基于激光的车载防撞系统设计汇总.docx
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基于激光的车载防撞系统设计汇总
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毕业设计(论文)
题目:
基于激光的车载防撞系统设计
教学院:
电气与电子信息工程学院
专业名称:
电气工程及其自动化
学号:
201420210122
学生姓名:
金思俊
指导教师:
袁梦霞
201年月日
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
这次所提交的论文完全是我自己以导师的指导为前提一个人完成的,本次研究所取得的研究成果中,除了有些引用的内容加标注外,不包括其他人和集体业已公布的成果内容。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年月日
学位论文版权使用授权书
在写本论文之前,我已经熟读并了解了学校有关学位论文的规章制度,我授权学校给一些学位论文管理部门或者一些其他机构传送关于该论文的复印件及其电子版,可以让别人查询和借阅该论文。
本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1、保密□,在_________年解密后适用本授权书。
2、不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)
作者签名:
年月日
导师签名:
年月日
摘要
在我国,尤其是最近几年,公路交通安全压力非常大,全国几乎每秒都有交通事故发生。
汽车拥有量每年增加速度非常快,与此对应的是,交通事故也以惊人的速度增加,造成了数量惊人的人员伤亡与财产损伤,在这样的现实条件下,研制一种车载防撞系统就显得十分的紧迫,所以,本文提出的在激光基础上开发的车载防撞系统就就显得十分的重要。
论文中主要介绍了一种基于激光的车载防撞系统,并给出了可能实现的设计方法,描述了该车载防撞系统能够实现的功能,提出了有效避免车辆相撞的方案。
论文包括对硬件选型的描述,硬件电路的设计,以及软件框图的实现方法。
距离传感器采用的是激光传感器,单片机采用的是fresscale的MC9S12C32型号。
本文设计的系统采取两种措施,一种是蜂鸣器报警,另一种是在极端紧急的情况下,通过CAN总线对ABS发出制动信号,进行紧急刹车。
基于激光的车载防撞系统,通过发射激光束,在激光传感器上收集信号,如果处于危险状态,单片机产生某种信号以便进行控制,这种信号可以触发声音报警电路产生提示意义的报警信号,如果处于紧急情况,单片机通过汽车CAN总线向制动装置ABS发出控制信号,采取自动刹车。
关键词:
防撞预警;激光测距;单片机;CAN总线
ABSTRACT
Inrecentyears,thesituationofroadtrafficsafetyinourcountryisstillverygrim.Increasesmassivelyalongwiththeautomobile,doesnotmaketheroadtrafficaccidentyeartoincreaselargescalebythe,causesthemassivepersonnelcasualtyandthepropertydamage.Thepapermainlyintroducesakindofdesignmethodbasedonlaserradarofvehiclecollisionavoidancesystemispresented,andthepossibilityofachieving,describesthefunctionofthecollisionavoidancesystemiscapableofachievingan,andputforwardtheeffectivewaytoavoidvehiclecollisionscheme.Thepaperincludesthedescriptionofthehardwareselection,thedesignofthehardwarecircuit,andtherealizationmethodofthesoftwareblockdiagram.Rangesensorusingalasersensor,themicrocontrollerisusedintheMC9S12C32FRESSCALEmodel.Inthispaper,thedesignofthesystemtotaketwomeasures,oneisthebuzzeralarm,andtheotherisinthecaseofextremeemergency,throughtheCANbustotheABSissuedabrakesignal,theemergencybrake.Throughacommunicationmodulecontinuouslytolasersensortocollectdata,throughsoftwareprogramcalculation,determineswhetherthevehicleisinasafestate,ifyouareinasafestatemicrocontrollertodataacquisition,ifinadangerousstate,theSCMsendsoutacontrolsignal,drivethesoundalarming,ifitisanemergency,microcontrollerthroughtheCANbustobrakeABSissuedcontrolsignal,takeautomaticbraking.
