结构主要由可编程I/O单元，基本可编程逻辑单元，嵌入式ARM，丰富的布线资源和底层嵌入式单元等组成。

如下图所示：

图2.5FPGA芯片结构

（1）可编程I/O单元：

是芯片和外部电路接口端，用来满足输入和输出信号驱动器所需要的不同的电特性。

（2）基本可编程逻辑单元：

可以根据设计任务的具体要求修改链接和配置设置的内部部分，以完成更多的逻辑功能。

（3）嵌入式ARM块：

FPGA芯片上基本都装载有ARM，该模块提高了FPGA芯片的灵活性以及应用范围。

FPGA嵌入式ARM块可以灵活地配置单端口、双端口、伪双端口以及FIFO，CAM等常用内存结构。

（4）丰富的布线资源：

布线资源联通芯片所有的资源在连接长度和过程中确定信号对连接驱动器的容量和传输速度。

FPGA中的接线资源根据大小和过程分为不同级别。

在该过程中，不需要设计人员来选择接线资源，而是由系统来布线并自动路由联通底层单元模块。

（5）底层嵌入式功能单元：

这个单元是FPGA芯片生产厂商应用在DLL/PLL等硬件电路中的具有较高水平的嵌入式功能模块，通常用以完成系统中所需的时钟功能。

发展趋势是芯片中集成的DLL和PLL资源越来越丰富，功能复杂，包括DSP和CPU，传统的硬件设计意味着逐步过渡到系统设计平台。

（6）嵌入式专用内核：

主要是指一些较不常见的，并不是所有的FPGA芯片都包含在硬核中。

基于以上几种考虑，本设计采用的ALTERA公司生产的APEX2系列EP2A15B724C8型FPGA芯片具有以下几个主要特点：

●具有1GBPS的TRUE-LVDS功能和额外的624MBPS灵活LVDS通道，可为高性能差分I/O输入和输出通道提供多达124个支持。

●支持常用的LVPECL，LVDS，PCML等耦合逻辑的编写，并且支持HyperTransport连接技术。

●采用最新的0.15MM全通制造工艺，与使用铝互连技术的制造设备相比，采用各层铜互连技术的器件性能可提高30〜40％。

●采用0.15MM晶体几何管技术，可集成芯片超过89,000个逻辑单元和1.5MBITS片上RAM。

●特别是集成POS-PHYL4，UTOPIAL4，FLESBUSL4，RAPIDIO和HYPERTRANSPORT支持功能，可与数据路径ASSP，数据包处理器，主要应用高速总线接口，处理器等设备配合使用接口

●该器件的密度范围为16640个逻辑单元和425984个MEMORYBITS片上RAM。

完全基于BGA封装技术，引脚间距1.27MM。

2.7显示器件的选择

对于显示器件有如下方面的考虑：

LCD显示屏和LED应用最广泛，LCD显示屏功耗低，体积小，重量轻，可显示汉字，与LCD相比清晰美观，虽然LED价格便宜，但是无法显示汉字，因此不予采用。

经过以上考虑，本设计采用了1602LCD液晶显示器来作为系统的执行单元，用来显示测距距离。

其主要技术参数如下表：

表2.2显示器参数

显示容量

16

2个字符

芯片工作电压

4.5~5.5V

工作电流

2.0MA（5V）

最佳控制电压

5.0V

字符尺寸

2.95

4.35MM

2.8本章小结

在整体设计中，各个模块的设备选择对于整个系统的设计都十分重要。

本章还详细介绍了其他模块：

数据采集模块和执行模块的选择基础以及选择的优缺点以及超声波距离测量原理。

通过引入FPGA相关知识，描述了使用FPGA芯片的必要性，分析了FPGA的结构和工作原理，这是FPGA选择的基础。

3系统硬件设