各种汽车防撞系统

第三章汽车主动防撞系统的总体工程

3.1 各种汽车防撞系统的比较

对于车辆安全来说，最主要的判断依据是两车之间的相对距离和相对速度信息，当本车以较高的速度接近前方车辆时，如果两车之间的距离太近，很容易造成追尾事故。因此，常用的防装系统都将车辆之间的相对距离最为最主要检测任务。

汽车雷达按照其探测方向的不同，主要分为倒车雷达和前视雷达两种，汽车倒车雷达由于探测距离较短，一般运用超声波或红外探测两种方式构成，该项技术已经比较成熟，国内外已经有相应的产品。而相比较来说，在高速公路中由于车速快，要求防撞雷达探测距离要长，故高速公路的防撞系统要求较高。而且在恶劣天气情况下，如雨，雪，雾等天气，以及前方车辆尾部卷起的气沫灰尘所造成视野不良等情况时，防撞预警系统应向驾驶人员提供前方车辆和障碍物的距离，相对速度等信息；在危险临近的情况下，通过警报系统发出声光警报，在极度危险的情况下可以采取转向和制动措施，从而避免碰撞，追尾等事故的发生。

目前的高速公路防撞系统按工作方式分主要有激光，超声波，红外等一些测量方法，不同的方式工作过程和工作原理上有不同之处，但它们主要作用都是通过不同的测量方法判断前方车辆与本车辆的相对距离，并根据两车之间的危险性程度做出相应的预防措施。为了更好的了解各种系统的工作原理，下面对不同的探测方式进行详细的介绍。

2.4激光测距

激光测距仪是一种光子雷达系统，它具有测量时间短，量程大，精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可以分为非成像式激光雷达和成像式雷达。

非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。激光束在传播路上遇到前车发生反射。测量从发射时刻到反射回到发射点经过的时间t，便可以计算出车距。其计算公式同超声波测距共识，不同的是速度v为光速，v=3×108m/s。

从高功率窄脉冲激光器发射出来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，照射在前方车辆或者其他目标上，其反射光经扫描镜，接受物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计算器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接受脉冲间的时间差，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。扫描激光成像雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制出射激光的方向，通过对整个现场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标目标的三维信息。但扫描成像激光雷达普遍纯在成像速度过慢的问题。这有待于软件，硬件的进一步改善。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。被测物体表面散射的光经微通道图像增强板（MCP）混频输出后，由面阵CCD等二维成像器接收，CCD每个像元的输出信号提供了相应成像区的距离信息。利用信息融合技术即可重建三维图像。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了三维成像速度。

在汽车测距系统中，非成像激光雷达更具有使用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低，速度快，稳定性高等特点。

由于激光雷达测距仪工作环境处于高速运动的车体重，震动大，对其稳定性，可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电，低价，对人眼安全等因素。这些决定了其光源只能采用半导体激光器。已处于使用阶段的激光雷达所需要的光学元件在市场上有售，价格比较高。目前，在汽车

上上述各种激光雷达测距仪均有应用，但成像式激光雷达还在进一步研究之中。

2.2 毫米波雷达测距

雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。雷达的工作频率从3MHz到300GHz的范围内，其对应波长为100m到1mm，工作频率在30GHz 以上的雷达称为诶为波雷达，工作频率在30GHz以上的雷达称为毫米波雷达。作为车载雷达，一般选用60GH在，1200GHz，180GHz波段，其对应波长为毫米波，故称为毫米波雷达。

雷达对空间目标P的位置测定，必须用三个坐标来表示，即斜距R，方位角a，仰角β或高度H。如图2所示。雷达经天线向空间发射一定周期高脉冲，如果遇到目标则由目标反射回来的反射波将之后于发射的高频脉冲一个时间差T1和一个频移（多普勒频移）Fd。根据雷达可以测定的这两个数据，就可依据以下公式断定目标的位置：

而雷达在方位角方向装懂，根据天线波束的指向，就可以确定方位角a，同理，根据雷达天线在仰角方向转动，就可以确定仰角β

与30GHz以下的微波相比，毫米波频率高，波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高，因而在汽车领域一般不适用微波而使用毫米波。作为长距离床干起，与其他方式相比，毫米波测距具有以下特点：一事探测性能稳定。与光学式相比，她不依受对象表面形状和颜色影响，与超声波相比，它不受大气紊流的影响。而是环境适应性能好。受雨雪雾，阳光，污尘的干扰小，探测性能下降小。

