数位电子安全距离测距器发展确保行车间距

數位電子安全距離測距器發展確保行車間距蔡宗甫國立高雄應用科技大學電子工程系conanrocky@.tw鄭平守國立高雄應用科技大學電子工程系pscheng@.tw鄭宇涵大仁科技大學資訊管理系hanhans.tw@.tw陳慧雯大仁科技大學資訊管理系paggy6866@黃榆粧大仁科技大學資訊管理系adaanna5221@.tw摘要在現今的汽車行車交通安全事故中，大部份造成事故的原因是由於駕駛人，未與前方汽車保持良好的安全行車距離所造成的。假如能夠在每一輛汽車內，加裝一套數位電子安全距離測量器系統，就可以讓駕駛人於行車時，注意到自己的行車速度與行車距離，不致於沒有與前方汽車保持良好的行車速度與行車距離，而導致發生交通事故。將數位電子測距感測器裝置在汽車前端，並與汽車的時速錶來做配合，以公式換算汽車的行車速度需要多少行車安全間距，將本公式以程式存入晶片中，組合成一套數位電子安全距離測距器系統。當汽車前端數位電子測距感測器，感應測得與前方汽車的距離後，數位電子測距感測器將與前方汽車距離的數值傳送回汽車內的系統，此時汽車的時速錶也將現在的行車速度數據傳回至系統，系統將傳入的現在速度與車距數據依載入公式開始換算。若駕駛人的汽車與前方汽車未保持當時行車速度應有的安全間距時，系統會發出警告聲，並告知駕駛人現在汽車行車速度及與前方汽車間距，並依當時汽車行車速度告知應保持的安全間距。目前的測量距離的方法可以用紅外線或超音波來實行，測量遠距離的感測器很多，儀器設備也不少，所以可以利用現有儀器設備內的模組技術，直接應用在本系統內。本數位電子安全距離測距器，可以使駕駛人不會因為汽車行車速度過快，或前方汽車速度突然減慢，而未保持安全間距，而造成交通事故，達到行車時降低交通事故發生，可以提升駕駛人的行車安全，深具成效。關鍵字：交通安全、行車安全間距、超音波、紅外線、數位電子安全距離測距器系統。壹、引言由於汽車行車速率太快時，未能與前方汽車保持安全間距，事故一旦發生，常造成連環車禍，且後果相當嚴重。依據交通事故資料分析顯示[4]，九十三年之肇事率、死亡率及受傷率相較於九十二年，肇事率上升20.8%，死亡率上升16.4%，受傷率上升67.0%。另就肇事車種分析，大貨車與聯結車之事故比例相對於所占交通組成仍屬偏高；就肇事原因分析以「未保持行車安全間距」、「駕駛不當」為首，共占93年全年事故之28.97%。其中「未保持行車安全間距」這一項，幾乎在每年的交通安全之事故中，是數一數二的。現在就歷年肇事原因統計表及統計圖[4]來看，如表一及圖一所示：分析項目民國64年至68年民國69年至73年民國74年至78年民國79年民國80年民國81年民國82年民國83年民國84年民國85年民國86年民國87年民國88年民國89年民國90年民國91年民國92年民國93年合計安全間距未保持行車191500410816844535131534252231914714191,672爆破輪胎11815410020338132017151319852587565超速66626411653142130271516155669381不當駕駛176436597209112133921181039663574519191415122,316不當裝載175710131013000000039駕車酒後1417361012141214242726272515165910313駕駛疲勞347045537614710102440225230故障機件6710473553331210000000267高速公路行人行走153031171771067547300022156其他8270117464334233750363758463034193343838合計7801,4481,4804052922562182782612752262371701079058891076,777表一歷年肇事原因統計表[4]圖一歷年肇事原因統計圖[4]由圖表得知要有效的避免或減少駕駛人於行車時，因為與前方車輛沒有保持適當的行車安全間距，而發生的車輛肇事故，則為一極具重要的問題。瞭解問題才是解決問題的最佳方法[5]，為了確保行車安全，並改善駕駛人「未保持行車安全間距」的交通問題，就成為本論文研究的主要目的。貳、測量距離相關原理製作測量距離儀器的方法有很多，我們可以利用超音波的技術來製作數位電子測距儀的感測器；也可以利用紅外線的技術來製作數位電子測距儀的感測器；當然更可以利用現有的產品技術來改良製作。