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烟台汽车工程职业学院学生毕业论文

浅谈高速公路汽车防追尾雷达

学生姓名：

刘强

入学时间：

2009

专业名称：

汽车电子技术

班级：

09汽车电子

指导教师：

王万军

职称：

讲师

烟台汽车工程职业学院

二〇一二年五月

浅谈高速公路汽车防追尾雷达

摘要

高速公路与一般公路相比，它具有车速高、通行能力大、运输费用省、行车安全等四大优点，其中车速高是其最显著的优点，然而较高的车速同样也造成了高速公路事故频发的现状。

追尾是发生频率较高的交通事故，仅七月份大队辖区内共发生57起交通事故，其中追尾事故占70%以上。

尤其是近期暴雨天气频发汽车追尾事故更是大幅度增加。

本论文对各种雷达的类型，从构造.使用环境等方面进行了系统的总结，从动力学和运动学等方面详细分析了汽车的制动过程，根据汽车的运动状态及环境选择比较实用、简单的汽车防追尾雷达模型。

根据对追尾碰撞事故原因的分析，制定出符合现代汽车防追尾雷达系统。

论文对系统所需的雷达系统进行了分析、比较和选型。

针对我国高速公路汽车行驶的情况对系统应用的环境，性能要求做出了分析。

关键词：

防撞系统制动数据防撞雷达

目录

0.前言.........................................................1

1.汽车防追尾雷达系统的类型

1.1汽车雷达的类型1

2.汽车制动分析..........................................................6

2.1汽车制动原理6

2.2运动学中制动过程分析10

3.高速公路汽车故障分析

3.1高速公路事故分析16

4.选取汽车防追尾雷达系统

4.1雷达系统对比18

4.2毫米波雷达系统19

4.3汽车防追尾系统.....................................................22

5.汽车防追尾雷达的前景

5.1前景......................................................24

6工作总结及展望25

参考文献.....................................................26

致谢..........................................................28

0前言

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、信号处理技术及网络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，前向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。

在倒车防撞方面，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，目前已经有很多成熟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。

论文详细分析了汽车追尾事故形成的原因及汽车在制动过程中动力学和运动学的特性，结合汽车在高速公路中行驶的特点，选取合适的参数,根据雷达的类型;建立汽车追尾防撞雷达系统。

1汽车防追尾雷达的类型

1.1汽车用雷达类型

.1.1.1超声波传感器

声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

　　（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

超声波一般指频率在20kHz以上的机械波，它具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点，超声波传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高频信号（40-80Hz）来激励。