毫米波雷达测距，能探测多目标，多目标分辨力好，探测精度高，受天气影响小，已达到实用水平。作为车载雷达，目前使用的形式主要有脉冲多普勒雷达，双频CW雷达和FW雷达三种，但却存在电磁波干扰问题，必须防止因雷达装置相互间以及其他通信设施的电磁波干扰而发生误动作。

目前，毫米波雷达在汽车上应用最多的是作为防撞雷达，防止在高速公路上发生追尾碰撞。

2.3摄像系统测距

电荷耦合器件CCD常用于摄像系统。CCD摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器，它具有尺寸小，质量轻，功耗小，噪音低，动态范围大，光计量准确，其线扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。

利用传统的摄像机，如面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统成为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目是绝缘粒，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统成为双目摄像系统。

双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的调高，最终将得到广泛应用。

2.1超声波测距

超声波是指震动频率在20KHz以上的机械波。超声波床头性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强。超声波测距一般由超声波发生器，及首期和信号处理装置三大部分组成。

超声波作为一种特殊的声波，同样具有用生比传出的基本物理特性，超声波测距就是利用其反射特性来工作的。超声波发射器不断发射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受到所发射超声波遇到障碍物反射回来的反射波后，也向侧脸逻辑电路提供一个短脉冲，再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。方脉冲的宽度即为两个短脉冲之间的时间间隔。测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测无之间的距离。如图一所示，根据测量出输出脉冲的快读，及测量得发射波与接受波的时间间隔，从而就可以求出汽车与障碍物之间的距离s，

S=vg/2

式中，v—超声波音速。由于超声波也是声波i，故v为声速；t为时间。

超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低。但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可取，主要有两个方面的因素：一是超声波的速度v受外界环境变化影响较大。在不同的温度下，声速是不同的，在-30℃-30℃变化为313-349米/秒；而且声速v还随着雨，雾，雪等天气的变化而变化，不能精确测距。二是由于超声波能量是与距离的平方成正比而衰减的，故距离越远，反射回的超声波越少，灵敏度下降很快，从而使得超声波测距方式只适用较短距离。

目前国内外一般的超声波测距仪理想测量距离为4米-5米左右，因此一般只能用于汽车倒车防撞系统上。

通过以上介绍，我们不难发现：毫米波雷达测距在原理上和以上几种测距方式类似，但它克服了其他几种探测方式在高速公路防撞运用中的缺点。所以，世界各国均对基于毫米波雷达的防撞技术进行了研究，发现毫米波雷达在高速公路的防撞技术中具有重要前景。它的主要特征如下。

（1）稳定的探测性能。不受被测物体表面形状，颜色等的影响；对大气紊流，气我等也具有适应性。

（2）良好的环境适应性。毫米波有很强的穿透能力，其测距精度受雨、雪、雾、阳光等天气因素和杂音、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在任何天气

下的正常运行。

通过比较，可得到下表的特点。

从表中可以明显看出毫米波雷达能够适应高速公路对防撞系统的要求。因为超声波有探测距离上的限制，激光受天气等条件的干扰大，红外线方式容易受到天气和路边等物体干扰的影响。而毫米波雷达具有稳定的探测性能和良好的环境适应性，受雨雪雾阳光的干扰小，可以适应各种天气，同时可以测量目标物体的相对速度及方位角等参数。此外，在相同的测量条件下毫米波雷达结构简单，分辨率

高、天线部件尺寸小，因此，能够适应汽车防撞需要的雷达应该有以下特点：（1）尺寸小、价格低

车用雷达必须考虑到安装的方便性，特别在目前人们对车辆的外形比较考究的情况下，雷达的安装不能影响车辆的其它功能和美观性。雷达的体积应尽量的小，从而可以很方便的安装在汽车仪表盘或隐藏在其他位置。此外车用防撞雷达的价格是不可忽视的一个重要因素，在目前这种汽车本身价格就比较低的情况下，车用雷达的价格必然会影响到其普及应用。

（2）作用距离要达到百米以上

一般情况下，车速为100Km/h时，车间距离应为100m，车速为80Km/h时，车间距离应为80m，即车辆的安全距离数和相应的速度相当。因此在高速公路情况下，车用雷达的探测距离要大于100m。

（3）雷达的射频硬件结构简单，天线口径小

车用防撞雷达一般倾向于调频连续波方式，主要因为该方式发射功率可以很低，这样其射频结构比较简单，雷达的成本就会降低，而且天线口径小，对于毫米波雷达来说，可以保证良好的角分辨率，减小雷达的尺寸。