現在我們先介紹一些超音波技術如何應用於測量距離，以及一些應用於測量距離方面的現有設備儀器等產品。一、利用超音波感測器人的聽覺可以聽得到的音波稱為可聽音，頻率高於人的聽覺範圍頻率（20Hz～20kHz）音波，使人的聽覺無法聽到的高頻率音波，稱為超音波（超過20kHz以上的音波）。實用的超音波頻率範圍在數kHz～GHz，依目的選用適當的頻率，強力超音波常用的範圍大都為數MHz以下[9]。超音波在空氣中的傳送速度，與粒子成份、壓力及溫度有關，如表二所示[10]。有數種產生（超）音波的方式，最常見的是"磁電式喇叭"，係利用音頻交流電產生交變磁場，和永久磁鐵的磁場作用形成推拒力，從而推動一碟形或錐形薄膜，使其來回振動產生音波。由於空氣粒子具完全彈性，碰撞時動能損失較少，如果空氣粒子撞擊結構緊密的粒子組織表面，例如：金屬、水面…等，由於無法造成對方位移，會以原有速度彈回，這些彈回的空氣粒子形成壓力波動，同樣會以音速向四周擴散。由於波動是由中心向四周擴散，遠處傳回的回音同樣地也擴散，所以傳回至原中心點的回音波幅很小，對點狀發射源而言，距離越遠所測得的振幅與距離平方成正比。量取回波傳回時間乘以當時空氣速度，即等於來回行程，來回行程的1/2即為發射點與反射物的距離如下式。D(距離)＝△T(來回時間差)×C(波速))÷2表二音波之速度(m/s)[10]固體Solids（20℃）液體Liquids（25℃）氣體Gases（0℃）GraniteIronCopperAluminumLeadLucite600051303750510012301840FreshwateSeawater(3.6%salinity)KeroseneMercury1493.21532.813151450AirHydrogenOxygenNitrogenSteam(100℃)331.451269.5317.2339.3404.8現今應用超音波的測量實例有很多，依介質可分為固體中、液體中、氣體中、人體中，例如：超音波顯微鏡、測深儀、風向風速器、超音波測距儀、超音波醫用診斷…等[8]。超音波的速度是每秒331±0.6×T公尺(T為攝氏溫度)，目前的超音波測距器具有下列特點[1]：（一）不受地形阻礙：只要在需要量測的直線距離上沒有太大的阻擋物存在，使超音波產生繞射而影響量測結果，其他不論在室內室外等有物品堆放或地勢崎嶇的地方皆可測量。（二）容易判讀：利用LCD顯示測量結果，可以很容易的讀取數值。（三）誤差小：誤差值在0.5%以內；隨著距離增加或縮短，其誤差比例不同。因為超音波的速度會隨著溫度而改變，在溫差大的地方量測，就會造成比較大的誤差，因此需要一溫度感測器來測量環境溫度，利用查表法或者基準單位校正使量測器的精度提高。超音波之產生及檢出，大致可以區分為：電磁感應現象、壓電現象、磁振現象…等應用，都是電能和伸縮（彈性）能轉換。電氣信號轉換成超音波後再發射的為發射器（喇叭型），用來把超音波轉換成電氣信號的為接收器。一般將兩者做在一起［超音波發射和接收］的稱為組合式超音波轉換器[11]。超音波測距儀發射器（Tx）及接收器（Rx）的原理如圖二與圖三所示。超音波發射器發射一頻率的脈波串，當碰到反射物體後經由超音波接收器所接收，利用從Tx碰到反射物再到達Rx的時間差，於室溫條件下的音速340m/s，計算出反射物與Tx、Rx的距離，超音波測距系統方塊圖，如圖四所示[11]。圖二超音波測距離L圖三超音波發射與接收元件圖四超音波測距系統方塊圖[11]一般超音波測距儀，需注意事項如下：（一）超音波測距儀器是以量取時間差為基準，而時間又以測出回波的抵達為主，為了準確的測定回波，必須測定一個以上的回波才可以，因此所測量的音頻要盡可能的提高，才能獲得較高的距離解析度。若使用34kHz超音波頻率f，音速V＝340m/s＝34000cm/s，則解析度為λ＝V／f＝34000/34000＝1cm(25℃)。（二）發射與接收元件需盡量靠近，否則會產生基線誤差如圖三所示，由畢氏定理可知：測得的距離為，會得到較大的數值，當（Dp／d）＞10時，則D與Dp的誤差值會在1%內，會使接收器產生共振，影響較近反射波的接收。（三）測量的環境（例如：溫濕度、氣壓、亮度)對準確度影響很大，若增大發射器的驅動力和接收器的振幅，就可以將信號接收或發射到較遠的地方，可以偵測較長波長的距離，但是反射的波數會增加，誤差產生的可能性就會相對增加。