安徽省第五屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽PAGE序號(hào)：編碼：安徽省第五屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)（Smart"pretend"brakewarningsystem）作品名稱：智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)推薦單位：合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系申報(bào)者姓名龔節(jié)（集體名稱）：追夢(mèng)人類別：×自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文×哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文×科技發(fā)明制作A類√科技發(fā)明制作B類2013年5月7日-PAGE26-目錄摘要 11引言 21.1智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景 21.2總體設(shè)計(jì)思想 31.3現(xiàn)代汽車常用測(cè)距方法分析 31.4國(guó)內(nèi)外研究狀況 41.5技術(shù)特點(diǎn)、科學(xué)先進(jìn)性、推廣前景 52系統(tǒng)設(shè)計(jì) 62.1設(shè)計(jì)思路 62.2總體方案設(shè)計(jì) 63理論分析與計(jì)算 73.1系統(tǒng)縱向安全距離計(jì)算 73.1.1理論基礎(chǔ) 83.1.2實(shí)際計(jì)算 93.1.3參數(shù)的確定 113.2毫米波雷達(dá)測(cè)量原理 123.2.1距離測(cè)量原理 123.2.2相對(duì)速度測(cè)量原理 134硬件設(shè)計(jì)（模型） 154.1主控制電路 154.2穩(wěn)壓電路 164.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 164.4超聲波測(cè)距電路 174.5聲光報(bào)警電路 184.6人機(jī)交互顯示電路 185軟件設(shè)計(jì) 196總結(jié) 217參考文獻(xiàn) 228致謝 24附錄 25附錄1實(shí)物圖 25附錄2智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)主程序及注釋 27智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)摘要系統(tǒng)以ATmage128單片機(jī)為控制核心，由信息采集模塊、雷達(dá)測(cè)量模塊、人機(jī)交互顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、以及無(wú)線通信模塊等幾部分組成。通過(guò)安裝在車輛尾部保險(xiǎn)杠位置的毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)后方車輛的準(zhǔn)確識(shí)別定位和相對(duì)速度測(cè)量。微處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)“三段”預(yù)警功能。智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)從主動(dòng)防御出發(fā)，彌補(bǔ)了當(dāng)前社會(huì)汽車主動(dòng)安全配置的不足，充分體現(xiàn)了智能化、科技化、人性化的新時(shí)代理念。系統(tǒng)具有成本低，精度高，設(shè)置靈活，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：ATmege128；信息采集；雷達(dá)測(cè)量；無(wú)線通信AbstractSystemtoATmage128single-chipmicrocomputerasthecontrolcore,byinformationcollectionmodule,radarmeasurementmodule,man-machineinteractivedisplaymodule,soundandlightalarmmodule,andwirelesscommunicationmoduleandsoonseveralparts.Byinstallingpositioninvehiclerearbumperofmillimeterwaveradar,andrealizetherecognitionoftherearvehicleaccuratelypositioningandrelativevelocitymeasurement.Microprocessortocollectdataandinformationanalysisprocessing,realize"threesegments"warningfunction.Smart"pretend"brakewarningsystemstartingfromtheactivedefense,makeupforthedeficienciesofthecurrentsocialvehicleactivesafetyconfiguration,fullyembodiestheconceptofaneweraofintelligence,scienceandtechnology,humannature.Systemhaslowcost,highprecision,flexibility,goodstability,etc.Keyword：ATmage128；informationcollection；radarsurveying；wirelesscommunication1引言1.1智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景自上世紀(jì)80年代中國(guó)開(kāi)始出現(xiàn)私人汽車，到2003年保有量達(dá)到1219萬(wàn)輛，私人汽車突破千萬(wàn)輛用了近20年，而突破2000萬(wàn)輛僅僅用了3年時(shí)間。