汽车防撞预警系统的研究与发展

基金项目:国家自然科学基金资助项目(69674012)收稿日期:2005-10-17

第23卷　第12期

计　算　机　仿　真

2006年12月

文章编号:1006-9348(2006)12-0239-05

汽车防撞预警系统的研究与发展

陈勇,黄席樾,杨尚罡

(重庆大学自动化学院导航制导实验室,重庆400044)

摘要:随着汽车工业的发展,汽车行驶速度越来越快,道路交通事故已成为世界性的社会问题。其中,碰撞事故占的比例约

80%,所以对汽车防撞研究也成为世界性课题。先对汽车防撞预警系统的原理进行分析,再结合国内外现有的汽车防撞预警

系统,如超声波防撞预警系统、雷达防撞预警系统、激光防撞预警系统、机器视觉防撞预警系统、红外线防撞预警系统以及交互式智能化防撞预警系统等,对它们的原理、特点、缺陷等方面进行分析,最后总结出现有技术的固有缺陷,提出了汽车防撞预警系统的发展方向。

关键词:汽车;防撞;预警系统;安全行驶中图分类号:TP182 文献标识码:A

Research and D evelopm en t of Autom otive Collision Avo idance System

CHEN Yong,HUA G N X i -yue,Y AN G Shang -gang

(Navigation &Guidance Lab,Automation College,Chongqing University,Chongqing 400044,China )ABSTRACT:W ith the development of automotive industry,the speed of automotive is more and more higher and lane traffic accident has become a social p roblem all over the world .Among the accidents,collision accounts for 80%.A s a result,the research of automotive collision avoidance has become a worldw ide subject .In this paper,the p rincip le of Automotive Collision Avoidance System (ACAS )is analyzed .Then,the p rincip les,characteristics and flaw s of the existing ACASs both at home and abroad are analyzed,such as supersonic -ACAS,radar -ACAS,laser -ACAS,machine vision -ACAS,infrared -ACAS and interactive intelligent -ACAS .A t last,the inherent flaw s of the existing technologies are summarized and the development trend of ACAS is p roposed .

KEYWO RD S:Automotive;Collision avoidance;W arning system;Secure travel

1　引言

随着汽车大量增加,路上车流不息,使道路交通事故逐

年大幅度增加,造成大量人员伤亡和财产损失[1]。据中国公安部2005年1月14日发布的新闻:中国在2004年总共发生交通事故567,753起,导致99,217人死亡,451,810人受伤,直接财产损失27.7亿元。交通事故的主要原因包括超速行使、占道行使、酒后驾驶、疲劳驾驶等。而碰撞是交通事故的主要表现形式,其中大部分是车-车碰撞和人-车碰撞。可以肯定,随着我国汽车保有量和生产量的快速增长,高速公路和高等级公路里程的快速延伸,如果不加大汽车交通安全控制,交通安全事故会大量增加,造成更多的伤亡和经济损失。

专家对汽车交通事故的分析结果表明[2],在所发生的交通事故中,有80%是由于驾驶员反应不及时,处置不当所造成。其中有65%的事故属汽车追尾碰撞造成,其余则属于侧面碰撞、擦挂所致。因此,德国奔驰公司的专家们在对各类交通事故进行系统研究分析后得出[4]:若驾驶员能在事故发生前提早1秒钟意识到会有交通事故发生,并采取了相应的正确措施,则绝大多数事故都可能避免。

汽车防撞预警系统对提高汽车行驶安全性十分重要。从1971年开始,国内外相继出现了超声波、雷达、激光、机器视觉、红外以及交互式等防撞预警系统的研究或者产品。本文将对各种防撞预警系统的原理、特点、缺陷等方面进行分析,并提出汽车防撞预警系统的发展方向。