二、利用現有測量距離單元可利用現有測量距離單元來進行系統組裝，例如：台灣基恩斯股份有限公司[2]的測距感測器成品：LV-H67高功率傳統反射雷射感測器，如圖五所示，其規格如表三所示，搭配該公司的成品LV-20數字顯示器，如圖六所示，其規格如表四所示，來製作數位電子測距儀如圖七所示，明亮的雷射光線，就算是在較長的遠距離下，利用明亮的光束點仍可方便地進行光軸的校正與光學軸定位，因為能夠用目視方法檢查目標物上的雷射光，如圖八所示。最大檢測距離為50m(164')，如圖九所示。高速模式具有最快的80µs反應時間，比傳統感測器快了3倍。採用高速A/D轉換器，自動校正感測器的反應速度障礙。或者是將現有測量距離儀器設備內的測距模組技術拿來應用，例如：中翰國際科技有限公司的NikonLaser800s&Laser600&Laser400雷射測距望遠鏡，如圖十所示，其功能如表五所示[3]。或廣華電子商城的德製萊卡LeicaSpecial550M基本型雷射測距儀，如圖十一所示，量測距離為日光下0.2~50米±1.5mm[7]。將現有測量距離儀器設備內的測距模組技術，拿來應用於本數位電子安全距離測距器系統之測量距離功能方面。圖五LV-H67高功率傳統反射雷射感測器[2]表三LV-H67高功率傳統反射雷射感測器規格[2]LV-H67高功率傳統反射雷射感測器光源可見紅色半導體雷射，波長650nm，最大3mW，脈衝週期3.5ms檢測距離FINE65.6'20mTURBO98.4'30mSUPER98.4'30m最大檢測距離164'50m光點形狀光點直徑：約0.06"1.5mm（檢測距離：最大3.3'1m)環境照度白熾燈最大10,000lux，日光最大20,000lux環境溫度-10到+55℃（14到131°F），無凍結相對濕度35到85％，無凝結耐振動性10至55Hz，1.5mm雙振幅在X、Y、及Z3方向、各2小時圖六LV-20數字顯示器[2]表四LV-20數字顯示放大器規格[2]LV-20數字顯示放大器反應時間280µs至4.7mm工作模式LIGHT-ON/DARK-ON(可用開關選擇)檢測型式光強度識別、上昇邊緣、下降邊緣、A/B路衰減頻道分離設定計時器功能OFF延遲/ON延遲/單激，A/B路衰減頻道分離設定，可變量1至9999ms控制輸出NPN敞集極雙頻道，最大100mA(最大40V)，殘餘電壓最大為1供給電源最大DC12至24VDC±10％，漣波最大(P-P)10％環境溫度-10至+55°C(14至131°F)，無凍結相對濕度35至85％，無凝結耐振動性10至55Hz，1.5mm雙振幅在X、Y、及Z3方向，各2小時圖七LV-H67與LV-20搭配組合成數位電子測距器[2]圖八可以目視方法檢查目標物上的雷射光[2]圖九檢測距離[2]圖十NikonLaser800s&Laser600&Laser400雷射測距望遠鏡[3]表五NikonLaser800s&Laser600&Laser400雷射測距望遠鏡功能表[3]Laser800sLaser600Laser400視角6°6.3°6.3°雷射徑3.4mm2.5mm2.5mm精度±0.5公尺±0.5公尺±0.5公尺有效距離10~730m10~600m20~400m圖十一德製萊卡LeicaSpecial550M基本型雷射測距儀[7]參、數位電子安全測距器系統數位電子安全測距器系統的結構，如圖十二所示，第一個部份為汽車前端的數位電子測距感測器模組，第二個部份為汽車內部的時速錶模組，第三個部份為汽車內部的控制模組而構成本系統。圖十二數位電子安全測距器系統整體架構圖一、數位電子安全測距器系統架構圖十三:數位電子安全測距器系統各部架構圖（一）數位電子測距感測器數位電子測距感測器裝置於汽車之最前端，將與前車距離所測量之距離數值，傳送至汽車內的控制模組，以便做為量測與前車之距離，如圖十三所示，擔任距離量測及傳送距離數據之角色。（二）汽車時速錶由汽車內部時速儀錶，將其數值轉變成為數位化數據，並將當時汽車行駛之速率數值，傳送至汽車內的控制模組，如圖十三所示，擔任汽車行駛速率的轉換及傳送汽車行駛速率數據之角色。（三）控制模組提供一個汽車行駛安全車距的公式，將數位電子測距感測器所量測之距離數據，與汽車的時速錶所顯示之時速數據，送至本控制模組，以一簡單公式換算，讓駕駛人能直接透過控制模組，來保持汽車行駛之安全車距，並監控汽車於行駛時是否有保持其汽車行駛之安全車距，如圖十三所示，擔任汽車行駛之安全車距監控之角色。