KEYWORDS:
anticollisionwarning,laserdistancemeasurement,singlechipmicrocomputer,CANbus
第1章绪论
在我国社会越来越先进,经济发展也是十分的迅猛,而与此同时,老百姓的生活也发生了天翻地覆的变化,而公路交通在发展经济中的作用十分的重要,越来越受到大家的重视,无论是国家还是各个政府部门都对公路建设倾注了非常的关注,在公路建设当中,提供了非常多的资金以及人。
在我国的第九个五年计划期间,只高速公路一项,历程就超过了11万公里,而要求车辆速度基本上都在80km/h以上,在这种情况下,稍有不慎,就会发生碰撞等事故,而造成的后果令人非常叹息,所以,在开车时,驾驶员必须使用百分百的精力,随时留意周围的公路的情况,这样,长期开车使得驾驶员非常的疲劳[1]。
再一个,由于公路的大量建设,也进一步促进了我国自主汽车工业迅猛发展。
上个世纪末,我国的汽车产量比1993年翻一番,2010年,汽车产量又翻了一番,汽车数量逐年增长,越来越多的人拥有私人汽车,近年来,借助于电子控制技术的飞速发展,汽车的操纵性能和运动性能得到很快的提高。
安全气囊与ABS慢慢的走入大家的生活中来,但是,安全气囊属于被动的安全措施,只要交通事故发生,那么,肯定会有大量的财产损失,从有关资料来看,大约7成-9成的交通事故发生是由于人为因素而造成的[2],而这些因素当中,判断不正确与识别错误是最大的问题。
根据德国奔驰公司的研究报告可以得出,在一些较为危险的情况下要是能够给与驾驶人员半秒钟的反应时间,那么能够有效的减少撞车尾事故,事故能够减少3成,和路面相关的事故减少到5成,而迎面撞车的减少到4成[3]。
所以,这里再一次表明了汽车防撞系统技术的重要性,实行合理的测量车辆之间的距离的方法,以报警的方式或者智能的完成某个设定的操作例如如何制动,进而防止因为驾驶员驾驶疲劳、粗心大意、错误判断而引起的各个交通事故。
在这样的条件下,安全驾驶也逐渐成为大家关注的焦点,驾驶辅助系统的开发的意义便显得特别突出,各种汽车安全辅助工具应运而生,车载防撞系统也是其中之一。
1.1研究背景及意义
从上个世纪末期,有汽车以来,经历了近一百年的发展,在某种程度上,汽车就代表着现代文明,或者说是因为它而社会变的更加进步了,与此同时,它也变成了老百姓生活中必须的组成部分。
因为汽车自身的优点比其它工具更有优越性,它让现代人们的生活发生了翻天覆地的变化,与过去相比,人们能通过它出行的速度非常的快,另外,与其它的出行工具相比,更加的舒适和方便,进一步为现代社会发展以及人们的生活条件作出巨大贡献。
然而,现代人在充分享受汽车带来的方便时,也承受了非常大的代价。
结合不完全统计我国从1994年到2010年,累计已经超过1380584人交通事故中死去,其中包含的受伤人数已经达到5188475名,并且仅在2010年,道路交通事故在一定程度上导致死亡人数89455人[5]。
表1-1在我国,从1994到2010年所发生的所有交通事故总次数、死亡总人数、受伤总人数以及直接的经济损失表
年份
事故出现的次数(次)
死亡人数(人)
受到伤害的人数(人)
直接出现的经济损失(元)
1994
250297
49271
155072
363548114
1995
264817
53292
162019
428359749
1996
228278
58729
144264
644829636
1997
242343
63508
142251
999070121
1998
253537
66362
148817
1333827223
1999
271843
71494
159308
1522665624
2000
287685
73665
174447
1717685165
2001
304217
73861
190128
1846158453
2002
346129
78067
222721
1929514015
2003
412860
83529
286080
2124018089
2004
616971
93853
418721
2668903994
2005
754919
105930
546485
3095446551
2006
773137
