货车防追尾撞击安全防护技术分析

1、货车防追尾撞击安全防护技术分析第一章：前言1.1 货车防追尾安全防护技术的研究背景1.2 研究的目的和意义1.3 国内外研究的现状1.3.1国外研究现状1.3.2国内研究现状第二章：货车防追尾安全防护技术的组成系统及工作原理2.1防追尾安全防护技术的组成系统2.1.1组成系统概述2.1.2测距传感器单元2.1.3控制单元与执行单元2.2防追尾安全防护技术的工作原理2.3防追尾安全防护技术的系统处理流程第三章：行车安全距离及其模型分析3.1行车安全距离3.1.1行车安全距离的定义3.1.2行车安全距离分析的前提条件3.2 行车安全距离模型的分析3.2.1车辆制动减速过程的分析3.2.2后车制动分

2、析3.2.3前车制动分析3.2.4行车安全距离的确定第四章：防追尾功能的实现4.1距离信息的接受4.2两车相对速度计算4.3本车速度信息的收集4.4前车速度计算4.5行车临界安全车距计算4.6安全/危险判断4.7报警功能的实现第五章：货车防追尾安全防护技术应用前景分析第六章：结论摘要 随着我国经济社会的快速发展，货车越来越普及，交通事故也逐年增多，道路交通安全形势越来越严峻，已成为世界性的严重问题。据有关统计资料表明，在众多的交通事故中，追尾碰撞引起的事故占最多数。而货车因其载重量多，惯性大，刹车困难，更易引起追尾事故，且在事故中造成的人身伤亡和财产损失都是巨大的。因此，研发一种高性能的货车防

3、追尾撞击安全防护技术成为迫切的需要。 目前，世界各国都在研究更加实时可靠适应性好的货车防追尾防护技术，以进一步提高货车行驶的安全。货车防追尾撞击安全防护技术就是在货车有追尾碰撞危险时，能立刻发出警报信号，提醒司机处理，并在必要的时候自动启动制动系统，尽量避免交通事故的发生。 本文在借鉴了国内外诸多货车防追尾防护技术研究成果的基础上，从车辆动力学和运动学两方面分析了货车的制动过程，介绍了安全行车距离等相关概念。通过对整个技术的组成系统：各种传感器、数据采集电路、控制电路、声光报警电路、液晶显示电路等的解述，介绍了货车防追尾技术的工作原理和防追尾功能的实现。对该技术的应用前景也作了简单的分析。最后

4、，对全文进行了总结，指出了该技术的的不足之处，并提出了一些改进建议，希望能够对以后此技术的发展有所帮助。关键词：防追尾技术 安全防护 行车安全距离 第一章 前言1.1 货车防追尾安全防护技术的研究背景 货车给人们带来了方便，但同时随之而来的问题也显而易见，随着车辆的增多，交通事故越来越频繁，导致的财产损失和人员伤亡数目惊人。交通事故己成为世界第一害。为此研发的智能安全气囊、安全带等安全装置的出现虽然能减小交通事故中人员的伤害，但都是事发后起应急保护的被动式防撞击保护装置，作用有限。 通过对交通事故的分析，80%以上的车祸是由于驾驶员没有及时做出反应造成的，超过65%的车辆间相撞属于追尾碰撞，如

5、下表1-1所示。 而追尾事故中最严重的就是货车追尾，无论是从事故的数量上还是严重程度上来说，货车追尾都是对人民生命财产的重要威胁，因此，研究出一种主动防追尾撞击的技术便应运而生。1.2 研究的目的和意义 货车发生碰撞的主要原因是货车距其前方物体（如货车、行人或其它障碍物）的距离与货车本身的车速不相称，即距离近而相对速度又太高。为了防止货车与前方物体发生碰撞，货车的车速就要根据与前方物体的距离变化由执行机构进行控制，使货车始终在安全车速下行驶。 货车防追尾撞击安全技术作为一种主动安全技术，它可以准确的测出前方目标的速度和距离，发现潜在危险时及时向司机发出报警，紧急情况下可以自动做出反应，避免事故