2012年，我國(guó)私人汽車保有量達(dá)到了9309萬(wàn)輛。隨著我國(guó)汽車保有量的不斷增加，交通事故發(fā)生數(shù)量一直居高不下，造成了大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)我國(guó)交通部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，僅2011年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故210812起，造成62387人死亡、242895人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失9.0億元。預(yù)計(jì)至2020年，交通事故將成為繼心血管病和精神壓力癥之后造成人類非正常死亡的第三大直接原因，可以說(shuō)我國(guó)一直是全球交通事故死亡人數(shù)最多的國(guó)家，在國(guó)家“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要中，降低交通事故的數(shù)量、減少人員和財(cái)產(chǎn)損失任是重大課題之一。近年來(lái)我國(guó)交通事故統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。表12007年—2011年我國(guó)交通事故統(tǒng)計(jì)情況表年份（年）發(fā)生事故次數(shù)死亡人數(shù)受傷人數(shù)經(jīng)濟(jì)損失日均死亡人數(shù)20073272098164938044212.0億22320082652047348430491910.1億2012009238000671592751259.1億1842010219521652252540759.3億1792011210812623872428959.0億171特別值得人們關(guān)注的是，在諸多交通事故中，汽車追尾是最常見(jiàn)的交通事故之一，在交通事故中占據(jù)著很高的比例。在我國(guó)近幾年的交通事故統(tǒng)計(jì)中，汽車追尾事故均超過(guò)了30%，造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡占總損傷的60%。如果有實(shí)用的提前預(yù)警產(chǎn)品，許多事故是可以避免的，所以研發(fā)一種高性能的汽車防追尾預(yù)警系統(tǒng)越發(fā)迫切。1.2總體設(shè)計(jì)思想在國(guó)家“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要中，降低交通事故的數(shù)量、減少人員和財(cái)產(chǎn)損失是重大課題之一。本設(shè)計(jì)正是圍繞這個(gè)課題，通過(guò)智能測(cè)距、測(cè)速和定位，變被動(dòng)為主動(dòng)，減少或避免汽車追尾事故的發(fā)生。目前汽車上的安全配置大多是被動(dòng)保護(hù)司乘人員的安全，包括以安全性能著稱的沃爾沃汽車也只是研發(fā)了城市低速環(huán)境下的防自身追尾系統(tǒng)，并不能很大程度上保護(hù)車內(nèi)人員的安全。中國(guó)交通環(huán)境較為特殊，客車、大貨車、小汽車相互共道，駕駛員素質(zhì)參差不齊，車輛之間追尾事故常有發(fā)生。基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)的智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)采集兩車之間的距離以及相對(duì)速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，并采用獨(dú)創(chuàng)的三段提示法對(duì)后方車輛和本車駕駛員作出提前預(yù)警，以確保車內(nèi)人員安全。1.3現(xiàn)代汽車常用測(cè)距方法分析目前運(yùn)用在汽車上的測(cè)距方法主要有超聲波短距離測(cè)距，激光測(cè)距、攝像系統(tǒng)測(cè)距、微波雷達(dá)長(zhǎng)距離測(cè)距等。各類測(cè)距傳感器性能特點(diǎn)如下：1)超聲波雷達(dá)超聲波的特點(diǎn)是對(duì)雨、霧、雪的穿透力強(qiáng)，衰減小，因此超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以在雨雪、大霧等惡劣天氣下工作。超聲波測(cè)距的原理簡(jiǎn)單、成本低。但是超聲波測(cè)距不適合該系統(tǒng)測(cè)距，一是因?yàn)槌暡ǖ膫鞑ニ俣认鄬?duì)較慢，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，使用超聲波測(cè)距無(wú)法跟上車距的實(shí)時(shí)變化，且誤差大；二是超聲波的方向性差，發(fā)散角大，不適合測(cè)量距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)；三是有些目標(biāo)物的反射信號(hào)很弱而無(wú)法探測(cè)；四是聲波在空氣中的傳播速度隨溫度的變化而改變，故超聲波雷達(dá)一般應(yīng)用于汽車倒車防撞方面，即速度相對(duì)較慢、距離較短時(shí)的測(cè)量。2)激光雷達(dá)由于激光光束很集中，因此激光雷達(dá)主要用于大范圍直線距離的測(cè)量。