車輛主動防碰撞控制系統的設計

一、引言

　　隨著社會的不斷進步，汽車正為越來越多的人所使用，而相應的，交通事故也越來越多。全球每年由交通事故造成的人員和財產損失的數目是驚人的，因此，車輛安全問題已引起人們的高度重視。對大量交通事故的分析表明，80%以上的車禍是由于駕駛員反應不及時引起的，超過65%的車輛相撞屬于追尾相撞，其余則屬于側面相撞和正面相撞。有關研究表明，若駕駛員能夠提早1 s 意識到有事故危險并采取相應的措施，則90%的追尾事故和60%的正面碰撞事故都可以避免。

　　現代的交通系統和未來將要出現的自動車輛系統(AVS)均要求建立智能交通系統(ITS)，以便于對車輛進行交通監視和跟蹤以及多傳感信息融合。未來AVS異類傳感器包括視頻傳感器、激光掃描儀和雷達傳感器等，融合的目的在于把目標輸入到路徑規劃與制導系統中去。而基于多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統，就是根據多傳感器接收到的車輛前方目標信息和本車的狀態信息，利用多源信息融合技術，識別出本車前方車輛的距離和速度等狀態信息，并進行碰撞危險估計的。舉例說，若車間距接近臨界距離時，發出報警信號，提請司機注意；
若車間距小于臨界安全距離時,則啟動制動系統，以避免碰撞的發生．

　　顯然，基于多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統是一種主動式的防撞、防抱死的汽車安全系統，它使反應時間、距離、速度三個方面都能得到優化控制，可減少駕駛員的負擔和判斷錯誤，對于提高交通安全性將起到重要作用，能有效地避免大部分汽車事故的發生。同時也為提高使用車速、增加道路通行能力、實現自動化駕駛等奠定了良好的基礎。

　　二、基于多傳感信息融合的車輛主動防碰撞控制系統的組成和功能

　　汽車防追尾碰撞控制系統是一種主動安全系統。在正常行駛時，該系統處于非工作狀態。當本車的車頭非常接近于前車的車尾時，該系統將發出防追尾警告。在發出警告后，如果駕駛員沒有采取制動減速措施，該系統便自動啟動緊急制動裝置，以避免發生追尾事故。

　　汽車防追尾碰撞控制系統

　　具有三種功能：即環境監測功能、防碰撞判斷功能和車輛控制功能。

　　1、 行車環境監測系統

　　行車環境監測系統由環境探測系統和車況探測系統組成。環境探測系統由測量車間距離和前面車輛方位的毫米波雷達、激光雷達、CCD攝象機及能夠判斷路面狀況的道路傳感器所組成。車輛的周邊傳感技術是實現汽車防碰撞的關鍵技術。傳感器性能的優劣將直接影響整個系統的性能，只有提高傳感器的可靠性，才有可能減少系統的虛警率。從表1可知，微波傳感器（雷達）的性價比較高，因此一般選擇工作于毫米波的微波傳感器作為主傳感器，配置以圖像、路面傳感器等作為輔助傳感器來實現對車前障礙物的檢測。毫米波雷達安裝在車輛前端的中央位置上，激光雷達安裝在毫米波雷達的兩側，它們的主要功能是測量本車與前車的距離和前面車輛的方位，并把所測數據傳輸到防碰撞判斷系統；CCD攝象機獲得前方車輛和障礙物的圖像信息，道路傳感器得到路面的狀態信息，車況探測系統檢測本車的速度、加速度和其他狀態信息，所有信息都將被送往防碰撞判斷系統。

　　2、防碰撞判斷系統

　　防碰撞判斷系統由目標識別系統和危險估計系統組成。目標識別系統將毫米波雷達、激光雷達、CCD攝象機等傳感器的信息經融合處理后，估計出本車前方距離最近的車輛或障礙物的距離和相對速度，并將此信號傳送給危險估計系統。

　　危險估計系統根據路面狀況（濕/干）、本車的狀況（如車速、轉向角及橫向擺動速率）、距前車的距離和相對速度以及司機的反應狀況計算出“臨界車間距離”，并將實際測量的車間距離與臨界車間距離進行比較，在實際測量的車間距離非常接近臨界車間距離的某一時刻，報警器發出警告信號。當實際測量的車間距離等于或小于臨界車間距離時，自動啟動制動控制系統。

　　3、有自動制動操作機構的車輛控制

　　國際公路委員會對駕駛員的反應時間做了調查，結論得出平均值為0.5～3s。若駕駛員的反應時間是1.5s，那么在汽車的車速為40Km/h時，反應時間內汽車的行駛的距離是16.7m；車速為80Km/h時，行駛的距離將達33.4m。自動制動系統的反應時間遠比駕駛員少的多，它的反應距離只有0.5 m。

　　工作時，防碰撞判斷系統不斷地根據測出的兩車之間的距離、本身的車速、相對車速等有關信息，通過數據處理求出安全距離，并與雷達測出的實際距離相比較。如實測距離小于安全距離時，就發出報警信息，如駕駛員仍未采取措施，且安全距離小于極限安全距離時，系統通過執行機構對汽車的常規制動系統起作用，使汽車減速，當距離超過極限距離時，制動機構又恢復正常。

三、毫米波雷達

　　目前最受關注的傳感手段是運用毫米波進行測量的雷達系統。毫米波是指工作頻率在 30～100GHz，波長在1～10mm之間的電磁波。毫米波雷達（主要是9 4GHz）原來主要用于短程反裝甲武器系統，其功能就是精確測量目標的距離和相對速度。毫米波雷達可以全天候工作，不受天氣狀況的影響，而惡劣的氣候環境正是導致交通事故的主要原因之一。隨著GaAs高頻器件和單片微波集成電路 MMIC的出現和應用，毫米波雷達的性能有了很大的提高，成本也有所下降，并且雷達的外型尺寸可以做得很小，便于在汽車上安裝。因此，毫米波雷達就成了汽車前視雷達的首選。為了在高速公路上及時發現前方的交通堵塞，汽車用毫米波雷達的探測距離必須在100m以上；為了覆蓋左右兩側的車道線，探測寬度必為 3.5m；為了不把道路上方的標識和人行天橋也探測進去，上、下方要有與道路的升降相對應的3m左右的探測幅度。其主要指標如下：

　　①天線：尺寸要小、成本要低、性能要高，還要便于安裝和使用。
　　②工作頻率：毫米波雷達的工作頻率與其性能和價格相關。一般而言，頻率提高，目標的反射效果會更好，但信號的穿透力會減弱，測距范圍降低，器件成本增大。曾有工作于 24GHz，60GHz， 76～77GHz的雷達樣機和成品的報道，現由于76～77GHz毫米波雷達具有較好的性價比，國外目前多采用這一工作頻率。我國由于受到器件和成本方面因素的影響，目前傾向于采用35GHz的工作頻率。
　　③視角：視角就是天線波束的掃描范圍，包括方位角和高低角。為降低虛警率，一般選擇方位角為9oC～12oC ，甚至更大。高低角則取3oC 左右。
　　④作用距離：100m～150m即可。如美國規定為1～100m，歐洲規定為1～150m，測距范圍的確定以保證車制動時兩車不會發生追尾碰撞為原則。
　　⑤測量的動態范圍：雷達必須有足夠的動態范圍，以保證對大小目標都能識別。
　　⑥分辨率：徑向距離分辨率達到1m即可。