6、的发生。因此，货车避撞等主动安全装置的大力研究开发具有重要意义，可以减少驾驶员的负担和判断错误，对于提高交通安全将起到重要作用。显然，货车防追尾撞击主动安全技术的研究具有极大的现实意义和广阔的应用前景。1.3 国内外研究的现状1.3.1国外研究现状 货车安全性研究是货车工业可持续发展战略中的重要项目。发达的货车工业国家都耗费了巨大的人力、物力、财力不断研制新型的货车安全装置，并在国家的法规、政策指导下，开发了各种安全运行的交通系统，。此后，国际货车界获得了一些富有突破性的成果。进人二十世纪90年代，由日本运输省为主导，制定了称为“先进安全货车(ASv)”的第一期计划(1991一1995年)，该

7、计划在1995年已经宣告完成。对于先进安全货车(Asv)本身来讲，由于充分有效地应用了电子技术和计算机技术，在二十世纪90年代它就被应用到大批量生产的货车上，而货车作为运输的重要工具，更是在此之前就已经采用了该技术。进人二十一世纪，将研制成功对各种安全技术进行综合控制的安全系统。 在欧美等国，货车作为他们国家的支柱性产业的发展战略组成部分，对货车安全性的研究一直是在有序的、有计划的状态中展开的，并且制定了近期、中期、远期的规划，在国家法规、政策的指导下通过产、学、研的联合，逐步地付诸实施。各国都投人了相当的力量，实施在货车安全技术方面的各项课题研究。在德国，维尔德黑布吕格公司光学传感器分部研制

8、了MEAR系统，这种激光测距系统由3部分组成：1台传感器头(包括测距传感器和电视摄像机)，1台数据记录器和控制单元，以及1台仪表板显示单元，位于车头前的这种系统可向司机提供与其它车辆和障碍物之间的距离及相对速度数据，还可提供视频图像。为了探测车头正前方以外区域的障碍物，美国通用货车公司正在研究一种称之为“视觉控制雷达”的碰撞警告系统。该系统由1台电视摄像机来测定道路边界和曲度，再根据电视摄像机所获得的信息来控制激光雷达，这时激光雷达就可随着货车的实际路线来调整探测的方向，增加有效作用距离，实现对障碍物的最佳探测。这些技术目前正在研究中或只在某些高档轿车上作了应用，而货车防撞击技术也只是这些技术

9、中的一角，一些高级技术正在逐步应用到货车上。1.3.2 国内研究现状 我国在二十世纪90年代就对主动安全技术的发展表示了极大关注。90年代中期以来，我国交通运输界的科学家和工程技术人员开始跟踪国际上智能交通系统（ITS）发展，交通部将智能交通系统的研究纳入了科技发展“九五”计划和 2010 年发展纲要，并于 1998 年 1 月成立了智能交通运输系统工程研究中心，国家科技部筹建了中国 ITS 政府协调小组。在国家政策的支持下，我国在货车防撞系统研究上也取得了一定的进步。 航天工业总公司 8358 所激光研究室采用窄脉冲半导激光测距技术，所开发的货车防撞装置作用距离大于 30 米，测距精度小于

10、1 米，但仍然存在一些关键性技术问题未解决，而且价格偏高。广西大学计算机与信息工程学院及华中理工大学电信系共同研制的一种毫米波货车雷达系统采用线性调频连续波（LFMCW）雷达体制，发射频率按周期性三角波调制，前端主要包括收发天线、定向耦合器、混频器、调频振荡器，控制单元部分用单片机系统实现，由 NRD 波导构成的集成收发前端及小型化菲涅尔天线。上海货车电子工程中心研制的SAE-100 型毫米波防碰撞雷达系统样机，采用零差FMCW 体制，工作频率 35GHz，测距范围大于 100m，测速范围大于100km/h。系统采用了增益为 26d B 的小型喇叭天线，发射功率 40m W 的波导结构前端，以

11、及先进的 DSP数据处理技术。整个系统由上下两部分构成：上面部分包括天线、前端和中频放大模块，输出信号为经过放大了的中频信号；下面部分为数据处理和显示报警模块，可以显示目标距离和相对运动速度。当目标距离小于100m时，根据距离的不同可以用三种不同的音调进行报警。 目前在货车上所采用的安全措施已越来越多，越来越完善，采取措施的原则是预防交通事故的发生和使事故灾难损失降到最小。同时最新研究还要求货车应有自动记录报导交通事故的系统(类似于飞机上的“黑匣子”以确定货车发生交通事故的真正原因)，这对“提高货车安全性”措施的研究是有很大帮助的。 我国货车防撞击技术的研究同国外发达国家相比，存在较大差距，近