激光雷達(dá)量程大、方向性強(qiáng)且響應(yīng)時(shí)間快，但成本高、易受外界環(huán)境(如能見(jiàn)度低、傳感器表面有泥土)的影響。同時(shí)，全天候性能低于微波和毫米波雷達(dá)：波束窄，搜索目標(biāo)困難：效率低，技術(shù)上的難度大且一些關(guān)鍵技術(shù)不夠成熟。3)攝像系統(tǒng)測(cè)距利用傳統(tǒng)的攝像機(jī)，如面陣CCD，可獲得被測(cè)視野的二維圖象，但無(wú)法確定與被測(cè)物體之間的距離。只使用一個(gè)CCD攝像機(jī)的系統(tǒng)稱為單目攝像系統(tǒng)，在汽車上常用于倒車后視系統(tǒng)，輔助駕駛員獲得后視死角信息，以避免倒車撞物。為獲得目標(biāo)三維信息，模擬人的雙目視覺(jué)原理，利用同廂固定的兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)對(duì)同一景物成像，通過(guò)對(duì)這兩幅圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，即可確定視野中每個(gè)物體的三維坐標(biāo)，這一系統(tǒng)稱為雙目攝像系統(tǒng)。雙目攝像系統(tǒng)模仿人體視覺(jué)原理，測(cè)量精度高。但目前價(jià)格較高，同時(shí)由于受軟件和硬件的制約，成像速度較慢。4）毫米波雷達(dá)當(dāng)前，毫米波雷達(dá)的使用頻率主要集中在23～24GHz，60～61GHz，76～77GHz三個(gè)頻段，波長(zhǎng)均為毫米級(jí)，所以稱之為毫米波雷達(dá)。毫米波雷達(dá)采用調(diào)制的高頻電磁載波，通過(guò)比較發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)，可得到與被測(cè)距離成正比的頻率差，探測(cè)距離大于150米；利用返回信號(hào)的多普勒頻移還能測(cè)算與目標(biāo)物的相對(duì)速度。毫米波雷達(dá)的測(cè)距原理與激光測(cè)距原理相似，但是它具有激光測(cè)距雷達(dá)所不具備的特性：探測(cè)性能穩(wěn)定，不受目標(biāo)物表面形狀和顏色等的影響；具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，不受雨、雪、霧等惡劣天氣的影響，系統(tǒng)在任何天氣條件下均能正常工作；此外，在相同的測(cè)量條件下毫米波雷達(dá)發(fā)射功率可以很低，天線部件尺寸小，適合于汽車上的安裝。綜合考慮后，本系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行測(cè)距。1.4國(guó)內(nèi)外研究狀況汽車防碰撞系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)60年代，在此后的10多年時(shí)間內(nèi)，以德國(guó)、美國(guó)和日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家熱衷于該系統(tǒng)的研究，但是，限于當(dāng)時(shí)的微波理論水平低、硬件成本高等原因，一直沒(méi)有得到突破。1986年，由德國(guó)奔馳公司發(fā)起，歐洲開(kāi)始了所謂的“普羅米修斯”計(jì)劃，很多機(jī)構(gòu)又重新開(kāi)始研究雷達(dá)系統(tǒng)。隨著微波器件和集成技術(shù)的飛速發(fā)展，該系統(tǒng)在汽車運(yùn)用領(lǐng)域獲得了較快的發(fā)展。德國(guó)和法國(guó)等歐洲國(guó)家均對(duì)毫米波雷達(dá)防撞技術(shù)進(jìn)行了研究，特別是奔馳、寶馬等著名汽車生產(chǎn)廠商，其雷達(dá)采用的方式為調(diào)頻毫米波雷達(dá)FMCWFrequencyModulationContinuousWave)，頻段主要選擇76-77GHz。如奔馳公司和英國(guó)勞倫斯電子公司聯(lián)合研制的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)，探測(cè)距離為150米，當(dāng)測(cè)得的實(shí)際車間距離小于安全車間距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。日本在制定未來(lái)汽車發(fā)展計(jì)劃中也明確地把開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的智能汽車和安全駕駛支持系統(tǒng)作為交通安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國(guó)防撞雷達(dá)的研究相對(duì)于歐洲和日本來(lái)說(shuō)起步較晚，但目前美國(guó)的汽車防撞技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。福特公司開(kāi)發(fā)的汽車防撞系統(tǒng)的工作頻率為24.725GHz，探測(cè)距離約106米。該系統(tǒng)理論上能根據(jù)轉(zhuǎn)彎的角度信息自動(dòng)適應(yīng)路面的轉(zhuǎn)彎情況，只探測(cè)本車道內(nèi)車輛的信息，從而可避免旁車道上目標(biāo)物的影響。但實(shí)際上由于虛警率和價(jià)格等因素的影響，還不能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的。90年代中期以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始跟蹤國(guó)際上ITS的發(fā)展。