工作时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路一个短脉冲。

超声波接收器则在接受到遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。

最后由信号处理装置对接受的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与被测物体的距离。

其主要优点是成本较低、尺寸较小；主要缺点一是有些目标物（如土壤和草木等）的反射信号很弱而无法探测。

二是声波在空气中的传播时间随温度而变化，因此，超声波传感器用在温度范围较大的场合时，必须进行温度补偿。

故超声波传感器一般应用在短距离测距上，最佳距离为4-5米。

在汽车上主要用于倒车防撞系统。

1.1.2激光雷达传感器

激光雷达有脉冲式和连续波式两种。

从20世纪70年代开始，激光测距传感器就被用于机器人领域。

迄今为止，几乎所有的机器人都使用了激光测距传感器，而且已被应用到智能车辆领域，主要用来检测障碍物、获取环境三维信息。

例如美国卡梅隆（CMU）大学研制的所有类型的智能车辆都使用了激光测距传感器。

最早的激光测距传感器都是发出多股激光光束，并依靠前行车反光镜的反射时间来测定其距离。

但是由于要求对前方车辆进行辨别，因而开始采用扫描式激光雷达。

这样，不但前方车辆的距离可测，而且其横向的位置也可以检测出来。

目前大部分车载激光测距传感器都是扫描式的。

脉冲式激光雷达采用短的、大功率红外光脉冲，根据光脉冲所需的传播时间确定被测距离。

连续波激光雷达是把光调幅在约100MHz的正弦波上，根据发射光之间的相位差来推算被测距离（也称作相位法测距）。

脉冲激光雷达信号处理比较容易，其应用最为普遍。

由于光束一般很集中，激光雷达主要用于大范围直线距离的测量。

激光雷达量程大、方向性强且响应时间快，但成本高、易受外界环境（如能见度低、传感器表面有泥土）的影响。

同时，全天候性能低于微波和毫米波雷达；波束窄，搜索目标困难；效率低，技术上的难度大且一些关键技术不够成熟。

1.1.3连续波雷达传感器

连续波雷达采用频率调制的高频电磁载波（一般为微波频率或者更高、通常为锯齿形信号）。

比较发射信号与反射信号，可得到与被测距离成正比的频率差。

利用返回信号的多普勒偏转还能确定被测物体的相对速度。

该项技术己广泛应用，特别是用在能见度低的环境中。

连续波雷达的突出优点是能穿透泥土和飞溅物“看到”物体；并且窄波束和宽波束均可使用，因而能够把波束宽度调制得适于特殊用途。

其主要缺点是微波和毫米波频段的电磁装置成本相对较高。

另外，用电子学方法对相对窄的、探测距离大的波束进行扫描能得到更大的测程和波束宽度，但复杂度和成本随之增加。

.1.1.4单脉冲雷达

单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。

它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。

单脉冲雷达通常有振幅比较单脉冲雷达和相位比较单脉冲雷达两大类。

它有较高的测角精度、分辨率和数据率，但设备比较复杂。

单脉冲雷达早在60年代就已广泛应用。

单脉冲雷达发射的无线电磁信号不是连续波，而是很短的矩形脉冲电磁信号。

在发射脉冲之后，接收器按一定的时间间隔对返回信号进行采样，以确定前方物体的距离。

单脉冲雷达的主要优点是用频率很低的低成本电子装置就能获得与连续波雷达相同的分辨率；并且在环境（雾、泥土等）适应性方面优于光学技术。

由于需要宽频带的接收器，故单脉冲雷达容易受到外界电磁干扰。

.1.1.5电磁式传感器

磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感器的最早的一种应用。

但是作为现代的传感器，为了便于信号处理，需要磁传感器能将磁信号转化成为电信号输出。

应用最早的是根据电磁感应原理制造的磁电式的传感器。

这种磁电式传感器曾在工业控制领域作出了杰出的贡献，但是到今天已经被以高性能磁敏感材料为主的新型磁传感器所替代。

电容式传感器：

把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。

它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。

其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。

若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA／δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。

δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。

因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。

极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化（见电容式压力传感器）。

面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。

介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。

电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。

缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。

电容式传感器对大多数含有绝缘材料的物体灵敏，其主要缺点是在很小量程下有效；尽管其探测距离有限，但其成本很低；且不受外界环境（如泥土和飞溅物）影响。

因为电容变化取决于所测物体的绝缘特性，所以此类传感器不能用来确定绝对距离。

.1.1.6视频成像系统

测距用视频成像系统是以CCD摄像机观测物体移动为基础的。

物体在被观测区域横向或上下方向移动就决定了物体的位置。

通常物体上需要有给图象处理软件提供物体行踪的可视条（如白色十字）。

实际距离的测量取决于预先输入的详细的所跟踪物体的几何信息。

该系统在汽车行业也得到了广泛的应用，利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体的之间距离。

只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视装置，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。

