车载安全系统的研究与设计.docx
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车载安全系统的研究与设计.docx
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车载安全系统的研究与设计
车载安全系统的研究与设计
参赛院校:
三峡大学
参赛团队:
狼宇科技团队
团队成员:
金鹏胡泽鑫吴嘉琪沈兵
指导老师:
周芹
内容目录
一.设计背景及意义.............................................................1
二.作品简介及制作.............................................................1
三、方案的论证与选择.......................................................2
四、理论分析与程计设计...................................................5
五、主要创新点分析.............................................................5
六、测试方案与测试结果.....................................................5
七、结果性能分析.................................................................6
八、结果性能分析.................................................................6
九、附录.................................................................................8
一、设计背景及意义
随着科学技术的发展,汽车安全技术在交通安全中起着越来越大的作用,但仍然不可避免发生意外情况。
汽车安全技术为避免乘员伤亡提供了重要的保障。
因此,汽车安全技术的开发研究仍是汽车安全技术研究的热点之一。
本系统通过构建小车模型实现小车速度、车距的测量与超速报警、智能超车避障、车速与车距液晶显示等功能,该系统可应用于大部分机动车辆,提高机动车辆的安全性能。
因此现实的汽车安全技术具有重要研究意义,造价低廉、实用性强,具有广阔的发展前景。
二、作品简介及制作
本系统以ATmega16单片机为控制核心,L298N驱动电机,通过检测光电编码盘脉冲个数来测试车速,通过超声波传感器利用超声原理来测量车距,实现了小车车速与车距的测量、超速报警、安全超车避障、车速与车距显示等功能。
本作品很好的模拟了车载安全系统,并达到了较好的测量精度,准确的判断障碍物的位置,实现了车速、车距的实时监测与安全超车。
三、方案的论证与选择
1、模拟小车车速测量
方案一、利用霍尔开关测速
霍尔效应表达式 U=K·I·B/d,其中K为霍尔系数,I为薄片中通过的电流,B为外加磁场的磁感应强度,d是薄片的厚度。
霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。
霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件,它是在霍尔效应原理的基础上,利用集成封装和组装工艺制作而成,它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号。
输入端是以磁感应强度B来表征的,当B值达到一定的程度(如B1)时,霍尔开关内部的触发器翻转,霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。
由单片机检测电平变化来计数。
方案二、计数对射传感器
采用对射式红外头,当红外线发射端发出红外线经过车轮中心小孔时,接收端将收到红外线,产生一个低电平通过LM393比较器输出,进而产生一个高低电平的脉冲变化送至单片机。
利用单片机的外部中断处理实现计数测速功能。
其内部硬件电路如下:
图1:
计数对射传感器内部原理图
该方案精确度高,稳定性能好,简单易行,成本较低。
综上:
我们选择方案二。
2、模拟小车车距测量
方案一:
利用红外线测距
利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理,进行障碍物远近的检测。
红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管,发射管发射特定频率的红外信号,接收管接收这种频率的红外信号,当红外的检测方向遇到障碍物时,红外信号反射回来被接收管接收,经过处理之后,通过数字传感器接口返回到MCU,MCU即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。
当测距离较长时,容易受到周围的光线的干扰,造成误触发。
方案二:
利用超声波测距
利用超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:
s=340t/2。
这就是所谓的时间差测距法。
当环境温度变化时超声波的速度就会发生变化,例如当温度0℃时超声波速度是332m/s,30℃时是350m/s,温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。