近年來(lái)，以清華大學(xué)、吉林大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)和東南大學(xué)等為代表的科研院所也開(kāi)始熱衷于車輛防碰撞系統(tǒng)的研究，目前清華大學(xué)己經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套汽車縱向避撞系統(tǒng)。然而我們?cè)O(shè)計(jì)的智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)采用逆向創(chuàng)新思維，主動(dòng)防御，通過(guò)尾燈警示后方及語(yǔ)音提示本車駕駛員，實(shí)現(xiàn)三段預(yù)警功能，防止追尾事故的發(fā)生，實(shí)用價(jià)值高。1.5技術(shù)特點(diǎn)、科學(xué)先進(jìn)性、推廣前景1、技術(shù)特點(diǎn)智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)作品的技術(shù)特點(diǎn)是通過(guò)在車輛尾部保險(xiǎn)杠位置安裝毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)后方車輛的準(zhǔn)確識(shí)別定位和相對(duì)速度測(cè)量，系統(tǒng)微處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)“三段”預(yù)警（佯裝剎車預(yù)警、LED燈閃爍及點(diǎn)陣字樣警示、語(yǔ)音提示本車駕駛員）功能，并且利用兩車通信，提高兩車行車安全，防止追尾事故的發(fā)生。2、科學(xué)、先進(jìn)性(1)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車速實(shí)時(shí)采集并計(jì)算出相對(duì)安全距，能夠適應(yīng)城市道路及高速道路等多種復(fù)雜條件；(2)采用獨(dú)創(chuàng)的“三段”預(yù)警技術(shù)實(shí)現(xiàn)“佯裝”剎車預(yù)警及對(duì)本車駕駛員預(yù)警雙重保障；(3)不同天氣狀況（晴、雨、雪、霧等）的模式切換，提供更精準(zhǔn)的行車安全判斷；(4)采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行車距檢測(cè)具有精度高、環(huán)境適應(yīng)能力好等優(yōu)點(diǎn)；3、推廣前景我國(guó)人口眾多且正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，汽車保有量和需求量都非常大，但汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)相對(duì)落后，道路情況相當(dāng)復(fù)雜，交通事故率居高不下。該設(shè)計(jì)作為汽車安全預(yù)警系統(tǒng)，可適用于汽車生產(chǎn)商為新車增加的安全配置，也可作為汽配商為用戶加裝的安全預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)成本低，性能佳，集成度高，便于安裝，商家與客戶都易接受，市場(chǎng)推廣前景好。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)主要通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成本車信息采集和后車信息采集。本車采集部分主要采集天氣、本車速度、方向機(jī)角度、路況等信息；后車信息采集部分主要通過(guò)雷達(dá)測(cè)量模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后方車輛距離、相對(duì)速度和角度等數(shù)據(jù)信號(hào)。采集的信息經(jīng)系統(tǒng)主控CPU分析計(jì)算處理并作出操作指令。系統(tǒng)指令主要分為三個(gè)階段：第一階段，當(dāng)后方車輛與本車距離達(dá)到預(yù)警范圍且相對(duì)速度大于零時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)模擬剎車習(xí)慣點(diǎn)亮后方紅色LED預(yù)警燈提示后方車輛；第二階段，當(dāng)后方車輛不顧預(yù)警信號(hào)繼續(xù)靠近達(dá)到警示距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將LED燈轉(zhuǎn)成閃爍狀態(tài)，同時(shí)點(diǎn)亮后擋風(fēng)玻璃上的LED點(diǎn)陣交替閃爍“保持車距”、“注意安全”等字樣，以提示后方車輛；第三階段，當(dāng)后方車輛進(jìn)入危險(xiǎn)距離時(shí)，系統(tǒng)在加快LED警示燈和點(diǎn)陣閃爍頻率的同時(shí)，會(huì)將駕駛艙的信息顯示屏的底色變成醒目的紅色并通過(guò)語(yǔ)音提示本車駕駛員注意后方車輛，以便可以及時(shí)采取相應(yīng)預(yù)防措施。若后方車輛也安裝了本系統(tǒng)，將會(huì)收到“您與前車過(guò)近，請(qǐng)注意保持車距”等提示，達(dá)到防追尾保安全的功能。2.2總體方案設(shè)計(jì)智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)主要由主控模塊、電源管理模塊、人機(jī)交互模塊、信息采集模塊、雷達(dá)測(cè)量模塊、顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、通信模塊等幾部分組成。