2　汽车防撞预警系统的原理

汽车防撞预警系统[3]是在汽车行驶过程中,对汽车的前后以及左右方向的危险物进行检测,在汽车与危险物具有

发生碰撞危险的情况下,进行声光报警,提示驾驶员危险物的方向以及危险程度,以便让驾驶员采取相应的措施,避免追尾碰撞和侧挂等交通事故的发生。汽车防撞预警系统一般由信息采集、信息处理、信息判断、预警信息等四个部分组成。信息采集现阶段的技术有超声波、雷达、激光、机器视觉、红外以及交互式,通过这些技术采集汽车行驶过程中的四周信息;信息处理部分主要是对采集的信息进行处理分析,判断汽车行驶过程中四周是否有危险物,常用单片机、ARM、DSP等微处理器,甚至采用多CPU专用计算机来处理;信息判断就是根据本车车型、天气、时候以及本车与危险物的距离、相对速度、相对加速度等信息,通过信息融合技术,实时进行危险或安全状态的动态辨识;预警信息部分主要指信息辨识为危险时,该部分进行危险级别判断、危险方向以及相应的声光报警。由于不同的信息采集技术,其相应的汽车防撞预警系统不同,下面对各种防撞预警系统的原理、特点、缺陷等方面进行分析。

3　超声波汽车防撞预警系统

3.1　原理[4][5]

超声波一般指频率在20kHz以上的机械波,具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点。超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时,超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲,并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收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收的信号依据时间差进行处理,自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响,在这些因素中,温度对其速度的影响更大一些,而且环境温度的变化更为经常。研究表明,声速v与热力学温度θ的平方根成正比,温度越高声速越大,温度越低声速越小。0℃时,空气中声速的实验值为331.45m/s,而空气中声速的表达式为:

v=331.45θ+273.16

273.16

/(m/s)(1)

根据计时器记录的时间t,可以计算出发射点距障碍物的距离/s,即:s=v·t/2,这就是所谓的时间差测距法。3.2　特点[6]

超声波测距原理简单、成本低、制作方便,但在高速行驶的汽车上的应用具有一定局限性,这是因为超声波的传输速度受天气影响较大,不同的天气条件下传播速度不一样。对于远距离的障碍物,由于反射波过于微弱,使得灵敏度下降,超声波的发射角度小,直线传播方式,所测得的区域小。故超声波测距一般应用于短距离测距,最佳距离为4～5m,一般应用在汽车倒车防撞系统上。目前,很多车上都装有超声波倒车防撞系统。

4　雷达汽车防撞预警系统4.1　原理[7]-[9]

雷达汽车防撞预警系统利用电磁波发射后遇到障碍物反射的回波对其不断检测和计算与前方或后方障碍物的相对速度和距离,经过分析判断,对构成危险的目标按程度不同进行报警。该系统由收发天线、定向耦合器、混频器、调频振荡器和处理单元组成。当发射机采用微波调频连续波体制时,在车辆行进中,雷达窄波束向前发射调频连续波信号,当发射信号遇到目标时,被反射回来为同一天线接收,经混频放大处理后,可用其差拍信号间相差来表示雷达与目标的距离,把对应的脉冲信号经微处理器处理计算可得到距离数值,再根据差频信号相差与相对速度关系,计算出目标对雷达的相对速度,微处理器将上述两个物理量代入危险时间函数数字模型后,即可算出危险时间。

4.2　特点

雷达探测性能稳定,不容易受对象表面形状和颜色的影响。环境适应性能好,受天气影响较大,它具有测量时间短、量程大(可达到10km以上)、精度高等优点。但是周围车辆、障碍物都会对其产生电磁波干扰,车载雷达彼此之间也存在干扰。此系统庞大,造价昂贵。在高速路上,隔离带和路两边的金属在很大程度上限制了此系统的应用。

5　激光汽车防撞预警系统

5.1　原理[10]-[12]

目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是:从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后,用扫描镜左右扫描,向空间发射,照射在前方车辆或其他目标上,其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤,被导入到信号处理装置内光电二极管,利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差,即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。

成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来,利用扫描器控制激光的射出方向,通过对整个视场进行逐点扫描测量,即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出,照射待测区域。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少,从而提高了系统三维成像速度。

5.2　特点[15]

激光汽车防撞预警系统是一种光子雷达系统,它具有测量时间短、量程较大、精度高等优点,在许多领域得到了广泛应用。但是高速运动的车体中,震动幅度比较大和激光在雾天会被吸收以及对人眼的伤害限制极大程度限制了激光汽车防撞预警系统的使用。此系统体积也比较大,要在车上安