为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。

双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。

但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。

随着计算机软硬件性能的提高，最终将得到广泛的应用。

1.1.7毫米波雷达

毫米波雷达使用毫米波（millimeterwave）通常毫米波是指30～300GHz频域（波长为1～10mm）的。

毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。

同厘米波导引头相比，毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。

与红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候（大雨天除外）全天时的特点。

另外，毫米波导引头的抗干扰、反隐身能力也优于其他微波导引头

在电磁频谱领域中，介于厘米波（微波）和红外光谱之间的电磁波通称为毫米波作为长距离传感器，与其它方式相比，毫米波式具有以下特点。

1）探测性能稳定

与光学式相比，它不易受对象物表面形状和颜色的影响；与超声波式相比，它不受大气紊流的影响。

2）环境适应性好

受雨、雪、雾、阳光、污尘等的干扰小。

探测性能下降少。

此外，与30GHZ以下的微波比，毫米波频率高、波长短，具有以下优点：

（1）可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰。

（2）多普勒频移大，相对速度的测量精度高。

（3）天线和离频装置小，利于装载。

2汽车制动分析

2.1汽车制动原理

2.1.1汽车在减速过程中车轮的受力分析

图2.1制动时车轮受力

假设滚动阻力偶矩、车轮惯性力和惯性力偶矩均可忽略图，则车轮在平直良好路面上制动时的受力情况如图2.1所示。

制动器制动力

等于为了克服制动器摩擦力矩而在轮胎轮缘作用的力。

其大小为：

（2.1）

式中：

是车轮制动器摩擦副的摩擦力矩。

制动器制动力

是由制动器结构参数所决定的。

它与制动器的型式、结构尺寸、摩擦副的摩擦系数和车轮半径以及踏板力有关。

从力矩平衡可得地面制动力

（2.2）

地面制动力

是使汽车减速的外力。

它不但与制动器制动力

有关，受地面附着力

的制约。

图2.2地面制动力、车轮制动力及附着力的关系

当下制动踏板时，首先消除制动系间隙后，制动器制动力开始增加。

开始时踏板力较小，制动器制动力

也较小，地面制动力

足以克服制动器制动力

，而使得车轮滚动。

此时，

=

，且随踏板力增加成线性增加。

但是地面制动力是地面摩擦阻力的约束反力，其值不能大于地面附着力

或最大地面制动力

，即

  （2.3）

式中：

：

为附着系数，

：

为地面对车轮的法向反作用力。

2.1.2滑移率

汽车在制动过程中，车轮在路面上是边滚边滑的过程：

车轮未制动时，可以认为车轮是纯滚动状态。

当车轮抱死时，车轮在路面上的运动处于纯滑动状态。

为了定量描述车轮的运动关态，引入车轮滑移率S这一参数，用来表明车轮滑动成分的多少。

滑移率S的定义为

（2.4）

 式中V：

车轮中心的速度即汽车车身的速度

Ver.：

车轮速度。

在纯滚动时，滑移率S=0，在抱死纯拖滑时s=100%，边滚边滑时0

所以滑移率的数值可以用来表示车轮运动中滑动或分所占的比例。

滑移率S越大，滑动成分越多。

2.1.3轮胎及路面附着性能

轮胎特性在汽车的制动和转向的过程中起着非常重要的作用，制动力（纵向力）和转向力（侧向力）都必须通过和道路的小小的轮胎接地面来产生，只有当车轮滚动的圆周速度与汽车相对于道路表面的速度之间存在着差异时才会产生。

车轮的滚动圆周速度与汽车行驶速度的差异包括强性轮胎的变形和胎面的滑移，只有当滑移率为100％时，制动力才完全由车轮胎面在路面上的滑移来产生。

对装备有ABS系统的汽车而言，轮胎的性能是非常关键的。

ABS控制系统必须使滑移率限制在稳定区域内以防车轮抱死，大多数防抱死系统采用特定的车轮角速度临界值进行控制，超过个临界值后，该系统便自动减小制动扭矩，以防止车轮抱死。

因此轮胎附着力达到最大值时的车轮角减速度和车轮达到抱死状态所需的时间是两个重要的参数。

为了防止车轮抱死，防抱控制系统响应时间必须短于车轮抱死时间。

为了保证制动时的方向稳定性，在制动附着系数中必须考虑车轮侧向力，只有当车轮有部份侧向滑移时才会产生侧向力，也即在轮胎接地中心的运动方向与车轮平面角间存在侧偏角，某些工作参数诸如充气压力、外倾角、载荷等都会影响侧向力。

尽管以上讨论的轮胎特性是最基本的，但它们已能清楚地表明轮胎纵向力和侧向力之间的复杂关系，为了保证装备了ABS系统的汽车有最短的制动距离、方向稳定性以及其转向制动时的稳定性，其性能要求必须以所使用的轮胎特性为基础。