本系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示：雷達(dá)測(cè)距雷達(dá)測(cè)距信息采集無(wú)線通信顯示模塊電源管理模塊聲光報(bào)警系統(tǒng)主控CPU人機(jī)交互圖1系統(tǒng)總體框圖人機(jī)交互模塊用于手動(dòng)確定天氣狀況（晴、雨、雪、霧等）；信息采集模塊是采集本車速度、方向機(jī)角度和路況等信息；雷達(dá)測(cè)量模塊是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后方車輛距離、相對(duì)速度和角度等數(shù)據(jù)信號(hào)；顯示模塊主要顯示天氣狀況、本車速度、相對(duì)速度、后車距離和安全狀態(tài)（正常、預(yù)警、警示、危險(xiǎn)）等，并且在狀態(tài)是“危險(xiǎn)”時(shí)，底色轉(zhuǎn)變?yōu)樾涯康募t色；聲光報(bào)警模塊主要是執(zhí)行佯裝剎車預(yù)警、后風(fēng)擋字幕提醒和對(duì)本車駕駛員語(yǔ)音提示等功能；通信模塊是在后車也裝備該設(shè)備的情況下，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)將提示信號(hào)發(fā)送到對(duì)方，提示后方車輛注意保持安全距離，控制車速；主控CPU主要對(duì)人機(jī)交互模塊、信息采集模塊、雷達(dá)測(cè)量模塊收集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理判斷，然后將指令信號(hào)傳送到顯示模塊、聲光報(bào)警模塊和通信模塊，從而完成對(duì)整個(gè)智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)的控制。3理論分析與計(jì)算3.1系統(tǒng)縱向安全距離計(jì)算為了保證汽車安全行駛，避免行駛中的車輛發(fā)生意外追尾碰撞，智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)對(duì)相對(duì)速度的運(yùn)算和縱向距離的測(cè)量，可以對(duì)后方一定距離內(nèi)可能發(fā)生危險(xiǎn)的車輛進(jìn)行不同形式的預(yù)警。又因?yàn)榭紤]到公路總?cè)萘坑邢蓿韵到y(tǒng)要選擇一個(gè)最小安全距離，這無(wú)論對(duì)安全還是對(duì)容量，都有重要意義。3.1.1理論基礎(chǔ)設(shè):后車速度，單位m/s；:兩車相對(duì)速度，單位m/s；a：緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)減速度，單位m/s；：駕駛員反應(yīng)時(shí)間，單位s；制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間，單位s；制動(dòng)減速度增長(zhǎng)時(shí)間，單位s；X后車與本車之間的間距。汽車制動(dòng)時(shí)間可分為四個(gè)階段:駕駛員的反應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間、減速度增長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)制動(dòng)時(shí)間，則制動(dòng)過(guò)程如圖2所示:圖2制動(dòng)減速度與時(shí)間關(guān)系示意圖1、時(shí)間內(nèi)行駛的距離為，則 (3.1.1)2、時(shí)間內(nèi)行駛過(guò)的距離為，如圖2所示，則可得加速度 (3.1.2)速度 (3.1.3)所以 (3.1.4)時(shí)間內(nèi)駛過(guò)的距離為，這段時(shí)間內(nèi)加速度a是個(gè)定值，令時(shí)間段的初速度為，所以速度為 (3.1.5)同時(shí)也是時(shí)段的末速度，則 (3.1.6)把代入式(3.1.5)中，并考慮到在時(shí)間末速度為零，即可求出 (3.1.7)這樣， (3.1.8)由以上各式可得出制動(dòng)距離 (3.1.9)所以 (3.1.10)第三項(xiàng)可以忽略，故 (3.1.11)這就是常見(jiàn)的計(jì)算汽車制動(dòng)距離的公式，它所計(jì)算出來(lái)的制動(dòng)距離也稱為汽車的停車視距。3.1.2實(shí)際計(jì)算為了確保汽車絕對(duì)安全，并且減小車輛在行駛過(guò)程中虛警的出現(xiàn)，系統(tǒng)安全距離設(shè)定在最保守的情況之上，即：假定本車為靜止?fàn)顟B(tài)，從可行性和實(shí)現(xiàn)性角度對(duì)后車的安全跟車距離進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn)，使其更具有實(shí)用性和可操作性。該系統(tǒng)為達(dá)到較好的預(yù)警效果，采用三級(jí)報(bào)警模式：佯裝剎車預(yù)警、LED燈閃爍警示、語(yǔ)音提示本車駕駛員并且閃爍頻率增大。設(shè)：后車速度，單位m/s；：緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)減速度，單位m/s；駕駛員反應(yīng)時(shí)間，單位s；制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間，單位s；制動(dòng)減速度增長(zhǎng)時(shí)間，單位s；X1：后車走過(guò)的距離，單位m；：相對(duì)安全間距，單位m；：危險(xiǎn)距離，單位m；：警示距離，單位m；:預(yù)警距離，單位m；d：報(bào)警距離統(tǒng)一符號(hào)，單位m。后車和自車的相對(duì)位置如圖3所示：后車1后車1自車2后車1自車2圖3后車與自車相對(duì)位置示意圖1、危險(xiǎn)報(bào)警安全距離假定自車處于靜止?fàn)顟B(tài)，要使后車不能撞到自車，后車與自車的距離應(yīng)大于制動(dòng)距離并有一段安全間距。