12、距离报警比如倒车雷达己在部分车辆上安装使用，但是国内目前生产的中远距离测量装置普遍达不到要求，许多关键技术有待于进一步解决，而且价格也比较高。所以，我国货车防追尾技术的发展任重而道远。第二章 货车防追尾安全防护技术的组成系统及工作原理2.1 防追尾安全防护技术的组成系统2.1.1组成系统概述 货车防追尾撞击技术的系统属于货车的计算机控制系统，一般由感测控制信号的传感器，以计算机为核心的控制单元和实现控制意图的执行器三部分构成。传感器是系统中信息的输人部分，它用于感测控制系统外部的信息，并将得到的信息转换为电信号传输给控制单元。在货车防追尾撞击系统中，测距传感器则是把所测到的行车环境信息(前方车

13、辆的车距、方位等)传递给控制单元；控制单元是控制系统的中枢，是系统中的信息处理部分，它通过处理、分析和计算输人信息形成控制指令，并将形成的控制指令传输给执行器，危险时发出信息给执行单元，实现预报警；执行器则是控制系统的输出部分，它将电控单元形成的控制指令转变为实现控制目标的物理运动，执行单元主要是实现预报警功能，提醒驾驶员采取减速、制动和加速超车等措施以及自动向后车发出警告信息等。2.1.2 测距传感器单元 货车防追尾系统要实现所要求的功能，需实时的采集货车外界的信息及自车行驶状况，这些信息的采集都是由各种传感器来负责完成。由防撞模型可知系统需采集本车的速度和前后两车的相对速度，需测速传感器；

14、而测量自车与前方障碍物或者车辆间的距离是系统进行预警及紧急制动判断的依据，所以车载传感器还需实时测量两车的相对距离，需测距传感器。当然还需要其他各种类型的传感器相互配合工作，本文在此不作介绍，仅对激光测距传感器、车速传感器做简单的介绍。 激光测距传感器方向性比较强，缩小了光学系统孔径，从而减小和减轻了仪器的体积和重量。按照测程它可分为三种：短程激光测距传感器，中长程激光测距传感器，远程激光测距传感器。货车防追尾碰撞系统选用短程激光测距传感器，其价格适中，测距精度高，但易受恶劣天气的影响，会使探测距离下降。激光测距传感器是由控制电路、半导体激光器、光学系统接收放大器、逻辑计数、显示等单元组成，其

15、工作原理见示意图2.1。 图2.1 半导体激光测距传感器工作原理示意图 系统开机后，激光测距传感器就开始进行测距，它将距离信号通过串行接口发送到控制单元。半导体激光测距传感器拥有自己的控制单元，自己进行定时、计数和数据处理，将所得到的距离结果发送到货车防撞系统的控制单元，然后通过该单元进行前车速度计算、行车临界安全车距计算以及安全判断。 车速传感器类型较多，测量原理、测量方法和输出信号形式各有不同。因为系统所要求的测量精度较高，且车载环境对传感器耐油、水、热、电磁干扰等的要求也较为苛刻，所以经过比较分析，系统宜采用霍尔车速传感器。霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有精度高、灵敏度

16、高、线性度好、体积小、频率相应宽、动态范围大、结构简单、无接触等优点。传感器主要由齿圈、霍尔元件、永久磁铁和电子线路等组成。车速测定原理由固定于变速箱第二轴驱动的蜗轮轴转盘上或车轮上的一对永久磁钢产生旋转磁场，因该磁场的作用，在霍尔器件中产生脉冲信号，其频率与车速成正比，接着该脉冲信号经过放大，光隔和整形，送至控制单元分析，即可测算出车速。2.1.3 控制单元与执行单元 控制单元是货车计算机控制系统的核心，其主要作用是对输入信号进行处理，形成决策并输出相应的信号做出响应。根据计算机中相应程序对传感器和控制开关输入的各种信号进行运算、处理和判断，形成相应的控制指令，并控制有关执行器产生与控制指令

