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基于超聲測距的智能車輛防追尾安全測控儀

文檔作者：于海存王官文檔來源：唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月04日
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2013正
第6期
儀表技術(shù)與傳感器
Instrument Technique and Sensor
2013
No．6
基于超聲測距的智能車輛防追尾安全測控儀
于海存，王官
(唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北唐山063004)
摘要：針對機(jī)動(dòng)車輛行駛中的防追尾問題，提出了一種基于超聲測距原理的新型智能防追尾安全測控儀研制方案。
設(shè)計(jì)了超聲發(fā)射和接收傳感電路實(shí)現(xiàn)車距的快速測量，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距精度的提高和車距變化率的計(jì)算，設(shè)計(jì)了油
門節(jié)氣門開度的步進(jìn)電機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)車速的自動(dòng)輔助調(diào)節(jié)。在軟件設(shè)計(jì)中采用了嵌入式C語言和匯編語言代碼的混
合編程技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了測控儀的魯棒性。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方案測控精度高、可靠性強(qiáng)，能夠有效降低行駛車輛追尾
事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：超聲測距；防追尾；嵌入式；測控儀
中圖分類號：TP212．9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1002—1841(2013)06—0037—03
Design of M easure and Controller of Intelligent Vehicle Based on
Ultrasonic W ave Distance M easuring
YU Hai-cun，WANG Guan
(Tangshan Vocational and Technical College，Tangshan 063004，China)
Abstract：In order to solve the problem of vehicle anti—collision，a new measure and control instrument of the vehicle anti．co1．
1ision was designed．The ultrasonic transmitting and receiving sensor circuit was realized for vehicle distance measurement，using a
single chip microcomputer，ranging accuracy and distan ce calculation of the rate of change of the accelerator．Design of solar term
door opening degree of the stepper motor control scheme realized speed automatic auxiliary regulator．In the software design of the
embedded C language and assembly lan guage code of mixed programming technology，further enhances the robustness of control instrument．
The experimental results show that the scheme has high measurement and control precision，strong reliability，and it can
effectively reduce vehicle rear-end accidents．
Key words：ultrasonic wave distance measuring；anti-collision；embedded；measure and controller
0 引言
近年來，對車輛行駛中的安全車距和防追尾問題的研究正
在逐漸引起關(guān)注 I2 。然而現(xiàn)有成果在功能上多只限于預(yù)警，
當(dāng)存在安全隱患時(shí)只是通過聲光或屏顯等方式向駕駛員發(fā)出
報(bào)警信號。但實(shí)踐表明，駕駛員從看到報(bào)警到剎車減速至少需
要1．5 s反應(yīng)時(shí)間 ，按車速100 km／h計(jì)算，這1．5 S內(nèi)車輛前
行41．7 m，這嚴(yán)重影響了系統(tǒng)安全性。為解決這些問題，設(shè)計(jì)
了一種新型車載防追尾安全測控儀，基于超聲測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)車
距的高精度測量，充分提高了測距精度；在安全隱患的判定中，
采用車距變化率(即相對車速)代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的自身車速，有
效提高了測控可靠性；設(shè)計(jì)了基于步進(jìn)電機(jī)控制的車速輔助調(diào)
節(jié)裝置，在存在安全隱患時(shí)自動(dòng)降低車速，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)的
上述不足，取得了很好的實(shí)用效果。