后車的制動(dòng)距離 (3.1.12)故危險(xiǎn)報(bào)警距離 + (3.1.13)取最小危險(xiǎn)報(bào)警安全距離 =+ (3.1.14)2、預(yù)警報(bào)警安全距離預(yù)警報(bào)警距離是在危險(xiǎn)報(bào)警的基礎(chǔ)上，把報(bào)警后駕駛員的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算在內(nèi)，此時(shí)后車剎車距離 (3.1.15)預(yù)警報(bào)警距離應(yīng)為 + (3.1.16)故取最小預(yù)警報(bào)警距離 + (3.1.17)3、警示報(bào)警安全距離警示報(bào)警距離是介于在危險(xiǎn)報(bào)警和預(yù)警報(bào)警之間的過(guò)度性警示，所以它的計(jì)算公式為 =+ (3.1.18)3.1.3參數(shù)的確定自車速度是由裝在車上的霍爾車速傳感器測(cè)得，兩車之間的距離由裝在后保險(xiǎn)杠的雷達(dá)測(cè)得，其中不能由車載設(shè)備直接測(cè)出的變量有:安全間距，駕駛員反應(yīng)時(shí)間，制動(dòng)力協(xié)調(diào)時(shí)間，制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間,具體設(shè)置如下:1、值的確定由于目前還沒(méi)有一個(gè)非常有效的設(shè)備能對(duì)路面的附著系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，故本系統(tǒng)采用不同的路面在正常情況下的經(jīng)驗(yàn)值，通過(guò)三檔選擇開(kāi)關(guān)，由駕駛員根據(jù)路面情況進(jìn)行選擇，的取值如表2所示:表2不同路面的取值情況路面情況(m/)瀝青/水泥等干燥路面6.0瀝青/水泥濕路面5.0冰雪路面2.852、大量的實(shí)驗(yàn)資料表明，駕駛員反應(yīng)時(shí)間一般為0.3秒～1.2秒，駕駛員反應(yīng)時(shí)間是一個(gè)很難確定的參數(shù)，它受駕駛員的年齡、性別、情緒、心理因素和生理因素等諸多因素影響，另外車速的大小也影響駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，本系統(tǒng)中駕駛員反應(yīng)時(shí)間取值為1.2秒。3、制動(dòng)力協(xié)調(diào)時(shí)間和制動(dòng)力增長(zhǎng)時(shí)間，與車輛的性能有關(guān)，本系統(tǒng)暫時(shí)設(shè)定為普通液壓制動(dòng)系統(tǒng)，取值為0.2秒，取值為0.2秒。4、為了考慮到車與車之間的絕對(duì)安全，自車從采取制動(dòng)到完全停止，兩車之間保持的安全距離，國(guó)內(nèi)外的資料一般選取2米-5米，本系統(tǒng)暫選取為5米。5、考慮到中國(guó)復(fù)雜路況，為減少誤報(bào)率，本系統(tǒng)在低速情況下自動(dòng)進(jìn)行抑制，最低速度暫定15。3.2毫米波雷達(dá)測(cè)量原理雷達(dá)除了識(shí)別目標(biāo)物以外，還需測(cè)量目標(biāo)物的狀態(tài)參數(shù)，雷達(dá)的使用要求不同，所需要測(cè)量的參數(shù)也不同。結(jié)合本系統(tǒng)的技術(shù)要求，所采用的脈沖多普勒毫米雷達(dá)波除了測(cè)量目標(biāo)物的距離外，還測(cè)量?jī)绍囅鄬?duì)速度。由于雷達(dá)的使用過(guò)程總是伴隨著各種干擾，測(cè)量結(jié)果和實(shí)際情況會(huì)有出入，因此還需要考慮測(cè)量誤差。3.2.1距離測(cè)量原理1、距離的測(cè)量通常認(rèn)為雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁波在空中傳播所經(jīng)過(guò)的軌跡是一條直線，它的傳播速度為一個(gè)常量C。設(shè)R為雷達(dá)到目標(biāo)物的直線距離。電磁波離開(kāi)雷達(dá)天線到達(dá)目標(biāo)物，以及被目標(biāo)物反射返回到天線所用的時(shí)間為,那么在這段時(shí)間內(nèi)，電磁波所走的距離為2R。從而，可得目標(biāo)物距離的計(jì)算關(guān)系式： (3.2.1)由（3.2.1）式知，只要測(cè)得時(shí)間，就可以計(jì)算出目標(biāo)物的距離。2、距離測(cè)量的誤差分析由于空氣密度不均勻，電磁波的傳播速度并不為常數(shù)。根據(jù)（3.2.1）式，由于電磁波傳播速度的變化所產(chǎn)生的誤差為： (3.2.2)誤差的均方值為 (3.2.3)其中，,由此可知，電磁場(chǎng)傳播速度引起的測(cè)距誤差隨距離的增大而增大。時(shí)延是測(cè)距時(shí)需要測(cè)量的值，該值的測(cè)量誤差對(duì)距離測(cè)量所產(chǎn)生的均方誤差為 (3.2.4)其中，,由此可知，電磁波時(shí)延引起的測(cè)距誤差也是隨距離的增大而增大。此外，目標(biāo)物散射中心的變化，距離數(shù)據(jù)的采樣方法和干擾噪聲等也會(huì)導(dǎo)致距離的測(cè)量值存在誤差。3.2.2相對(duì)速度測(cè)量原理1、相對(duì)速度的測(cè)量為了實(shí)時(shí)、直接地測(cè)量目標(biāo)物的相對(duì)速度，本系統(tǒng)利用了毫米波雷達(dá)的多普勒效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)頻率為的振蕩源與接收這一真的振蕩的目標(biāo)物之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)物接收到的振蕩頻率將不再是，而是另外的某一個(gè)頻率值。