肖宝森 阮浩威 简彩仁

摘 要：系统根据两个激光测距信号相继到达接收模块的时间间隔，得到后方车辆的速度，再由两个后方车辆的速度得到后方车辆在一定时间内的加速度。利用统计学方法估计手动刹车所需的反应时间，计算出在该距离情况下两车应当保持的速度差值与加速度差值，通过这两个数值计算出车辆允许的最大速度和最大加速度。无论两车是相对静止还是相对运动，均可进行停车后两车安全距离、警戒距离和危险距离的测算，当两车距离过小时，系统后车警示功能能够给予后车驾驶员更多反应时间，降低追尾事故发生的概率。

关键词：预碰撞;激光;速度;加速度;统计学;警示功能

中图分类号：TP39;U491.31文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）11-00-04

0 引 言

有关调查报告表明，大约有68.8%的交通事故是驾驶员在预计发生碰撞的时间上出现失误导致的[1-3]。如今大部分中高档车辆都安装有预碰撞刹车系统，但此系统的缺点在于，成功刹车可保证与前方物体的安全，却无法保证本车与后方车辆的距离。有时，拥有自动刹车系统的车辆即使成功刹车，却还可能遇到被后车追尾的情况，依然会酿成事故。因此，为了最大限度避免交通事故的发生，配备自动刹车系统的车辆包含后车警示系统功能就显得格外重要，该系统可以让车辆在行驶时提示本车与后车保持安全车距。

1 系统基本原理

1.1 激光测距原理

激光测距传感器是利用激光技术进行距离测量的仪器。它可以实现大量程的无接触距离测量，且抗干扰能力强。另外，距离限制在200 m以内的小型激光测距仪器于人眼无害，因此本设计采用该装置进行距离测量。

多个激光发射器安装在车尾，间隔8 cm。当装置启动后，激光测距开始工作，激光发射器向车尾各安装点的正前方发出激光，在测距过程中除激光发射与接收两个模块外，定时器也是本系统的核心，它在激光发射端发出信号时开始计时，在激光接收端收到折返回来的光束时停止计时，将计时结果转换为以s为单位的参数，并将数据送至单片机。

当后车处于静止状态时，有公式（1）：

式中：c为激光光速;?t为激光离开发射模块到返回接收模块的时间，（1/2）?t即激光抵达后车的时间;S为本车与后车的距离。另外，激光测距仪的工作温度要求在-20～200 ℃，正常室外温度基本处在该范围内。

系统由单片机组成电路中产生40 kHz频率信号的定时器、激光发射模块、激光接收模块、信号处理电路、OLED液晶显示电路与后车报警电路模块等组成。单片机是所有工作的核心，它操控各模块电路的工作，包括系统的启动与复位功能。在启动并复位后单片机发出10个40 kHz脉冲信号传递到激光发射模块对应单片机的命令端，发射模块开始工作，发出激光。当激光信号完全发射之后，定时器开始计数，且接收端不断扫描，一旦检测到折返的激光信号，定时器停止计数，得到公式（1）中的?t，再得到本车与后车的距离S，然后将该数据送入单片机以计算危险距离、警戒距离、安全距离，得到两车同时刹车并停车后的相对距离。

为了验证激光测距的准确性，做了16组测距实验，实验结果表明，该技术测距精度高。实际应用中激光测距的误差见表1所列。

1.2 本车与后车的车速、加速度的计算

当激光测距得到的电信号进入单片机时，单片机通过定时器将其转化为距离数值，即S。当后车处于运动状态时，将两车互为参照物进行比较，得到后车相对前车的平均速度：

式中：ΔS为第一个测试点距离减去第二个测试点距离的值;Δt为两个测试点的反馈间隔时间，2.5×10-5 s（f=40 kHz）。

式中：V1表示本车车速;V2表示后车车速。当V>0时，本车车速大于后车;当V<0时，本车车速小于后车。

通过两个测试点的间隔时间即可得到第一个后车速度，而计算后车加速度需要利用2个节点的后车速度，即由4个测试点得出2个后车速度，由此可求后车速度增量：

式中：V21表示后车经过第一个测试点的速度;V22表示经过第二个测试点的速度。

由此得到后车加速度：

式中?t=2.5×10-5 s。两倍是因为从第一个V到第二个V经历了2个测试点，即2个信号周期，所以两车相对加速度?a=a1-a2，a1为本车加速度。因此，为了得到1个相对加速度的数据需要4个周期的激光信号，单片机连接激光接收模块所接收的电平信号如图1所示。

每一个脉冲点代表单片机收到一个时间数据，经过计算转换成距离数据。例如一个周期4个点就会得到4个S的值，如20 m，30 m，23 m，14 m。图1的脉冲点代表着每一次计时器的停止、每一次距离计算的开始、每一次信号记录的开始。测试点1～4为一个数据收集周期。

1.3 刹车反应时间的分析

危险状况发生时，一名正常情绪的健康男性驾驶员在无机械故障情况下采取的制动反应过程所需时间为其意识危险到采取制动动作（刹车系统开始工作）所需的时间（包括刹车系统的机械反应时间）。通过对时间参数进行分析，得到的平均值为一般情况下该驾驶员制动反应所需时间[7]。

