尹金楷 魏 玉

（三门峡职业技术学院 机电工程系，河南 三门峡 472000）

引言

近年来，人们的生活节奏逐步加快，在出行时对汽车的行驶速度要求更高，车辆在高速行驶时由于制动系统的反应时间不足，在出现紧急情况时极易发生碰撞，造成很严重的交通事故。交通事故数量居高不下（如表1所示），由此引发的人员伤亡严重，已经成为突出的社会问题。交通事故的诱因很多，如酒后驾驶、疲劳驾驶、违章操作等，需要注意的是，其主要体现形式都是车辆之间、车人之间、车物之间发生的碰撞，因此研究汽车防撞系统是非常有必要的，在未来有助于减小因碰撞发生的交通事故发生概率，降低人员财产的损失。

表1 我国交通伤亡事故历年统计

通过对历年来汽车碰撞事故进行分析表明，在发生碰撞事故总数中，超过80%的都是驾驶员的反应时间短，难以及时降低车速而造成的；超过半数是汽车之间发生的碰撞，如追尾等。其他为车与物之间的碰擦事故。根据以上分析可以得知，若驾驶员在事故发生前可以拥有更多的时间进行操作，则能有效的降低事故发生的概率。因此，汽车防撞系统的研究应运而生，该系统能够在车辆可能出现碰撞时及时发出警报，驾驶员接到报警后可以提前采取相应措施，防止发生碰撞。

自1980年开始，汽车防撞预警系统就开始逐渐得到人们的重视，很多研究机构还有汽车厂家花费大量精力去研究，原因可以归为下面几点：（1）交通事故的危害性。局部完全统计，每年都要100多万人死于交通事故，交通事故所带来的损失是不可估量的，不仅有经济上面的损失，还有对家庭等所带来精神创伤；（2）科学研究表明，预警系统能够早1秒的报警，交通事故可以减少近5到9成；（3）汽车市场中，很多客户都会将汽车的安全性放在首位，这也是刺激汽车制造商致力于汽车预警系统发展的一个主要原因；（4）汽车预警系统还有很广阔的发展前景。

目前在汽车防撞预警系统中主要有激光测距法、红外线测距法、超声波、雷达等防撞系统。文章主要对激光测距法与红外测距法进行了着重分析，并指明了未来的发展趋势。

1 汽车防撞预警系统的原理

汽车在行驶中，预警系统会利用相关技术对汽车周围所存在的潜在威胁进行追踪，一旦发现可能出现碰撞的目标，传感器将信号传给预警系统，预警系统就会发生报警，提醒驾驶员威胁方向和等级，司机根据提醒就会做出事先的防范，从而最大程度上避免了事故的发生。汽车预警系统的工作过程分为四个部分：信息收集、处理、危险等级判断以及报警。信息收集阶段所采用的技术有雷达、激光、超声波、红外线等，通过这些技术可以探测汽车四周的潜在危险；处理阶段主要是预警系统对信息进行的处理分析，主要判断所搜集的信息中，哪些是主要的危险因素，这个阶段用到的技术设备有ARM、单片机等，高级设备还配有专业的CPU等计算机核心设备；信息的判断阶段就是根据信息处理后情况，对潜在危险因素的速度、车型以及天气状况进行动态的识别；报警阶段主要是根据所确定的危险目标，进行方向、等级的反馈，并通过声光形式传递给驾驶者，驾驶者根据这些信息可以预先对危险等级的因素进行重视，防止汽车相撞现象的发生，预警系统根据所采用的信息搜集、处理形式的不同，可以分为不同的类型。

2 激光测距的基本原理及其系统的建立

2.1 原理

激光测距技术按照技术手段划分可分为连续波相位法测距及脉冲测距。其中脉冲测距的测量距离相对较短，且测量效率低，结构复杂，造价高，而连续波相位测距法连续性高，测量的距离大，分辨率可达到毫米级，因此在进行常远距离测距时往往采用的是激光脉冲测距法。脉冲激光测距的工作原理是通过激光光源向目标发射一个间隔时间极短的激光脉冲信号通过分析测量光脉抵达目标并由目标反射返回到接收系统的时间进而计算出目标的实际距离。由于光速非常快，且受到气压、湿度、温度的影响微乎其微，所以距离测量精度很高。设目标距离为R,光脉冲往返时间为t,光在真空中的传播速度为c则目标距离为:

在脉冲激光测距中，t通常是通过测距计数器对从发射脉冲到目标并从目标返回到接收系统期间进入计数器的时钟脉冲个数的累计来测量的,具体计时波形如图1所示。设在t时间内,有N个时钟脉冲进入计数器,时钟脉冲的振荡频率为,则目标距R 可由式（2）计算[1]。