3.2汽车防撞系统的总体构成

汽车防撞预警系统由信息采集单元、信息处理单元和信息输出装置三部分组成。信息采集单元由毫米波雷达，自车速度传感器、转向角传感器、制动传感器、加速踏板传感器和路面情况选择开关等组成；信息处理单元主要为中央处理器；信息输出装置包括应经显示屏、报警蜂鸣器、报警指示灯等。

图3-1为系统组成方框图。（未画）

系统工作工程中，有信息采集单元不断地采集相关信息，如车间距离、相对速度、自车速度、有无转向、有无制动等，并将此信息传送至信息处理单元。信息处理单元根据自车速度、想读速度以及所建立的安全距离计算模型，计算出相应保持的安全距离并与实测车间距离相比较。若实测车间距离大于提醒报警距离，则进入下一工作循环；若实测车间距离小于提醒报警距离，则进行一次报警，提醒驾驶员松油门并做好刹车准备；当实测车间距离小于危险报警距离，则进行二次报警，促使驾驶员立即制动，以避免追尾事故的发生。液晶显示屏用于显示两车间实际距离及相应速度，报警蜂鸣器和报警指示灯用于提供声音报警和指示灯报警。

及时的报警可以有效地提醒驾驶员，促使其采取合适的应对措施，当驾驶员没有反应时，车辆将自动采取相应的措施。但若报警次数太频繁（如虚警率高），会使驾驶员感到频繁，对报警信号麻痹，起不到报警的作用。3.2.1信息采集单元

（1）毫米波雷达传感器

本系统采用一种调频联系毫米波雷达传感器，对前方目标进行探测，并通过雷达电子控制系统将目标的距离、相对速度及方位角传输给中央信息处理与控制单元。

（3）车速传感器

自车车速v，由装在自车上的旋转式霍尔效应车速传感器测得。霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳

定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点。其结构主要由齿圈、霍尔元件、永久磁铁和电子线路等组成。工作原理是永久磁铁的磁力线穿过霍尔元件通向触发齿圈，这时齿圈相当于一个集磁器，由齿圈旋转引起穿过霍尔元件的磁场变化，从而引起霍尔电压变化，左后通过电子线路变换成标准脉冲电压。前期开发中采用的单脉冲，导致自车车速测量不准，而且采样速度所花费的时间太多，大大影响了整个系统运作的准确性和实时性。现阶段我们采用10（？）脉冲输出，原理如3-2所示（未画）（3）转向传感器

按照系统设计，当车辆处于弯道行驶或超车状态时，应当实施报警抑制，这时就需要使用转向角度传感器（Steering-Anglr Sensors,简称SAS）。

按照测量原理，SAS可以分为光学式、电磁式、电感式、电容式和阻尼式等。其中光学式传感器应用最为广泛，寿命长、设计简单、用途广、精确度高，但受污染影响大；电磁式传感器为非接触，无磨损，受污染影响小，但对外界干扰敏感；电感式传感器受电、磁场干扰较大，在做相应补偿后可用于车载环境，今年来用量增加，可用于轴、阻风门、加速踏板位置的角度测量，测量范围10度-360度，精度可达0.3度。

（4）制动踏板传感器

光学式制动传感器从制动指示灯贿赂得到制动信号。制动传感器用来监测车辆是否处于制动状态，以便于系统决定是否要抑制报警。驾驶员采取制动措施时，脚移动到制动踏板上产生压力后，便可以得到一个开关信号。

制动踏板传感器示意图如图3-3所示

3.2.2中央信息处理和控制单元

1选择芯片简介

整个系统是以数字信号（Digital Signal Processor）为核心实现。

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别合适于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用实时快速地实现各种数字信号处理算法。

本文根据毫米波汽车防撞雷达系统的总体设计要求，采用TMS320VC5402和ADC芯片THS1206、flash存储芯片 28F160B3BA90等期间设计了数字信号处理机，该处理机可实时计算目标的距离和速度，并提供了一个多媒体的报警显示平台，方便司机使用。TMS320VC5402(以下简写为VC5402)为TI公司C54x系列定点DSP芯片中的一种。

2.硬件设计介绍

图3-4所示为数值信号处理机的硬件原理框图。如图所示，输出的模拟信号是单路的，它来自于前端线性调频雷达的中频放大器的输出，当目标在1-100m 之内时，该输入信号的频率保持在7.1-711.7kHz之间，幅度保持在-1— +1v之间由低噪音快带运算放大器THS4022构成的电平移位电路将输入信号的电平搬移到+1.5 — +3.5v之间，以满足ADC芯片THS1206对输入信号电平范围的要求。THS1206以2MHz的频率对中频信号（CH1）采样，A/D转换后的数据被VC5402接受。VC5402对采样数据进行2048点FFT运算，得到输入信号的频谱和中频频率，再根据公式计算出前方目标的距离和速度，目标的距离和速度通过8个七段数码管实时显示。同时，系统还通过蜂鸣器以及发光二极管进行声光报警闪存用