17、对应的动作，使货车被控系统实现快速、准确的自动控制。单片机因具有超小型化、功能强、可靠性高、价格低、性能价格比高和功耗低等一系列优点，在货车的实时控制中得到了广泛的应用。 控制单元与执行单元包括测距信息输入电路、车速信息输入电路、转向信息输入电路、语音报警输出电路、实际车间距离显示电路，各个电路相互协调配合，共同完成了系统的控制与执行。2.2防追尾安全防护技术的工作原理 系统开始工作时，测距传感器发出光或波，同进定时器开始计时，光或波返回被传感器接收到，计时器停止计时，计算出实际车间距离，并根据其变化率计算出两车间的相对速度，车速传感器将测得的车速传递给控制单元，将本车车速与相对速度相加得到前

18、车的速度，计算出这时的行车临界安全车间距离，送至控制单元与临界安全车间距离进行比较，如果实际车间距离小于或等于临界安全车间距离时，则控制单元发信号给执行报警单元，从而提醒驾驶员做出相应的动作，从而有效地避免事故的发生。为了防止被动不安全，控制单元在必要时也会发出报警信号给后方车辆，让后方车辆的驾驶员知道前方有不安全事件即将发生，提前做出动作，避免事态的扩大。2.3防追尾安全防护技术的系统处理流程 系统信息处理流程图2.2 本车车速计算：以来自本车车速传感器的脉冲为基础，计算车速。当考虑到算出的精度与响应性时，以车速传感器每转输出的脉冲数多为优。 车辆间距计算：对于来自测距传感器的距离数据，不需

19、要进行特殊的计算修正，排除异常数据以决定车辆间的距离。 相对速度计算：通过时间对车间距离的微分，计算相对速度。如果知道了相对速度，也就知道了先行车的速度。 行车安全车距的计算：以本车速度、先行车的速度、调置开关的状态为基础，计算行车安全车距。 报警输出：通过实际车间距离与行车临界安全车距的比较，综合分析本车所处的运行状态，判断是否会出现危险，如有危险，则输出报警信号。第三章：行车安全距离及其模型分析3.1行车安全距离3.1.1行车安全距离的定义 在我国，公路既有最低车速限制又有最高车速限制，汽车的行驶速度基本相等，没有横向行驶，从而形成了一个稳定的车辆流，可以把这种交通条件理解为理想交通流。在

20、理想的交通流下，如果车辆纵向间距过小，则容易发生追尾事故，反之，过大会影响道路通行能力。行车安全距离是指在同一车道上，同向行驶前后两车间的距离(后车车头与前车车尾之间的距离)，保持既不发生汽车追尾事故，又不降低通行能力的适当距离。3.1.2行车安全距离分析的前提条件 公路上同向同车道行驶的前后两车A，B。由于行驶着的货车的特殊性，不论 A、B 两车处于何种相对行驶状态，B 车驾驶员无法预知A车驾驶员下一时刻的行为。而在下一时刻如果 A 车驾驶员急刹停车，是最容易引起追尾事故的。所以为了避免追尾交通事故的发生，两车的距离应该保持在不会发生追尾事故的最小安全行车车间距离。下面就分析 A 车紧急刹车

21、时，B车为了不与 A 车追尾，B 车应该保持与 A 车的最小车间距离。本文的数学模型是在 A 车驾驶员下一时刻紧急刹车的情况下进行分析的。 图3.1 同向同车道行驶的前后两车A、B3.2 行车安全距离模型的分析3.2.1 车辆制动减速过程的分析 车辆安全行车距离的确定与车辆的制动距离有着紧密的联系，为此先介绍一下货车制动距离的概念，它是指货车开始时刻为某一速度（空档），从驾驶员踩着制动踏板开始到货车停住为止所驶过的距离，这一距离即为货车的制动距离。为了更好的分析制动距离，制动过程可分为以下几个时间段： 驾驶员反应时间t1：包括驾驶员发现、识别障碍物并作出决定的时间。 油门到制动踏板的切换时间t