若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。
但本系统中不需要达到如此高的精度。
综上:
我们选用超声波测距。
四、理论分析与程序设计
1、测距模块
本次设计中采用的是US-020超声波测距传感器。
其可实现2cm~7m的非接触测距功能,供电电压为5V,支持GPIO通信模式,模块测距的时序如图2所示:
只需要在2号引脚Trig上输入一个10US以上的高电平,可触发模块测距,系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后测回波信号。
当检测到回波信号后,通过Echo管脚输出一个高电平,电平宽度为超声波往返时间之和。
根据3号引脚Echo输出高电平的持续时间可以计算距离值。
即距离值为:
(高电平时间*340m/s)/2。
图2:
US-020测距时序图
2、测速模块
由单片机外部中断INT0对检测到的传感器输出的高低电平变化的脉冲进行
计数,其仿真模型图所示。
实际中,光电编码盘共有20个孔,即车轮每转一圈,传感器会输出20个下降沿,在外部中断服务程序中计数变量counter增量为20。
车轮直径d=0.065,车行进的距离:
图3:
外部中断仿真模型
,定时器定时每隔1秒显示L即为车速n,在中断里面清计数变量counter。
3、程序设计
软件部分采用AVR系列单片机ATmega16作为控制核心,对硬件电路的相关参数进行测量并将数据送到液晶显示。
其中主要用到外部中断INT0、INT1计数,定时器T0、T1定时并存放计数值,数据串行传输至FYD12864显示,I/O输出高低电平控制电机转向
等。
图4:
程序流程图
五、主要创新点分析
本系统灵活运用了所学物理的相关知识,巧妙的将现实的车载安全系统加以模拟,结合现实交通行车安全的规章制度,利用红外线对射测速、超声波测距后发出超速和注意保持车距的预警信息,可以根据速度的不同对应不同的车距报警值,及时的采取控制措施让小车减速和避障,减少事故发生率。
其中,不仅采用了物理的相关知识与方法,还结合了自动控制理论和单片机以及电路设计等技术知识,使本系统的设计达到了很好的效果。
六、测试方案与测试结果
1、测试所用仪器
表一测试所用仪器
UT805万用表×1
TDS1002双通道示波器×1
VC890D万用表×2
卷尺
2、速度及超速检测
让小车运动起来,然后根据液晶读取小车车轮速度,测取多组速度值:
表二小车速度测试
组号
1
2
3
4
5
6
7
8
速度(m/s)
0.918
1.010
1.021
0.786
1.021
0.918
0.888
0.939
设定一个速度值,如果小车速度超过此值就让其报警减速,设定值为:
0.500m/s。
表三超速报警测试
速度(m/s)
是否报警
0.303
否
0.542
是
0.786
是
0.918
是
1.021
是
3、车距及避障检测
通过液晶读取距离值,然后实测小车与障碍物的距离值,确定误差:
表四车距检测
组号
1
2
3
4
5
6
7
8
所测距离(m)
0.50
0.71
1.00
1.22
1.50
2.00
2.51
2.98
实测距离(m)
0.50
0.70
1.00
1.20
1.50
2.00
2.50
3.00
设定一个安全距离值,如果小车与障碍物距离超过此值就让其报警避障,设定值0.70m。
表五报警避障测试
车距
是否报警
0.32
否
0.69
否
0.70
是
0.71
是
1.00
是
七、结果误差分析
对车距进行测量时,进行多次重复测量,以减小偶然误差。
根据多次重复测量的结果,获得一个最接近真值的最佳值。
在相同条件下,对车距s进行了n次重复测量,其测量值分别为:
……
当测量次数无限增多时,根据偶然误差的性质可以证明:
该平均值将无限接近于真实值.常把多次测量的平均值作为结果.
我们把测量结果及其偶然误差写为s±Δs的形式,其中s是测量值,它可以是一次测量值,也可以是多次测量的平均值;Δs是绝对误差,它可以是一次测量中绝对误差的绝对值,也可以是平均绝对误差或标准误差。
在对同一对象采用不同精度的仪器或测量方法来测量时,Δs能够表示出测量的不同精确度。
但对不同对象进行测量时,却反映不出不同的精确度。
相对误差可以评价上述两测量结果精确度的差别。
相对误差通常用百分比表示,所以又称为百分比误差。
相对误差E定义为:
将表四所测数据代入上公式中,求得:
八、结果性能分析
经过我们的测试,本次模拟车载安全系统的设计可以达到以下指标:
a.灵活控制并随时测量显示车速和车距。
b.当速度超过设定值时就减速报警。
c.不同的车速对应不同的安全距离,当车距小于相应的安全距离时,小车发出警报,并实现转弯避障。
综合分析各项指标的测试结果并与设计指标进行比较发现,本系统均能达到设计要求,很好的模拟了现实生活中的车载安全系统。
但是也存在很多的不足:
1、系统的精度不是很高,原因是我们采用的是开环的控制策略,如果采用
闭环控制的方案将会使精度大大提高,尽管现实生活中对精度的要求不是很高,但是作为一种设计而言,精度越高越好。
2、生活中的车载安全系统比较复杂,而我们的设计是比较简单的,如果要
想达到更好的模拟,还需要进行更为复杂的设计。
3、本系统中没有考虑不同的道路及环境下车速的限定值不一样。
九、附录
附录一:
系统总电路图:
附录二:
模拟小车实物图:
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 车载 安全 系统 研究 设计