根据文献[8-9]所做的实验，在测试车辆上安装一个实时速度检测器，驾驶员以60 km/h的速度在平坦地面正常驾驶，并在远处设置海绵障碍物，当海绵障碍物进入驾驶员认为的危险距离时，驾驶员刹车，最终将速度降为0。经过实时速度检测器的反馈得到数据，刹车速度曲线图2所示。从图中可以得到当驾驶员意识到危险时到车辆开始刹车时所经历的反应时间。当时间到达1.5 s时，刹车系统开始工作，所以从危险预警开始的时刻，到刹车系统正式工作的时刻即为本系统需要手动控制的制动反应时间。

经以上计算和判断，可以估算手动制动的反应时间约为1.5 s。另外，在真实交通场景下我们还需要判断驾驶时的环境、情绪等不可控因素对驾驶员制动反应时间的影响[10]，因此对所有驾驶员中最有代表性的五种人群类型，即成年男性驾驶员、微酒驾男性驾驶员、个人情绪不稳定的男性驾驶员、高龄男性驾驶员、成年女性驾驶员进行抽样调查，调取每类人群所涉及的事故近200起進行刹车反应时间统计。统计结果表明：微酒驾男性驾驶员的制动反应平均时间是所有类型人群中最长的，为1.36 s。所以，如果保证了微酒驾男性驾驶员刹车时不发生危险则理论上其他类型人群也基本不会发生危险。

将“危险开始到驾驶员意识到危险所需要的时间Tμ”与“驾驶员意识到危险到车辆制动装置开始工作的时间间隔Td”相加，得到系统需要额外补偿给自动系统的反应时间Tμ+Td=1.36 s+1.5 s=2.86 s。

1.4 距离控制

为了保证系统刹车的可靠性，采用的驾驶员反应时间Tμ=1.36 s，另外，制动器协调时间Td=1.5 s。

根据上文，由激光收到反馈信号的间隔时间（2.5×10-5 s）

计算得出?a，再由四节点算法得出后车车速V2和加速度a2。

由以上各参数值求得本车刹车后车速降至0的时刻本车与后车的瞬时距离D为：

在市区车速偏低时，为了让系统不轻易启动工作，应将危险距离与警戒距离设置为动态值，可根据车速的变化而变化。假设最大警戒距离为2 m，则D≥2 m时为安全距离。因此，当D=2 m时，利用上式逆推计算得到V1值。此时为保持安全车距，后车最大车速应不高于该值，即V2max≤V1。一旦后车车速高于V2max则报警系统启动。系统设置最大危险车距为最大警戒车距的40%，当后车与本车刹车后距离小于警戒车距时车尾警示黄灯亮并闪烁以警示后车保持车距，当后车与本车刹车后距离小于或等于危险车距时，本车警示喇叭响起以警示后车危险。

2 系统软硬件设计

2.1 流程

系统所需要检测的是激光模块发出并且遇到物体折返回来的信号。当系统初始化之后，不断进行检测，并通过控制计数器的开启与关闭得到两次信号之间的时间差值?t，这是需要从外部输入的数据。软件的核心部分是对数据的处理，处理后可得到与障碍物的距离、后车车速和后车加速度等信息，用于准确计算安全距离界限值与危险距离界限值。最后是显示部分和控制部分。单片机将车距和后车速度显示于液晶显示器上，然后根据当前车距的情况向后车做出不同的报警动作，具体流程如图3所示。

2.2 激光发生电路

激光发生电路的调制编码部分采用集成芯片的硬件实现一个8地址4数据的编码。LDM激光发射器为自动功率的电路驱动，可以保证激光二极管的输出功率稳定。激光发生电路如图4所示。

2.3 激光接收电路

使用接收探测器接收红光波段的光线，响应时间为5～30 μs。使用集成芯片电路系统进行检波放大输出，放大后的信号传输到解调解码芯片处，将其解调为8地址4数据的解码输出。激光接收电路如图5所示。

2.4 危险距离警示电路

本系统不会因为本车与后车刹车后距离小于安全距离而对本车进行速度控制以改变车距。本模块不操纵车辆的速度，当后车与本车刹车后距离小于警戒车距时车尾警示黄灯L1，L2闪烁以警示后车保持车距，当后车与本车刹车后距离小于或等于危险车距时，本车警示喇叭响起以警示后车危险（电路图设计中暂时用蜂鸣器代替警示喇叭）。

警示电路由蜂鸣器、三极管和LED警示灯等组成，利用PNP三极管控制蜂鸣器。当本车与后车处于安全距离以外时，BUFF引脚无输出，三极管不导通，蜂鸣器无电流通过。当本车与后车进入安全距离范围时，BUFF引脚输出一个低电平信号，将原本的高电平置为低电平，此时三极管导通，蜂鸣器有电流通过，蜂鸣器工作。危险距离警示电路如图6所示。

3 结 语

该系统通过激光测距得到本车与后车之间的距离，由单片机处理核心数据，经单片机计算后得到本车与后车速度、加速度等数据。设定合理的安全距离的界限值和危险距离的界限值，通过这两个距离的界限值将两车所处状况划分为三个区域，即安全区域、警戒区域与危险区域。本系统相比于探测前方车辆并形成刹车方案的自动控制系统，增加了两车停车后距离的动态把控。当本车车速低时该系统的启动距离非常小，当本车车速为0时，系统不再工作。若本车车速不断增加，则两车停车后的安全距离随之增长，且增长速率逐步加快。本系统与测量前方车距的“预碰撞自动刹车系统”互不冲突，可同时工作，在保证本车与前车安全距离的同时提示本车需要与后车保持安全距离，以最大可能防止追尾事件的发生。

参 考 文 献

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