来存放信号处理主程序代码，当信号处理机脱机运行时，主程序代码能够在系统加电后自动装载到DSP片内RAM中运行。

3信号采样及存储

THS1206共有4个单端输入通道，中频信号进入输入通道CH1，而输入通道CH2没有接收任何信号。通过对ADC控制寄存器的设置，我们使THS1206工作在双通道连续转换方式，自动地轮流采样输入通道CH1和CH2即CH1，CH2，CH1，CH2,……。图3-5给出了ADC数据采样的流程图。采样数据目的地指针被初始化为2000H,采取终端服务子程序每读取一个采样值，该地址指针就自动加1，指向下一个采样数据存储单元。计数器被初始化为400H，中断服务子程序每执行一次，该计数器的值就减1，当计数器的值减为0时，中断服务例程执行了1024次，得到了8千个采样值，存放在数据存储空间2000H-3FFFH中。此后THS1206的采样时钟信号被关闭，使得THS1206停止工作。接下来主程序就开始对采样数据进行分析和计算。

4DSP信号处理流程

整个DSP软件的工作流程如下：首先进行系统初始化，对有关的寄存器和存储单元进行设置，使系统处于正常工作状态；然后把FFT运算所需的正弦余弦值表由程序存储空间读到数据存储空间；接下来就开始数据采样，在数据存储空间2000H-2FFFH得到4千个数据，它们构成2千个复采样值；对上述2千个复采样值进行2048点FFT运算，求出谱线值，并从中找到最大谱线强度所对应的频率，把它视为中频频率，由此可以计算出目标距离和速度；判断距离值是否在1-100m之间，如果是，则将距离和速度值送往数码管显示，捅死驱动蜂鸣器和发光二极管，实现发光报警，目标的距离越近，发光报警的频率越高。若距离值不在上述范围之内，则不进行报警。利用DSP片内定时器1的定时功能，可以使程序每隔50ms就进行一次从数据采样到距离速度显示的循环执行，从而实现距离与速度的实时计算和显示。

整个DSP软件的流程如图3-6所示。

5主程序代码并行引导的实现

当信号处理主程序调试完成之后，信号处理机需要脱机运行，即程序代码需要在系统加电后自动装载运行。这就得先把程序的可执行代码写入外部的非易失性山村中，此后在系统上电时，DSP片内ROM中所固化的引导装载程序就会将信号处理程序代码片内RAM中执行（DSP引脚MP/MC=0，VC5402工作再微计算机模式，此时片内ROM可用）。在这一用户代码的引导装载过程中，我们利用大容量的闪存对DSP片内有限而宝贵的存储资源进行了扩充，又充分发挥了DSP 片内RAM速度快的优势。在本文信号处理机的设计中，我们采用了Intel公司生产的容量为16Mbit的8F160B3BA90。

16位并引导方式下自举表的存储结构如表2所列。

整个并行自举引导过程为：VC5402上电复位后，MP/MC为低电平，DSP处于微计算机工作模式，从片内ROM的0FF80H处执行中断向量表的分支跳转指令，使程序跳转至0FFFFH的内容，找到自举表首地址4000H，然后从4000H处开始读取内容。引导装载根据4000H — 4007H这8个地址单元中的信息（见表1）将信

号处理程序从闪存的4008H — 4C07H搬移到片内RAM从0080H开始的地址中，最后从RAM地址100H开始执行信号处理主程序，从而完成了主程序的并行自举过程。

3.2.3信息输出及报警显示单元

信息输出装置包括液晶显示屏、报警蜂鸣器和报警指示灯。液晶显示屏用于显示前车的轨迹、两车间实际距离、相对速度及角度。

报警蜂鸣器可分为长音和短音两种，报警指示灯可分为红、黄、绿三种颜色、当提醒报警时，黄灯闪，同时蜂鸣器长音报警；当危险报警时，红灯闪，同时蜂鸣器急促短音报警；安全状态，绿灯亮，没有声音提示。当然也可以录入人的说话声报警。

3.3本章小结

本章比价了各种汽车防撞系统，通过对激光方式、超声波方式、红外线方式及毫米波凡是的优缺点的比较，选择了毫米波雷达系统。在选择了雷达方式的基础上提出来汽车防撞雷达的总体构成，整个系统分为三大部分：信息采集、中央信息处理器及控制信息输出报警。