109381
562074
3324380000
2007
667507
104372
494174
3369140000
2008
517889
107077
480864
2390000000
2009
450254
98738
469911
1880000000
2010
378781
89455
431139
1490000000
通过对上表分析可知,在1994年到2007年这14年期间,我国道路交通事故明显呈现出上升趋势,特别是从2006年与1994年的事故发生次数相比,呈两倍的增长,由从原先的250297骤然升到773137起。
交通事故死亡人数在一定程度上也开始呈现逐年上升趋势,在2005年期间,突破10万人,并且在2006年达到一个高峰。
现阶段,对于我国交通事故来说,和其它国家相比,具有较高的发生频率,而在交通事故中死亡的人数是世界上最多的。
我国的车辆总数占到全世界车辆的8%,而交通事故中死亡人数却占全世界的2成左右。
仅2006一年,我国就发生了378781起交通事故,导致死亡人数为431139人,出现的财产损失主要是为14.9亿元。
在这之中,出现一次死亡三人的交通事故主要是为1671其,导致死亡人数为6611人,出现一次死亡五人以上的交通事故主要是为326其,导致死亡人数为2244人。
在这些特大交通事故当中,一次有10人以上死亡的就有38起,总共致使588人当场死亡。
然而和世界上一些发达国家相互比较,在2006年每百人死亡事故达到23.6人。
根据我国相关数据显示,我国和主要国家的每万辆车的死亡率相比较,差别非常大,我国排名在第一位,其次分别是日本、英国、法国和美国,分别有6.2、0.77、1.1、1.59和1.77的万车死亡率。
然而针对于事故死亡比例来说,我国仍然排在第一位,依次是法国、韩国、英国和日本,比例分别为1:
4.8、1:
21、1:
53、1:
86和1:
173。
相互比较之下,我国的数据指标高了奖金一个数量级[6]。
通过上述分析表面,我国机动车在道路上行驶导致死亡的风险已经是远远的高于各个国家。
因此对于我国的交通安全来说其形式较为严峻。
表1-2我国和发达国家的交通事故现状比较
中国
美国
欧盟
法国
日本
年份
2006
2002
2002
2002
2002
事故出现次数(次)
378781
1929000
1232294
105500
936721
死亡人数(人)
89455
42815
38824
7242
8326
受到伤害人数(人)
431139
2936000
3327
137839
1167855
百起事故死亡数
23.6
2.2
3.1
6.9
0.9
万车死亡率(人)
6.2
1.9
1.7
1.59
1.2
对于上面两个表1-1与1-2分析后,可以得出下面的结论:
在我国,仅仅就交通安全现状而论,无论从自身的纵向比较还是与别的国家进行横向方面的比较,主要是出于事故高发的一个时期,然而针对于我国现阶段道路安全情况较为严峻,怎样才能够有效的减少交通事故的出现已经是成为了现阶段我国急需要解决的问题。
为了确保我国汽车能够安全的驾驶,在我国,慢慢摸索研究有关激光方面的汽车防撞系统,而汽车防撞技术有两个方面,主动式和被动式防撞,而如今,大多事采用的例如汽车安全带、安全座椅和安全气囊,均属被动式防撞,它只能在一定程度上减少交通事故的损失,却不能避免交通事故的发生。
因此,要想做到尽可能的减少事故的发生率,更加安全的对每个公民的生命和财产进行保护,需要采用主动式防撞以减少事故的发生,所以,设计出一个性能优异的主动防撞系统的产品显得迫切需要。
本次研究的课题是有关激光的防撞系统,其不仅包括测距装置,还包括单片机、报警子系统与自动刹车等装置,它主要有以下特点:
首先,测距装置能够随时发出一种用来监控的激光脉冲信号,在这种信号发出时,单片机能够根据这种信号的发射时间与接收时间的顺序,智能的测量出本车和前面车或者其他障碍物之间的距离或者相对的行驶速度,同时,可根据获得的这种相对距离和车辆相对速度的数据进行计算,得出预测撞车时间,再将预测撞车时间与安全行车所要求的安全时间相比较来判断行车是否处于安全行驶状态,在预测到撞车时间比正常的安全行车所用时间小时,单片机能够自动的给报警子系统一个指令用以让司机知道,然而在非常危险的时候,单片机则会绕开报警子系统,把指令发送给自动刹车装置,然而由后者实现危急时刻的智能刹车[7]。