當(dāng)目標(biāo)物接近振蕩源時(shí)，；當(dāng)目標(biāo)物遠(yuǎn)離振蕩源時(shí)，，這種現(xiàn)象就叫做多普勒效應(yīng)。其中與的關(guān)系式為： (3.2.5)式(3.2.5)中，C為電磁場(chǎng)電磁波的傳播速度，所以回波信號(hào)的頻率決定于發(fā)射頻率和目標(biāo)物的徑向相對(duì)速度。與之間的差值稱為多普勒頻移，用表示，則 （3.2.6)實(shí)際上，由于，所以 (3.2.7)式中，為雷達(dá)的工作波長(zhǎng)。由以上分析可以知道，只要測(cè)出回波信號(hào)的頻率和發(fā)射信號(hào)頻率之間的差值，就可以計(jì)算出目標(biāo)的徑向相對(duì)速度 (3.2.8)2、相對(duì)速度測(cè)量的誤差分析根據(jù)式(3.2.7)可得目標(biāo)物徑向相對(duì)速度的測(cè)量誤差 (3.2.9)式中是電磁波傳播速度的誤差；是多普勒頻移的誤差；是發(fā)射頻率不穩(wěn)定所產(chǎn)生的誤差。式(3.2.9)左右兩端都除以，得到各個(gè)相對(duì)誤差分量間的關(guān)系： （3.2.10)其均方誤差為 (3.2.11)式中：，，，。由此可知，相對(duì)速度的測(cè)量誤差與多普勒頻移的誤差及發(fā)射頻率的不穩(wěn)定所產(chǎn)生的誤差有密切的關(guān)系。4硬件設(shè)計(jì)（模型）4.1主控制電路智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)模型以單片機(jī)ATmege128為核心控制器，通過(guò)對(duì)各子模塊采集接受的信息進(jìn)行分析處理，并及時(shí)發(fā)出指令來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，其電路原理圖如圖4所示：圖4主控制電路4.2穩(wěn)壓電路本系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路采用兩組LM2596芯片組合而成的穩(wěn)壓電路。一組固定輸出5V電壓（上圖），供主控芯片使用。另外一組輸出電壓可調(diào)（下圖），供電機(jī)、語(yǔ)音芯片等使用。原理圖如圖5所示：圖5穩(wěn)壓電路原理圖4.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路小車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。經(jīng)傳感器的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)判斷處理，向驅(qū)動(dòng)芯片L298N輸出一定占空比的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，從而控制小車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使其前進(jìn)、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示：圖6直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4.4超聲波測(cè)距電路智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)模型，采用超聲波代替實(shí)際毫米波雷達(dá)測(cè)距。超聲波發(fā)射電路的頻率設(shè)為40kHz。它由時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成振蕩電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，可以改變振蕩頻率，由LM555驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，發(fā)射出超聲波信號(hào)。發(fā)出的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，返回的信號(hào)由超聲波接收電路接收。模型設(shè)計(jì)時(shí)，使用超聲波收發(fā)元件，可以很好的測(cè)量出兩車車距。通過(guò)兩車車距及超聲波收發(fā)時(shí)間可以計(jì)算出兩車相對(duì)速度。超聲波測(cè)距信號(hào)發(fā)射與接收電路簡(jiǎn)單易制，性能好，如圖7、8所示：圖7超聲波發(fā)射電路圖8超聲波接收電路4.5聲光報(bào)警電路聲光報(bào)警模塊主要是完成“三段”預(yù)警功能：第一階段，模擬剎車點(diǎn)亮后方黃色LED預(yù)警燈提示后方車輛；第二階段，紅色LED預(yù)警燈閃爍，液晶屏閃爍顯示“注意安全”、“保持車距”字樣；第三階段，后方車輛進(jìn)入危險(xiǎn)距離，系統(tǒng)加快LED警示燈閃爍頻率，同時(shí)駕駛艙的信息顯示屏底色變成醒目的紅色，且語(yǔ)音播報(bào)“請(qǐng)注意后方車輛，保持車距”提示本車駕駛員。語(yǔ)音報(bào)警電路如圖9所示：圖9語(yǔ)音報(bào)警電路4.6人機(jī)交互顯示電路智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)顯示模塊主要顯示天氣狀況、本車速度、相對(duì)速度、后車距離和安全狀態(tài)（正常、預(yù)警、警示、危險(xiǎn)）等信息，且在“危險(xiǎn)”狀態(tài)時(shí)，液晶屏底色轉(zhuǎn)變?yōu)樾涯康募t色以提示注意安全。