一種汽車防撞紅外線測(cè)距系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

1　引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)日益繁榮，但由于道路狀態(tài)、交通管理等硬件難以跟上，加上駕駛超車、出車開小差、錯(cuò)誤估計(jì)車距等主觀的原理，使相互碰撞的交通事故頻頻發(fā)生。解決這個(gè)問(wèn)題的根本措施在于給行進(jìn)中的汽車安裝能自動(dòng)跟蹤測(cè)距，在危險(xiǎn)距離內(nèi)自動(dòng)剎車的裝置。

由于電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外線測(cè)距。其中激光測(cè)距是靠激光束照射在前車上的反射鏡（汽車尾部）反射回來(lái)的激光束探測(cè)兩車距離。由于受惡劣的天氣、汽車激烈的振動(dòng)，反射鏡表面磨損，污染等因素影響，使反射的激光束在一定功率上探測(cè)距離比可能探測(cè)的最大距離減少1/2～1/3，損失很大，影響探測(cè)的精確度；微波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)為軍事和某些工業(yè)開發(fā)采用的裝備和振蕩器等電路部分價(jià)格昂貴，現(xiàn)在幾乎還沒有開拓民用市場(chǎng)；超聲波測(cè)距在國(guó)內(nèi)外已有人做過(guò)研究，由于采用特殊專用元件使其價(jià)格高，難以推廣；紅外線作為一種特殊的光波，具有光波的基本物理傳輸特性—反射、折射、散射等，且由于其技術(shù)難度相對(duì)不太大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)成本低廉，性能優(yōu)良，便于民用推廣。

當(dāng)前測(cè)距系統(tǒng)所用的測(cè)距基本原理都是建立在測(cè)量時(shí)間差的基礎(chǔ)上，而測(cè)量時(shí)間的方法主要有“脈沖方式”和“調(diào)頻2連續(xù)波方式”。這兩種測(cè)量方式都是以模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于器件延時(shí)的影響，使測(cè)量精度大大下降。本文采用“計(jì)數(shù)”方式，通過(guò)單片機(jī)處理，使測(cè)量準(zhǔn)確度有了很大提高。

因此，本文研究的紅外測(cè)距系統(tǒng)成本較低，機(jī)體尺寸小，而且利用一種新的測(cè)距原理結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的處理，使測(cè)量精度有了較大提高；同時(shí)把這種測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)中，并進(jìn)行了裝車防撞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表面，這種系統(tǒng)能探測(cè)的距離大于40m，且分析判斷險(xiǎn)情的速度快，準(zhǔn)確性較高。

2　紅外線測(cè)距基本原理及其系統(tǒng)的建立

2.1　基本原理

紅外線發(fā)射器不斷發(fā)射出頻率為40kHz的紅外線，經(jīng)障礙物反射，紅外線接收器接收到反射波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。測(cè)出發(fā)射波與接收到反射波的時(shí)間差t，即可求出距離s：

式中，c為光速度，一般取3×108m/s。

本文采用“計(jì)數(shù)”方式，通過(guò)單片機(jī)處理進(jìn)行測(cè)量，其基本原理是：紅外線發(fā)射器始終處于發(fā)射紅外線的狀態(tài)，當(dāng)紅外接收器第一次接收到障礙物反射回的紅外線時(shí)，經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個(gè)計(jì)數(shù)啟動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)的計(jì)數(shù)器開始以一定頻率計(jì)數(shù)；當(dāng)紅外線接收器第二次接收到反射回的紅外線時(shí)，經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個(gè)停止計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。通過(guò)編程，單片機(jī)自動(dòng)處理，用脈沖的周期T乘以脈沖數(shù)n就得到發(fā)射紅外線到接收紅外線的時(shí)間差t，即：

（2）式代入（1）式就得測(cè)量距離。

2.2　系統(tǒng)的建立

根據(jù)以上的測(cè)距原理，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的基本框圖如圖1。

圖1　紅外線測(cè)距系統(tǒng)基本框圖

紅外發(fā)射電路發(fā)射出40kHz頻率的紅外線，當(dāng)遇到障礙物紅外線發(fā)生漫反射，紅外線接收電路第一次接收到反射的紅外線時(shí)，給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)脈沖，啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器置位進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài)；當(dāng)接收電路第二次接收到反射器的紅外線時(shí)，經(jīng)單片機(jī)處理給出一個(gè)信號(hào)脈沖，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)被鎖存，然后經(jīng)單片機(jī)處理，將測(cè)量的距離顯示在顯示器上。

3　紅外線測(cè)距在汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1　基本特點(diǎn)

本文研究的汽車紅外防撞系統(tǒng)吸收了國(guó)內(nèi)外各種測(cè)距儀的部分特點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)汽車電子工業(yè)發(fā)展方向和現(xiàn)有電子技術(shù)基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)出來(lái)的，具有以下特點(diǎn)：

1）汽車在行進(jìn)中能自動(dòng)連續(xù)跟蹤顯示障礙物的距離；

2）在交通量較大的高速公路的車間距離一般為30～50m，本裝置設(shè)置極限安全距離為30m，當(dāng)探測(cè)的車間距為30m時(shí)，發(fā)出警告聲提醒駕駛員注意剎車；

3）探測(cè)的車間距為20m時(shí)，給出自動(dòng)剎車信號(hào)；若裝有自動(dòng)剎車裝置，則自動(dòng)剎車減速。

3.2　汽車紅外防撞系統(tǒng)