式中L=c/2,表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量,L的大小决定了脉冲测距的测量计数精度。

图1 计时波形

2.2 系统建立

系统一旦运行，激光测距装备就会自动运行，在电动云台的带动下，可以检测到的环境信息比如潜在危险的方位、速度等，反馈给控制中心。控制中心要对信号进行分析、处理，通过特定的算法进行计算后，会对各信号可能发生的危险进行判断，做出危险等级的判定，如果等级达到目标，就会发生声光报警，驾驶员根据报警系统所提供的信息，可以对车的行进方向、速度或者其他的瞬间动态做出调整，从而让事故发生的可能性降到最低（图2）。

图2 汽车防撞系统框图

2.3 特点

采用激光技术的汽车防撞预警系统，通常所具有的特点也是雷达的相关优点，比如信号采集速度快、所用时间段以及高精度的特点。但是激光系统存在着不可避免的弊端，比如对人体的伤害、在多雾的天气，激光的传播效率差等，因此系统的普及受到了很大的限制。

3 红外线测距基本原理及其系统的建立

3.1 基本原理

红外线发射器不断发射出频率为四万赫兹的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号,并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差t,即可求出距离s[2]。

式中,c为光速度。

本文所要进行的测量方式主要是依据单片机处理的原理，采用“计数方法”，主要的工作过程是这样的：红外发射装置始终处于ON的状态，当有红外线反射回来后，信号反馈会让“计数”装置自然增加，然后计数器的工作频率会随着信号返回强弱进行调整，当红外信号第二次返回时，单片机就会下达给计数器停止计数的信号，电路中就会出现一个瞬间的停止计数的脉冲，这个脉冲会让计数器的计数活动停止。通过编程处理，单片机会对程序自动运行，脉冲数量n乘以脉冲周期T,可以得到红外接收信号的时间差t,可以用公式表达如下：

(4)式代入(3)式可得出测量距离。

3.2 系统的建立

根据以上的测距原理,设计出系统的基本框图如图3。红外发射电路所发射的红外线，频率达到4万赫兹，且遇到前面障碍物体时将会发生反射，红外线的接收装置收到第一次红外线反射信号时会同步将信息传递给单片机相应的脉冲信号，此时单片机内置的计数装置触发启动[3]；当接收装置接收到第二次的反射信号时，同样单片机也会产生相应的信号控制计数装置，此时计数装置停止计数，这两次的数据经过后台计算在终端显示出相应的测量距离[4]。

图3 红外线测距系统基本框图

3.3 特点

红外热成像系统所处理的对象是温度，与可见光没有关系，因此即使到了夜间，这种系统也是可以工作的，汽车预警系统采用这种技术就可以避免传统的激光、雷达还有超声波等技术的固有缺陷，即使到了大雨、大雪或者雾霾天气，照样可以正常运行。目前奔驰S-Class就运用了这种报警系统，此系统因为工作原理的特殊性和复杂性，因此，不管是软件还是硬件他都是要求比较高的。

4 未来发展展望

随着电子技术的发展，很多预警系统也得到了突飞猛进的发展，今后汽车防撞预警系统应该从下面几个方面去考虑设计问题：（1）提高报警精度，减少误报的现象；（2）扩大可检测范围和距离；（3）增强报警系统的稳定性；（4）对驾驶员的疲劳程度进行检测和判断；（5）对引起报警的变量进行扩展，不仅要考虑到传统的距离、速度等因素，还应该考虑到汽车的相对速度、天气、车型等诸多条件；（6）根据不同的车型，设置不同的智能报警系统，因素车型、车速等都会对报警距离还有报警速度的范围进行影响；（7）制定相关行业标准。汽车防撞预警系统的运用大大提高了汽车的安全性能，在它的带领下，无人驾驶技术也得到了长足发展，从而促进行车安全性的稳步上升。

[1]邓金城，黄席樾，邓小丽，等.汽车防撞系统中的危险估计与超车决策[J].计算机仿真，2004(11):207-210.

[2]贺乐厅，孙利生，翟羽健.汽车防撞雷达实验系统的研制[J].工业仪表与自动化装置，2003（3）:14-16.

[3]蒋飞，朱攀.汽车防撞系统对前方道路的几何估计[J].上海汽车，2005（12）:26-29.

[4]韩赞东，陈强，尉昊赟.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用[J].测控技术，2002（8）：10-12.