通过大量的路面试验和实验室台架测试，到目前为止基本搞清楚了影响纵向附着系数和侧向附着系数诸多因素。

这些因素可归纳四大类：

路面因素、轮胎因素、汽车因素和制动工况因素[3]。

路面因素：

如图2.4所示，路面基础、路面材料、路面宏观不平度、路面微观粗糙度、路表面的覆盖物（灰尘、油污、水、雪、冰等）路面横向坡度、路面曲率等。

当汽车行驶时这些因素随时在改变。

轮胎因素：

轮胎的尺寸及其比例、帘布层结构、轮胎的径向、切向、侧向刚度、胎压、胎面花纹及其摩损程度、轮胎类型（四季型、夏季型、冬季型）等。

对于给定的轮胎在制动过程中可以认为这些因素保持不变。

图2.4不同路面附着系数与滑移度的关系

在制动过程中，如果始终能使轮胎的滑动率处于10%-20%范围之内的话，汽车将在最短的制动距离内停车并具有良好的控制方向的能力。

汽车的事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑等情况有关，故汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。

汽车的制动性能是汽车迅速降低车速直至停车的能力，它是制动性能最基本的评价指标。

这个指标即是制动距离和制动减速度。

制动距离是指在一定车速下，汽车从驾驶员踩下制动踏板开始到停车为止所驶过的距离，它与制动踏板力及路面附着条件有关。

制动减速度常指制动过程中的最大减速度，它反映了地面制动力，因此它与制动器制动力（车轮滚动时）及道路-轮胎附着力（车轮抱死拖滑时）有关。

因此，我们通常所说的汽车制动性能是指其制距离的长短、制动减速度的大小。

2.2汽车制动过程中运动学分析

汽车的制动过程可以分为以下四个阶段：

1）驾驶员反应阶段，包括驾驶员发现障碍物并做出判断和把脚从加速踏板换到制动踏板上的时间。

2）制动器协调阶段，包括消除各铰链和轴承间间隙的时间以及制动摩擦片完全靠在制动盘上的时间。

3）减速度增长阶段，指制动减速度从零增加到最大值的时间。

4）持续制动阶段，指汽车以某一个基本恒定的减速度减速到车速为零的时间

2.2.1汽车制动距离

关于车子的安全刹车距离，思迪安全驾驶手册上是这样介绍的：

   速度越快，制动距离越长，停止距离也越长。

一般来讲，在时速40公里急刹车时的停止距离为22米，而时速60公里急刹车时的停止距离为44米。

时速40公里的情况下，假如在前方30处发现行人而急刹车时，可以勉强避开，而时速为60公里时，则无法避开在前方30米处发现的行人。

   因为即使急刹车，车辆也不会立即停止。

请务必遵守限制速度，根据道路交通的状况，以可控制的车速进行驾驶。

   关于制动距离：

停止距离=空走距离+制动距离。

   包含两个方面：

一是空走距离。

即从驾驶员感觉到危险开始踩刹车，到有效制动实际开始，这段时间车辆所行驶的距离；二是制动距离。

刹车有效制动到车辆完全停止之间的距离，路面湿滑时，制动距离会变长。

据交通事故统计，由于不保持合理车距而追尾所造成的交通事故占所有交通事故的70%。

现在许多车主喜欢开快车。

  很多追尾事故就是车主对于自己的车辆制动距离太过自信而导致的。

毕竟刹车距离不单单是车辆的因素，还有驾驶员的反应等人为因素。

所以尽可能地保证安全车距、谨慎驾驶才是安全之道。

    最最简单的刹车驶者在感觉到危险后踩下刹车，到刹车开始起作用之间的距离称为空走距离

･从刹车开始起作用到车辆停止称为制动距离

･感觉到危险（发现），到开始反应（踩下刹车）需要0.5秒～1秒的时间

･驾驶者在感觉疲惫时，身体的反应会变得迟钝。

空走距离变长

･路面湿滑，停止距离变长

当车速是20km/h时，空走距离：

6m，制动距离：

3m，停止距离：

9m；

当车速是30km/h时，空走距离：

8m，制动距离：

6m，停止距离：

14m；

当车速是40km/h时，空走距离：

11m，制动距离：

11m，停止距离：

22m；

当车速是50km/h时，空走距离：

14m，制动距离：

18m，停止距离：

32m；

当车速是60km/h时，空走距离：