1 測控儀的總體設(shè)計(jì)方案
該新型防追尾智能安全測控儀的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所
示，從整體上可以分為車距測量模塊和車速輔助調(diào)節(jié)模塊2個(gè)
部分。
測控儀在實(shí)際測距時(shí)，采用超聲反射測距原理 ，實(shí)際車
距為聲波傳輸距離的一半，即：
收稿Et期：2012—10—22 收修改稿日期：2013—03—20
核心控
制器
驅(qū)動(dòng)電路
放大調(diào)制
電路
超聲波發(fā)射頭
超聲波接收傳感頭
三 至 三 測距簍鎣
? ? 一— — 熱墅撮蔓燕
灘
圖1 測控儀的總體結(jié)構(gòu)圖
d=s／2=VOt／2 (1)
式中： 為傳播距離； 。為聲波在大氣中的傳播速度；t為聲波從
發(fā)射開始到被接收到的時(shí)間差。
考慮精度要求，檢波電路的檢測延時(shí)不可忽略，這些因素
必須予以消除。此時(shí)，式(1)應(yīng)化為：
d=s／2= (t—t )／2 (2)
式中：tt為電路的延遲時(shí)間常量，可通過試驗(yàn)獲得。
車速輔助調(diào)節(jié)模塊采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)式油門控制執(zhí)行方式，
啟／停動(dòng)作均由脈沖信號控制，不丟步情況，其角位移誤差不會(huì)
長期積累，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)
電磁式和電液式執(zhí)行方式的不足。
38 Instrument Technique and Sensor Jun．2013
2 硬件電路設(shè)計(jì)
綜合考慮性能價(jià)格比等因素，測控儀的硬件電路基于高性
能8位單片機(jī)AT89$51 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。文中對超聲波發(fā)射電路、
超聲波接收、車速輔助控制電路等主要模塊，進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2．1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)
超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)如圖2所示。在超聲波發(fā)射電路
中采用了壓電式超聲波換能器J，，利用壓電晶體的諧振完成超
聲波發(fā)射。換能器J 內(nèi)含2個(gè)壓電晶片和1個(gè)換能板，
AT89$51單片機(jī)通過P24控制NPN型三極管Q。向J．外加脈
沖信號并使其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率，此時(shí)壓電晶
片產(chǎn)生共振帶動(dòng)共振板來完成超聲波發(fā)射。設(shè)計(jì)中NPN型三
極管Q，選用了9014，圖中LED發(fā)光二極管D。用于指示發(fā)射
狀態(tài)。
圖2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)原理圖
2．2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
超聲波接收電路的設(shè)計(jì)如圖3所示，圖中J：為超聲波換能
接收傳感器，其輸出經(jīng)LM358的兩級放大之后送入LM567做
相環(huán)檢波，LM567 ’ 內(nèi)部包含一個(gè)穩(wěn)定的鎖相環(huán)路和一個(gè)晶
體管開關(guān)，當(dāng)LM567檢測到輸入端的信號頻率等于設(shè)定頻率
時(shí)，OUT輸出一個(gè)低電平信號，作為中端觸發(fā)信號送AT89$51
的外部中斷INT0端，AT89$51在其外部中斷0的服務(wù)程序中完
成測距計(jì)算等任務(wù)。
圈3 超聲波接收電路設(shè)計(jì)原理圖
2．3 車速輔助控制電路設(shè)計(jì)
車速輔助控制電路主要負(fù)責(zé)在本車與前車存在追尾危險(xiǎn)
時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)油門節(jié)氣門開度來實(shí)現(xiàn)車速輔助控制的任務(wù)。該
部分電路基于步進(jìn)電機(jī)控制方案實(shí)現(xiàn)，電路原理如圖4所示。
AT89$51通過P10和Pl1實(shí)施步進(jìn)電機(jī)的控制。
+5V +24V
機(jī)
+CLK VM
+DIR
l壘：廠— A五 -一CDLIKR
B GND
竺 亙 B
圖4 車速輔助控制電路設(shè)計(jì)原理圖
3 軟件程序設(shè)計(jì)
安全測控儀的軟件程序采用了嵌入式c語言和匯編語言
混合編寫完成，實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)射和接收、距離計(jì)算、安全狀況
判斷以及車速輔助控制任務(wù)。程序設(shè)計(jì)中，采用了中斷控制方
式，系統(tǒng)初始化、自檢等任務(wù)安排在主程序中實(shí)現(xiàn)；車距及其變
化率的計(jì)算以及車速輔助控制任務(wù)在外部中斷0的中斷服務(wù)
程序中進(jìn)行。主程序流程如圖5所示，P24置1實(shí)現(xiàn)NPN三極
管Q 的控制，從而啟動(dòng)J 發(fā)射超聲波信號，同時(shí)在程序中啟動(dòng)
一個(gè)專用于記錄超聲波從發(fā)射到接收的間隔時(shí)間的計(jì)數(shù)器；然
后程序自動(dòng)打開外部中斷INTO 并實(shí)時(shí)監(jiān)測其狀態(tài)。
啟動(dòng)
系統(tǒng)初始化
各模塊測試自檢
I：r24(--1．超聲波發(fā)射
超聲波傳播計(jì)時(shí)器啟動(dòng)
設(shè)置并打開INT0中斷
!』竺 !