1.2国内外研究现状
国际上对汽车防撞激光系统的研究开始于20世纪60年代,在之后的十多年内,以德国、美国和日本为代表的一些国家掀起了一股研究高潮[8],各个研究机构和汽车制造商合作,也有了一些相关的实验结果和论文发表出来,但是,局限于微波理论和硬件的技术水平,以及硬件系统的成本问题,使激光系统很难做到结构简单、体积轻巧和价格低廉,此外,由于车载激光系统工作的环境恶劣,干扰因素比较。
在一九八六年奔驰公司发起包括了欧洲在内的十七家汽车生产厂家以及五十多个研究所,从而制定出来了“Promtheus”计划,主要是讲组合传感器、通信以及人工智能等技术进行有效的融合在一起,其目的主要是能够对汽车的安全以及有效性进行改善,在这之中,所研究出来的性能优良的汽车防撞激光系统,更好的帮助驾驶人员能够避免事故出现,同时也是该技术当中一项十分重要的内容[9]。
在该计划内部,伴随着微波器件以及集成技术的不断发展,同时微处理器性能价格比等突飞猛进,从而使其制作出了更多价格比较低的以及性能高的防撞激光系统已经是成为了可能,在进入到了九十年代之后,德国在这个方面的研究一直是处于领先的地位[10]。
在二十世纪九十年代中期之后,一些公司已经是开始将注意力防治到了汽车新型防撞激光系统上,针对于这种新型的防撞激光系统应用在高速公路上面,对其简称为AICC,主要是为自主职能巡航的控制,同时也是汽车激光系统的发展高级阶段,根据实际的情况来分析,国际上所研究出来应用在高速公路上的防撞激光系统技术仅仅只是需要完成驾驶人员提供危险报警的功能,从而更好的为驾驶人员争取一定的时间[11]。
在欧美,有个RadarNet研究项目,它把现阶段所有的成果进行了合并,研发了一个有别以往的功能比较完备的汽车防撞激光系统,在这之中,德国的奔驰公司以及英国英伦斯电子公司联合研究出来了应用在汽车防撞激光系统工作的35GHz,其探测的距离主要是为一百五十米,信号的处理系统能够有效的计算出前方车辆或者是障碍物的距离,同时根据后车的速度来计算出一个安全的距离,然而在两辆车的距离小于安全距离的时候便发出灯光以及声音的警报,将其安装在轿车上面和客车上面进行使用,所具有着的效果也较为良好[12]。
但是,美国在这方面,研究防撞技术比别的国家都比较晚,然而现阶段也处于领先世界的水平,主要是福特公司以及Eatonorad公司研究的汽车防撞激光系统系统,其前方的探测距离能够达到一百零六米,所探测的范围跟踪具有着二十多个目标,工作中的主要是为24.725GHz[13]。
针对于我国的汽车防撞装置研究来说,相对来讲,也是非常晚的,而且发展水平也低于哪些先进的国家发展水平。
所具有着代表性的主要是为上海汽车电子工程中心所研究出来的SAE-100型毫米的汽车防撞激光系统样机,并且是采用LFMCW制式,它正常工作的主频在35GHz,其能够探测的距离一般都会超过100m,而测速一般大于1km/h,其喇叭天线的增益是26dB,而释放出的功率是405mW。
依据DSP充当最为重要的核心处理器。
现阶段我国很多单位和公司已经是买了国外不同厂商的激光设备,并且已经是生成了大量的原始点运以及影响数据,然而针对于这些数据来说,一直没有得到有效的处理,导致出现了很大的浪费,现阶段仅仅只是有山西太阳太公司以及广西桂林信息公司使用了自购的RIEGL的激光产品来进行电力选线以及地形图绘制等少量的工具[14]。
尽管如此,越来越多的单位对使用激光技术产生了浓厚的兴趣,显示了这项技术的广阔前景。
第2章系统总体结构和各功能模块介绍
2.1系统总体结构介绍
基于激光的车载防撞系统主要由激光雷达传感器、单片机、声音报警单元、CAN收发模块、CAN总线、ABS等几个部分构成,具体见图2-1。
图2-1激光车载防撞系统的总体结构图
2.2测距传感器的选择
现阶段,对于两个汽车运行过程中的安全距离如何确定,主要有下面几种测量手段:
超声波、红外线、摄像系统与激光四种测距工具。
对于超声波这种测距方法,其原理非常简单,其制作也非常的简单,并且花费较少。
然而,在汽车行驶速度非常快的情况下,这种测距传感仪器就没有多少作用,其主要的原因有两个方向:
第一个是外界环境的变化严重影响到了超声波的速度测定。
外界温度不同,那么测下来的声速也就不同,在零下三十摄氏度到三十摄氏度的变化主要是为三百一十三秒每米到三百四十九秒每米。
但是,在下雨、下雪以及大雾的情况下,只要天气发生大的变化,那么测出来的距离就会有出入。
第二个方面,由于超声能量随着距离的平方降低而衰减,因此距离如果远的情况下,那么反射回来的超声波则比较小,灵敏度下降也比较快,从而使其超声波的测距方式仅仅适用于比较短的距离,现阶段国内外一般的超声波较为理想的测距主要是为四米到五米,所以,通常情况下,在汽车的倒车防撞方面应用比较多。
而红外线用来测距,其好处是造价不贵,容易制作,而且很安全,但是其不足之处就是不够精准,距离有限,方向性不准。
由于红外线在遭遇别的物质时折射率几乎没有,因此,在长距离的测距方面仪器均采用红外线,但是红外线一般要有时间才能够传播,这就造成了采用红外线测距其实在及时反馈现场路况时不够及时,假如使用红外线进行测距,也就失去了研究汽车防撞的意义。
摄像系统的核心部件是电耦合器件CCD,(主要是为即charl筘coupledDevice)。
根据CCD这类的摄像机的工作原理,其采用的是和人眼几乎一样的光电探测器,它的大小、质量比较轻以及功耗小和噪音低,同时动态范围比较大以及广计量准确等,现如今在汽车行业当中已经是得到了十分广泛的应用。
然而,现阶段其造价高,另外,软件与硬件也都制约着该类探测器,它的成像过程相对慢一些,同时会处理非常多的数据。
然而,当计算机的软、硬性能越来越好的时候,该探测器必将大范围的使用[15]。
使用激光方式进行测距工作的时候,首先要调整激光二极管到目标的方向同时激发出激光脉冲。
射向目标的激光会散射到各个不同的方向,一部分散射光可以反射到传感器对应的接收器中,其中的光学系统获得这些反射回来的激光后会自动到光电二极管上成像并且计算光脉冲整个过程所消耗的实际时间,这样就可以测定出相应的目标距离。
这种利用激光来测距的探测器可以非常准确的计算出传输的时间,并且光速快。
这种激光测距传感器的特点就是非常准确,并且能180°探测,所以,激光传感器能满足系统的要求[16]。
2.3激光系统的工作原理
激光是在1960年后期出现的,作为当时非常重要的科学技术成就。
它运用十分的迅猛,很快被应用在国防、生成以及医学和非电测量等各个产业。
它跟普通的光差别很大,只有激光器才能产生这种激光。
在普通的状态下,激光器所使用的物质大多数情况下是稳定的,能量级别非常低,为E1,当有外界光线产生后,照射到这种低能的E1级的物质,从而吸收了光子的能量而变成了高能级的E2级别。
但是,对于光子的能量E=E2-E1=hv,这里,h代表叫做普朗克的常数,但是v却代表光子频率。
但是,当频率v的这种光产生诱发作用,在能级E2的原子首先释放出能量随之发光,进而自己也就变成了低能量的E1级别,这种变化过程叫做受激辐射。
激光器第一步,让那些需要工作的物质中的原子增加能量变成高能级别,这样做的目的就是在后面的辐射这些原子过程中就会有相当大的优势,这样以来,它的频率被改变成了v,进而它的诱发光就变的更加的强大了,这样,它可以透过平行的反射镜最终形成迸发式的放大作用,从而出现较强的受激辐射光,这个光便可以称之为激光[17]。
针对于激光来说,主要是具有着三个重要的特性:
第一是高方向性,激光束在几公里之外的拓展范围不超过几厘米。
第二是高单色性,激光的频率宽通常情况下比普通的光小十倍以上。
第三是具有着高亮度,通过利用激光束汇聚最高能够产生几百万度的高温[18]。
激光的工作原理是,该激光的发射机首先给空中射出连续的时间基本相同的频率非常高的窄脉冲,要是其电磁波传播的目标是存在着,那么激光便能够接受目标发射来回的回拨,由于用于回拨的信号功能就是在本系统与要测量的目标两者之间来回传播,这就是延迟于发射脉冲的原因。
如图2-2所示:
图2-2电磁波工作原理
针对于电磁波的能量来说,主要是根据光速来进行传播的,将其目标的距离设置成为R,那么传播过程中的距离主要是等于光速乘以时间的间隔,主要是为:
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