17m，制动距离：

27m，停止距离：

44m；

当车速是70km/h时，空走距离：

19m，制动距离：

34m，停止距离：

53m；

当车速是80km/h时，空走距离：

22m，制动距离：

73m，停止距离：

75m；

当车速是90km/h时，空走距离：

25m，制动距离：

68m，停止距离：

93m；

当车速是100km/h时，空走距离：

28m，制动距离：

84m，停止距离：

112m；

汽车在行进中从感觉到危险踩下刹车需要用大约1秒钟的时间，在此期间，汽车走行的距离。

当车速是10km/h时，车在1秒内行走距离是：

2.7m；

当车速是20km/h时，车在1秒内行走距离是：

5.6m；

当车速是30km/h时，车在1秒内行走距离是：

8.3m；

当车速是40km/h时，车在1秒内行走距离是：

11.1m；

当车速是50km/h时，车在1秒内行走距离是：

13.9m；

当车速是60km/h时，车在1秒内行走距离是：

16.7m；

当车速是70km/h时，车在1秒内行走距离是：

19.4m；

当车速是80km/h时，车在1秒内行走距离是：

22.2m；

当车速是90km/h时，车在1秒内行走距离是：

25.0m；

当车速是100km/h时，车在1秒内行走距离是：

27.8m；

以上所周知，高速公路因为全封闭的道路设施、良好的运行条件和较高的管理水平，具有快速、安全、舒适、畅通的特点，车速越快刹车距离越长。

2.2.2安全距离的确定

设在前一时刻自车（位置X01、速度V01）与目标车（位置X02、速度V02）相距为d。

当行驶车辆存在危险倾向时，自车（位置X10、速度V1）与目标车（位置X20、速度V2）相距为dw，系统第一次报警提醒驾驶员松油门，并把脚放到制动路板上做好刹车准备，报警时刻的车间距离便是提醒报警距离dew；当行驶车辆处于极度危险（即驾驶员再不制动就会发生追尾事故）时，系统第二次危险报警促使驾驶员立刻制动以保证行车安全。

第二次报警时刻的车间距离即为危险报警距离db。

（1）接近静止障碍物时：

（2.5）

当汽车接近静止障碍物时，要保证自车停止时与障碍物间的最小间距为d0，即此刻最危险。

同样道理，提醒报警距离的计算公式为：

（2.6）

即：

（2.7）

图2.6前车静止时示意图

（2）前车匀速或加速运动时：

（2.8）

当自车接近匀速运动的车辆时，最危险地时刻是自车减速到和前车速度相等的时刻。

只要保证最危险时刻两车间距为安全距离，则足以保证任何其他时刻车辆间的间距均大于d0。

同样，提醒报警距离do的计算公式如下：

（2.9）

即：

（2.10）

以上计算中，当车匀速或者加速运动时，我们都只分析了前车为匀速运动的情况。

当前车加速运动时，仍采用同样的计算公式不仅有利于公式的简化，而且更趋于安全。

图2-7前车匀速或加速时示意图

（3）前车减速或减速停止时：

图2-8前车减速或减速停止时示意图

（2.11）

同样道理：

（2.12）

即：

（2.13）

把公式（2.7）、（2.10）、（2.13）统一为一个公式，可得出不同运动状态下的dew计算公式为：

（2.14）

自车接警制动停车后两车间应保持一定的间隙d0以保证安全。

d0选择的合理与否，对系统虚报率有一定的影响，国内外的资料一般为2～5米,为了降低系统虚报率同时又考虑车辆的安全,本模型取d0=2米。

接近静止障碍物时

（2.15）

当前车作匀速或者加速运动时

（2.16）

当前车作减速运动是

（2.17）

提醒报警距离计算公式统一为：

dew=db+d0（2.18）

符号说明：

1——自车车速；

rel——两车间的相对速度；

2——前车车速，

1——自车的最大减速度；

2——前车的最大减速度；

hum——驾驶员辨认行车情况并采取刹车动作的临界反应时间；

x——制动协调时间；

0——安全距离；

w——提醒报警距离；

b——危险报警距离。

3.汽车高速公路事故分析

3.1目前道路交通事故情况

高速公路是集人、车、路、环境和管理于一体的复杂系