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．!I!．．．．：．．．．．．．．．．．一
中斷響應(yīng)，中斷服務(wù)
N
中斷返回，主程序循環(huán)
圖5 安全測控儀的主程序流程圖
當(dāng)外部引腳INT0有效時(shí)，觸發(fā)第0號外部中斷，主程序循環(huán)
被打斷，轉(zhuǎn)而執(zhí)行INT0中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)流程
如圖6所示。在完成斷點(diǎn)及現(xiàn)場參數(shù)的保護(hù)之后，程序依次完成
超聲波的發(fā)射與檢測接收，然后讀取超聲波傳播計(jì)時(shí)器的時(shí)間數(shù)
據(jù)，并根據(jù)前面式(1)一式(2)完成本車與前車車距的計(jì)算。
根據(jù)《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定：機(jī)動(dòng)車在高
速公路上行駛，車速超過100 km／h時(shí)，最小安全車距應(yīng)為100
m；車速低于100 km／h時(shí)，最小安全車距不得少于50 m．一般
地，當(dāng)機(jī)動(dòng)車時(shí)速為60 km／h時(shí)，行車間距應(yīng)為60 m以上；時(shí)速
為80 km／h時(shí)，行車間距為80 m以上，以此類推。然而，隨著車
輛的老化和車輪的磨損，剎車距離會(huì)相應(yīng)延長；另外，該數(shù)據(jù)未
考慮前車車速，仍存在一定的安全隱患。為此，采用車距變化
率(即相對車速)代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)中的車速來判定當(dāng)前車距是否
存在安全隱患，有效提高了測控可靠性。車距變化率的計(jì)算如
下：
d =(dl—d2)／At (3)
第6期 于海存等：基于超聲測距的智能車輛防追尾安全測控儀 39
圖6 安全測控儀的中斷服務(wù)程序流程圖
式中：d 為車距變化率；d 、d2為相鄰兩次車距采樣值；At為兩
次采樣間隔時(shí)間。
當(dāng)兩車車距小于車速變化率時(shí)，判定為車距存在安全隱
患，程序通過PIO、P11引腳信號控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)油門節(jié)氣門
的開度控制，對車速做輔助調(diào)節(jié)，直至安全隱患消除。
4 測試分析
基于上述設(shè)計(jì)方案研制了基于超聲測距的車載防追尾安
全測控儀樣機(jī)，并在轎車、面包車、越野車、中型客車和小型卡
車等5種不同車輛上進(jìn)行了測試。在車輛的選取上，充分考慮
了車型、車齡、車況等因素，進(jìn)行了500車次的測試試驗(yàn)。測試
期間，該測控儀表現(xiàn)出了良好的性能，表1示出了6組典型測
試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。分析可見，測距精度高達(dá)97．5％ ，平均動(dòng)
作時(shí)間500 ms，提高了測控精度和車輛行駛的安全性，能夠有
效較低追尾事故的發(fā)生率。
5 結(jié)束語
提出了一種新型智能防追尾安全測控儀研制方案。基于
表1 典型測試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表
超聲測距原理進(jìn)行本車與前車行駛車距的高速測量，充分提高
了測距精度；設(shè)計(jì)了基于混合式步進(jìn)電機(jī)的車速輔助控制電
路，實(shí)現(xiàn)了車速快速調(diào)節(jié)；另外，在車距安全狀況的判定中，充
分考慮了兩車相對速度的重要性，以車距變化率代替?zhèn)鹘y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)
中的車速來判定當(dāng)前車距是否存在安全隱患，有效提高了測控
可靠性。測試結(jié)果表明該方案測控精度高、可靠性強(qiáng)，能夠有
效避免行駛車輛追尾事故的發(fā)生，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
目前，系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在了標(biāo)志308、大眾捷達(dá)、SUV馭
勝$350及福田時(shí)代輕卡2800等10輛不同車型的私家車上，顯
著提高了行車安全性。
參考文獻(xiàn)：
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算法及實(shí)現(xiàn)．交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003(1)：72—75．
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表，2007，28(10)：4—6．
作者簡介：于海存(1975一)，講師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。
(上接第l5頁)壓U= ，取測量值 =0，Y=0．091 3， ：0．476；
V — ．
l=20，Yl=0．254 5，zl=1．274。根據(jù)Y=似+b和方程
再l — 2
=a可以求得理論值，然后與實(shí)際值求差即得精度?？梢缘玫?
如下結(jié)論：
(1) =0．008 16x+0．091 3，將 =10帶入上式得到Y(jié)=0．
172 9，經(jīng)計(jì)算得到精度0．29％ ；
(2)z=0．039 9x+0．476，將 =10帶入上式得到Y(jié)：0．
875，經(jīng)計(jì)算得到精度1．2％；
經(jīng)計(jì)算，所得的精度在允許范圍內(nèi)。
4 結(jié)束語
無線數(shù)字水位傳感器智能變送器以MSP430F2013單片機(jī)
和WAP300C為核心，設(shè)計(jì)簡單可靠，通過對硬件部分、電源管
理模塊和軟件部分的研究，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)微功耗、無線傳輸?shù)脑O(shè)
計(jì)要求。該智能變送器測量誤差小，同時(shí)采用無線數(shù)據(jù)傳輸方
式，為引黃入晉工程提供了可靠的技術(shù)保障?？梢詫?shí)時(shí)地將各
地水位值，通過階躍式一級一級傳輸出來，可以方便地檢測水
位值。而且提出的方案非常簡單，可以直接將無線發(fā)射模塊換
成RS232芯片或者RS485芯片，即可做成RS232或RS485接口
的變送器。
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與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004．
作者簡介：劉紅樂(1986一)，碩士研究生，研究方向：新型傳感器與智能
控制。E—mail：liuhongleO126@163．com

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