二、數位電子安全測距器系統的量測流程由數位電子測距感測器計算出與前車應保持的距離數值，及汽車時速儀錶顯示當時行駛速率數值，傳送至汽車內的控制模組，控制模組同時接收汽車內部之時速儀錶（當時行駛速率數值），及數位電子測距感測器（當時距離數據），並將兩數據帶入系統公式換算取得結果。三、數位電子安全測距器系統的硬體資源數位電子安全測距器系統的硬體，分別為：數位電子測距感測器，汽車內部時速儀錶（將類比信號轉換成數位信號），控制模組是以單晶片為主，將所需程式及公式存入晶片中所組成之電路，最後將三組電路連接在一起組成一控制系統，即為數位電子安全測距器系統之硬體。四、數位電子安全測距器系統的控制模組控制模組以8051單晶片和LCD液晶螢幕及喇叭所組成，8051單晶片為主要核心，使用RS232界面與系統通訊；控制模組的功能是利用行車速率，以及測得與前車行車間距，作為判斷駕駛人是否有保持行車安全間距，當駕駛人行車未保持行車安全間距時，系統會發出警告聲及告知駕駛人當時之行車速度、行車間距及應保持之安全間距，並顯示當時行車速度、行車間距及應保持之安全間距。控制模組內的程式之公式，是依據高速公路交通管制規則[6]第六條規定所求得的。內容如下：汽車行駛公路，前後兩車間間之行車安全距離，在正常天候狀況下，依下列規定：（一）小型車：車輛速率之每小時公里數值除以二，單位為公尺。（二）大型車：車輛速率之每小時公里數值減二十，單位為公尺。表六汽車行駛公路前後兩車間之行車安全距離表車速（公里／小時）最小距離（公尺）大型車小型車6040307050358060409070451008050所以控制模組內的存入程式，可設定選擇大型車或小型車，並可設定公式各函數代表如下：X代表時駛速率（km/hr），僅取數值之部份，單位部份不列入公式中，如：80km/hr，僅取80之數值，X＝80；Y代表應保持行車安全車距之最小距離（公尺），僅取數值之部份，單位部份不列入公式中，如：80公尺，僅取80之數值，Y＝80；Z代表當時保持之行車車距（公尺），僅取數值之部份，單位部份不列入公式中，如：80公尺，僅取80之數值，Z＝80。因此，我們可將大型車及小型車表示之公式如下：1.大型車之公式判斷：◎X＝行駛速率；Y＝應保持行車安全車距之最小距離；Z＝行車應保持之安全間距。☆先計算出應保持行車安全車距之最小距離Y＝X－20；依判斷流程圖是否有無保持安全間距，如圖十四所示。NY＞ZY(2)危險(未保持安全之間距)(1)安全(有保持安全之間距)(有保持安全之間距)Y=X-20NY＞ZY(2)危險(未保持安全之間距)(1)安全(有保持安全之間距)(有保持安全之間距)Y=X-20Y大於ZZ大於等於YIF圖十四大型車之公式判斷流程圖△假設時駛速率X=80（km/hr）；當時行車車距Z=60（公尺）；帶入系統公式先求應保持行車安全車距之最小距離YY=X-20=80-20=60符合(1)Y≦ZTHEN安全〔有保持行車安全間距〕△假設時駛速率X=90（km/hr）；當時行車車距Z=60（公尺）；帶入系統公式先求應保持行車安全車距之最小距離YY=X-20=90-20=70符合(2)Y>ZTHEN危險〔未保持行車安全間距〕2.小型車之公式判斷：◎X＝時駛速率；Y＝應保持行車安全車距之最小距離；Z＝行車應保持之安全間距。☆先計算出應保持行車安全車距之最小距離Y=X/2；依判斷流程圖是否有無保持安全間距，如圖十五所示。Y=Y=X/2Y＞ZY＞ZNYNY危險(未保持安全之間距危險(未保持安全之間距)安全(有保持安全之間距)(有保持安全之間距)圖十五小型車之公式判斷流程圖△假設時駛速率X=80（km/hr）；當時行車車距Z=40（公尺）；帶入系統公式先求應保持行車安全車距之最小距離YY=X/2=80/2=40符合(1)Y≦Z（40≦40）THEN安全〔有保持行車安全間距〕△假設時駛速率X=90（km/hr）；當時行車車距Z=40（公尺）；帶入系統公式先求應保持行車安全車距之最小距離YY=X/2=90/2=45符合(2)Y>Z（45>40）THEN危險〔未保持行車安全間距〕五、數位電子安全測距器系統的量測定義與說明數位電子安全測距器系統的量測定義與說明[12]如下：（一）標準量測方式：標準量測方式為將數位電子測距感測器，裝置於汽車之前端，兩者互相平行獨立裝置於同一端，如圖十六所示。（二）量測距離：標準的量測距離，是從數位電子感測器發射開始到碰到物體（前車之後端）後，由數位電子感測器接收傳回來，這一段時間除以2即是實際的距離。如圖十六所示。圖十六數位電子安全測距器系統的量測距離定義肆、未來發展圖十七數位電子安全