裝甲車輛防撞預警系統設計

近年來，裝甲車輛在日常訓練過程中，惡性事故時有發生，給部隊的人員生命及裝備安全帶來極大的損失。裝甲車輛在行駛中通常采用閉倉駕駛，駕駛員視線受到影響，而部隊訓練又經常在丘陵地域，路況十分不好，特別是北方部隊，訓練時經常伴有大量的灰塵，這就大大增加了車輛事故的發生概率。造成裝甲車輛碰撞的原因十分復雜，既有裝甲車輛自身的因素，也有人為的因素，還有道路、氣象等環境因素，總而言之，人、車、環境是影響車輛行駛安全性能的三大因素，這三者組成了相互制約的系統工程。

為了解決裝甲車輛訓練安全問題，本文提出開發研究一種能實時獲取車輛位置信息并及時提醒駕駛員或者系統自動采取措施以避免出現危險情況的裝甲車輛防撞預警系統，該系統的研究開發具有極大的現實意義和廣闊的應用前景。

常用車載距離探測技術簡介

目前，距離傳感器主要分為三類：聲學類——超聲波；光學類——無源紅外線、激光雷達及視頻成像系統；電磁類——連續波雷達/單脈沖雷達及電容式傳感器等。每一種距離探測技術都有其適用的場合。

（1）超聲波傳感器

超聲波是頻率在20KHz以上，人耳感覺不到的聲波。與可聞聲相比，它的特點是頻率高，波長短，在傳播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超聲波距離傳感器一般采用獨立的發射器和接收器，發射器由高頻信號（40KHz~80KHz）來激勵。測量發射一個超聲波脈沖至接收到反射信號所用的時間間隔，可以簡單地估計出被測物體的距離。

其主要優點是成本較低、尺寸較小；主要缺點是有些目標物（如土壤和草木）的反射信號很弱而無法探測。另一個缺點是聲波在空氣中的傳播時間隨溫度變化，因此，超聲波傳感器用于溫度范圍較大的場合時，必須進行溫度補償。故超聲波傳感器一般應用在較短距離測量上，最佳距離為4米到5米。

（2）無源紅外線式傳感器

無源紅外線式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發射的熱能來實現測距的。與超聲波距離傳感器相同，無源紅外線傳感器的主要優點是成本低且尺寸小；主要缺點是響應時間過長，使駕駛員得到的提前報警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車輛碰撞報警系統中的應用。

（3）激光雷達傳感器

由于光束一般很集中，激光雷達主要用于大范圍直線距離的測量。激光雷達量程大、方向性強且響應時間快，但成本高、易受外界環境（如能見度低、傳感器表面有泥土）的影響。同時，激光能量必須在人眼安全水平范圍之內。

（4）連續波雷達傳感器

連續波雷達采用頻率調制的高頻電磁載波（一般為微波頻率或者更高、通常為鋸齒形信號）。比較反射信號與發射信號，可得到與被測距離成比例的頻率差。利用返回信號的多普勒偏轉還能確定被測物體的相對速度。

連續波雷達的突出優點是能穿透泥土和飛濺物“看到”物體；并且窄波束和寬波束均可以使用，因而能夠把波束寬度調制得適于特殊用途。其主要缺點是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對較高。另外，用電子學方法對相對窄的、探測距離大的波束進行掃描能得到更大的測程和波束寬度，但復雜度和成本隨之增加。

防撞預警系統的基本功能及工作原理

根據野戰條件下裝甲車輛預防碰撞的需要，系統應具備以下功能：

（1）定位并顯示附近車輛。應能定位出附近車輛位置，并在顯示器中顯示出來。

（2）當兩車距離小于安全距離時報警。應能精確測得兩車間的距離，當兩車距離小于安全距離（5m）時，發出警報提醒駕駛員。

系統的工作原理：系統采用GPS系統對車輛進行定位，通過無線模塊接收周圍車輛位置并向外發送本車位置。在顯示屏上顯示周圍車輛，并計算兩車的距離，當兩車距離小于15m時，使用距離傳感器進行精確測距，當距離小于5m時發出警報。對比常用車載距離探測技術中各傳感器的性能，由于距離傳感器測距不需要太遠，結合成本及體積等方面的考慮，選擇超聲波傳感器作為本系統中的近距離測距器。

超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉變為所需頻率的超聲能或是把超聲能轉變為同頻率的其他形式的能的器件。

超聲測距從原理上可分為共振式和脈沖反射式兩種。由于應用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發射傳感器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計時。根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（S），即S=C×t/2，式中，C為超聲波音速，由于超聲波也是聲波，故C即為音速。

聲速與現場溫度的經驗公式：C＝331.5＋0.607T。只要測得超聲波發射和接收回波的時間差t以及現場溫度T，就可以精確計算出從發射點到障礙物的距離。

可以看出超聲波測距系統的主要部分有：

（1）供應電能的脈沖發生器（發射電路）；

（2）使接收和發射隔離的開關部分；

（3）轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質中的發射傳感器；

（4）接收反射聲能（回波）和轉換聲能為電信號的接收傳感器；

（5）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發記錄設備；

（6）記錄/控制設備，通常控制發射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發射到記錄回波的時間，存儲所要求的數據，并將時間間隔轉換成距離。

在超聲波測量系統中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米。由于超聲波發射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很高的抗干擾性能。

距離測量系統常用頻率范圍為25KHz~300KHz的脈沖壓力波，發射和接收的傳感器有時共用一個，有時分開使用。發射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉換成聲能發射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發隔離則使接收裝置避開強大的發射信號；記錄/控制部分啟動或關閉發射電路并記錄發射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數并加以顯示或記錄。

系統的總體結構

設計本系統的主要目的是定位并顯示附近車輛位置，測量車距，危險時發出警報。

根據實際的功能需求，將系統的整體設計分成探測系統和數據處理系統兩個部分，其基本原理如圖1所示。其中，探測系統主要包括GPS模塊、超聲波測距模塊、無線模塊、電源模塊、主控電路和通信接口；數據處理系統主要包括顯示模塊、報警模塊、電源模塊和主控電路。

傳感器、GPS和無線模塊的選擇

（1）超聲波傳感器的選擇

超聲波傳感器采用美國SensComp公司的Sens600系列智能超聲波傳感器，Sens600是基于超靈敏測距模塊6500的增強型靜電傳感器系列，集發送、接收于一體，新的電壓控制電路使傳感器可工作在6V～24V 直流電源下，測量范圍0.15m～10.7m，可外部觸發或內部觸發，封裝較小，終端引腳連接方便。由于超聲波傳感器接收到回波信號時，輸出高電平，因此需在回波輸出端連接反相器至單片機外部中斷口，以便即時響應。另外，在超聲波傳感器開口端面增加喇叭狀套筒設計，以限制和減少偏離發射軸中心較大的發射波和接收波，在一定程度上增強了抗干擾能力。

（2）溫度傳感器的選擇

目前存在的溫度傳感器主要分為兩種類型，即數字溫度傳感器和模擬式溫度傳感器。

數字溫度傳感器測量溫度是將溫度值直接轉化為數字值輸出。數字溫度傳感器具有以下的優點：①具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；②抗干擾能力強，穩定性好；③信號易于處理、傳送和自動控制；④便于動態及多路測量，讀數直觀；⑤安裝方便，維護簡單，工作可靠性高。