汽車紅外防撞系統(tǒng)的電路原理框圖如圖2所示。

圖2　汽車紅外防撞系統(tǒng)的電路原理框圖

本系統(tǒng)由發(fā)射部分、接收部分、單片機(jī)、譯碼顯示電路、報(bào)警部分及自動(dòng)剎車減速裝置六部分組成。

發(fā)射部分：由40kHz振蕩器，恒流發(fā)射發(fā)路和發(fā)射探頭等組成，振蕩器產(chǎn)生占空比非常小的窄脈沖，采用恒流源提供20mA左右的電流，這樣減小了功耗，提高了發(fā)射功率，最后紅外線由發(fā)射探頭聚焦，以散射角小于2°發(fā)射。

接收部分：由紅外線接收頭、第1級(jí)放大電路、第2級(jí)放大電路、整形、AGC控制增益等電路組成，紅外線接收頭接收信號(hào)后經(jīng)第1級(jí)與第2級(jí)放大電路放大，由施密特觸發(fā)器電路整形，送入單片機(jī)處理。其中AGC控制接收電路的增益，保證恒幅輸出。

單片機(jī)：由時(shí)鐘振蕩器和單片機(jī)組成，經(jīng)過(guò)編程，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)、計(jì)算時(shí)間t和測(cè)量距離s，并將測(cè)量距離連續(xù)輸出給顯示裝置，同時(shí)在車間距離為30m時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)和車間距為20m時(shí)，產(chǎn)生自動(dòng)剎車減速信號(hào)。

譯碼顯示電路：由譯碼電路、顯示器組成，單片機(jī)輸出的距離信號(hào)經(jīng)譯碼器譯碼，通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。

可動(dòng)態(tài)顯示車與障礙物的距離。

報(bào)警部分：由觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)電路和小喇叭組成。當(dāng)車間距為30m時(shí)單片機(jī)給觸發(fā)器一個(gè)信號(hào)，使觸發(fā)器置位產(chǎn)生一組脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，使小喇叭發(fā)出報(bào)警聲，當(dāng)大于30m時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，停止產(chǎn)生脈沖。

自動(dòng)剎車減速裝置：由開關(guān)K和自動(dòng)剎車減速裝置組成，當(dāng)司機(jī)認(rèn)為必要用到自動(dòng)剎車減速裝置時(shí)，閉合開關(guān)K。當(dāng)車間距小于20m時(shí)，單片機(jī)提供一個(gè)信號(hào)，啟動(dòng)自動(dòng)剎車減速裝置，防止碰撞。

4　汽車紅外防撞系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)汽車紅外防撞系統(tǒng)的性能，包括探測(cè)障礙物距和相對(duì)速度的性能，采用靜物距離探測(cè)和在高速公路上行駛時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)兩種試驗(yàn)。

4.1　靜物距離探測(cè)試驗(yàn)

將普通汽車放在裝有紅外防撞系統(tǒng)的試驗(yàn)汽車前面，試驗(yàn)車從100m遠(yuǎn)處以30km/h的速度向普通汽車開來(lái)。當(dāng)距離大于40m時(shí)，顯示0;距離小于40m時(shí)，顯示器顯示的數(shù)據(jù)連續(xù)變化；當(dāng)車間距為30m時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，符合實(shí)際車間距離，探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　靜物距離探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2　高速公路上行駛動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)車與普通車在高速公路上同時(shí)向同一個(gè)方向行駛，開車前兩車保持100m的距離。試驗(yàn)車向普通汽車發(fā)射紅外線，探測(cè)兩車距和相對(duì)速度，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　高速公路上進(jìn)行的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)語(yǔ)

本文采用一種新的測(cè)距原理建立了紅外測(cè)距系統(tǒng)，并研究了紅外測(cè)距系統(tǒng)在汽車防撞系統(tǒng)的運(yùn)用。

為使測(cè)量的時(shí)間差t準(zhǔn)確，采取兩種方法提高精確度：

1）計(jì)數(shù)脈沖的周期T應(yīng)取得非常小。達(dá)微秒數(shù)量級(jí)；

2）計(jì)數(shù)N個(gè)接收到的紅外線周期的計(jì)數(shù)脈沖，利用公式t=nT/N計(jì)算時(shí)間差t，則精確度提高到大約原來(lái)的N倍。

當(dāng)然，為了使汽車紅外防撞系統(tǒng)實(shí)用化還需解決如下幾個(gè)問(wèn)題：

1）怎樣防止旁道上行駛時(shí)，因道路兩旁物體，臨車道上的車輛產(chǎn)生錯(cuò)覺問(wèn)題；

2）單片機(jī)的防振能力差，影響工作可靠性的問(wèn)題；

3）發(fā)出什么樣的報(bào)警信號(hào)才能使司機(jī)不造成緊張不安的情緒；

4）如何進(jìn)一步提高單片機(jī)計(jì)數(shù)工作頻率，減少誤差；

5）探測(cè)距離受惡劣天氣影響，紅外線損失較大；

6）動(dòng)態(tài)探測(cè)距離有待進(jìn)一步提高。

這些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究、探討。相信隨著器件的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)條件的改善，這些問(wèn)題會(huì)得到圓滿解決。

總之，由于本系統(tǒng)成本低、精確度較高、功能多、具有廣闊的市場(chǎng)。