22、2：把脚从油门换到制动踏板上的时间。 制动协调时间t3：包括消除制动踏板间隙所需的时间，消除各种铰链、轴承间隙及制动摩擦片完全贴靠在制动鼓或制动盘上的时间。 减速度增长时间t4：减速度增长到它的最大值所需要的时间。 持续制动时间t5：减速度不变，直到货车停止。3.2.2 后车制动分析 T时刻A车急刹停车并进入了持续制动时间，当 B 车发现 A 车急刹停车后B 车驾驶员也急刹停车，根据上面车辆制动过程的分析可知，在这一过程中B车经历了以下几个时间段：驾驶员反应时间t1，油门到制动踏板的切换时间t2，制动协调时间t3，减速度增长时间t4，持续制动时间t5。B车的制动距离s0为t1，t2，t3，t4

23、，t5各时间段里B车的行驶距离的总和，下面分别讨论在各段时间里B车的行驶距离。t1时间段里后车的行驶距离s1s1=Vb*t1t2时间段里后车的行驶距离s2s2=Vb*t2t3时间段里后车的行驶距离s3s3=Vb*t3t4时间段里后车的行驶距离s4s4=t5时间段里后车的行驶距离s5s5=Vb*Vb/2Jb在整个制动过程中后车行驶的总距离为Sb=s1+s2+s3+s4+s5=Vb*(t1+t2+t3)+ +Vb*Vb/2Jb式中，Jb为后车持续制动时的减速度3.2.3前车制动分析 因为t在时刻前车已经进入了持续制动时间，所以前车到停车所行驶的距离为Sa=Va*Va/2Ja式中，Ja为前车制动的减

24、速度3.2.4行车安全距离的确定 所以，当前车急刹车时，为了使后车不与前车发生碰撞，行车安全距离的表达式为S=Sb-Sa= Vb*(t1+t2+t3)+ +Vb*Vb/2Jb-Va*Va/2Ja第四章：防追尾功能的实现4.1距离信息的接受 自车通过速度传感器实时获取自车速度v，加速度传感器实时获取自车加速度a，利用超声波传感器实时获取自车车头与前车车尾之间的距离 S。4.2两车相对速度计算 通过对实际车间距离测量，由 CPU2 计算其对时间的变化率，即可得出两车间的相对速度。4.3本车速度信息的收集 通过对实际车间距离测量，由CPU2 计算其对时间的变化率，即可得出两车之间的相对速度。速度信息

25、属于频率信号。 频率信号在单片机中的处理方式有两种： 频率=N 个/1秒 频率=1/周期 在单片机进行速度信息处理时，由于实时性比较强，所以一般采用方式（2）但在汽车运行过程中得到的周期的脉冲宽度并不是固定不变的，在进行数据处理要对其进行平均处理，使所测得的速度值尽量接近本车的真实速度值。4.4前车速度计算 CPU1从DS1609中取出CPU2计算的相对速度信息，与本车速度相加就可得到前车的速度。4.5行车临界安全车距计算 CPU1根据本车速度和前车速度所在的范围查询程序存储器预先编制好的数据表即可得到行车临界安全车距。4.6安全/危险判断 将两车间的实际车间距离信息与行车临界安全车距进行比较

26、，若实际车间距离小于或等于行车临界安全车间距离，则判定为危险，否则为安全。危险时单片机则启动报警电路进行报警4.7报警功能的实现 报警电路被启动，系统就会发出报警。报警可分为声音报警和灯光报警，声音报警由 ISD2560 来完成，采用模式5；灯光报警由发光二极管导通或截止来实现。第五章：货车防追尾安全防护技术应用前景分析 近年来，随着汽车电子、计算机、传感器等新技术的发展，车辆主动安全技术和被动安全技术得到了显著发展，为提升车辆运行安全性，预防和减少道路交通事故，降低事故死伤人数创造了有利的条件。在过去较长的一段时间内，货车安全技术发展更多地侧重于被动安全，旨在降低碰撞后车内乘员的死亡率和伤害程度。防追尾安全防护技术作为一种主动安全技术，其主要目的是主动预防和减少车辆发生交通事故。 在国外，货车防追尾技术的发展基本与乘用车同步，有些甚至超越乘用车技术的发展。而在我国，长期以来，我国汽车防追尾技术的发展主要集中在乘用车上，对于载货汽车的安全性一直没有得到足够的重视，载货汽车防追尾技术水