小車模型采用LCD12864代替實(shí)際設(shè)計(jì)中后擋風(fēng)玻璃上顯示“保持車距”、“注意安全”等字樣的點(diǎn)陣，因?yàn)長(zhǎng)CD12864的驅(qū)動(dòng)電路在模塊內(nèi)集成，且外圍電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，占用較少的單片機(jī)I/O口。本系統(tǒng)LCD12864接與單片機(jī)的P1口，電路如圖10所示：圖10LCD12864電路5軟件設(shè)計(jì)智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行初始化設(shè)置，語(yǔ)音播報(bào)“歡迎使用智能佯裝剎車預(yù)警系統(tǒng)”內(nèi)容，極具人性化。系統(tǒng)開(kāi)啟之后，設(shè)置初始化車速，數(shù)據(jù)采集模塊完成對(duì)本車和后車的信息采集，本車部分主要采集天氣、本車速度、路況等信息，后車信息采集部分主要通過(guò)雷達(dá)測(cè)量模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后方車輛距離、相對(duì)速度和角度等數(shù)據(jù)信號(hào)；采集的信息經(jīng)系統(tǒng)主控CPU分析計(jì)算后并作出操作指令。小車系統(tǒng)在設(shè)置的安全距離下，不斷檢測(cè)、判斷兩車車距及相對(duì)速度。當(dāng)后方車輛與本車距離達(dá)到預(yù)警范圍且相對(duì)速度大于零時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)模擬剎車習(xí)慣點(diǎn)亮后方紅色LED預(yù)警燈提示后方車輛；當(dāng)后方車輛不顧預(yù)警信號(hào)繼續(xù)靠近達(dá)到警示距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將LED燈轉(zhuǎn)成閃爍狀態(tài)，同時(shí)點(diǎn)亮后擋風(fēng)玻璃上的點(diǎn)陣交替閃爍“保持車距”、“注意安全”等字樣，以提示后方車輛；然而當(dāng)后方車輛進(jìn)入危險(xiǎn)距離時(shí)，系統(tǒng)在加快LED警示燈和點(diǎn)陣閃爍頻率的同時(shí)，會(huì)將駕駛艙的信息顯示屏的底色變成醒目的紅色并通過(guò)語(yǔ)音提示本車駕駛員注意后方車輛，以便可以及時(shí)采取相應(yīng)預(yù)防措施。如果沒(méi)有檢測(cè)到上述三種危險(xiǎn)信息，車輛安全通行。若后方車輛也安裝了本系統(tǒng)，兩車可以無(wú)線通信，本車適時(shí)向后車發(fā)送信號(hào)，比如發(fā)送“您與前車過(guò)近，請(qǐng)注意保持車距”等提示，實(shí)現(xiàn)兩車有機(jī)通信，達(dá)到防追尾保安全的功能。程序流程圖如圖11所示：開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化語(yǔ)音播報(bào)設(shè)置小車初始化速度數(shù)據(jù)采集及顯示設(shè)置安全距離報(bào)警判斷報(bào)警條件3報(bào)警條件2報(bào)警條件1安全通行紅燈閃、語(yǔ)音以及字幕提示黃燈亮紅燈閃無(wú)線通信圖11系統(tǒng)流程圖6總結(jié)知識(shí)改變命運(yùn)，科技改變世界！“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，相信每個(gè)參加“挑戰(zhàn)杯”的同學(xué)一定會(huì)收獲很多。不管過(guò)程多么的艱辛，不管最后的結(jié)果會(huì)是如何，相信我們都無(wú)怨無(wú)悔。正所謂，一分耕耘，一分收獲，一滴汗水，也可安慰我們的心靈。此次“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽，我們的作品智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)主要有主控模塊、電源管理模塊、人機(jī)交互模塊、信息采集模塊、雷達(dá)測(cè)量模塊、顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、通信模塊等幾部分組成。系統(tǒng)通過(guò)在車輛尾部保險(xiǎn)杠位置安裝毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)后方車輛的準(zhǔn)確識(shí)別定位和相對(duì)速度測(cè)量，系統(tǒng)微處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)“三段”預(yù)警功能，并且利用兩車通信，提高行車安全，防止追尾事故的發(fā)生。系統(tǒng)極具科學(xué)性與先進(jìn)性。針對(duì)我國(guó)人口眾多且正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時(shí)期，汽車保有量和需求量都非常大，但汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)相對(duì)落后，道路情況相當(dāng)復(fù)雜，交通事故率居高不下，該作品作為主動(dòng)安全防預(yù)系統(tǒng)，可適用于汽車生產(chǎn)商為新車增加的安全配置，也可作為汽配商為用戶加裝的安全預(yù)警系統(tǒng)，用途廣泛，有較好推廣前景。智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)模型在我們小組的共同努力下，作品日益完善，功能實(shí)現(xiàn)較全。最終不管結(jié)果如何，我們都得到了鍛煉。除了技術(shù)水平的提高，“挑戰(zhàn)杯”鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)合作，協(xié)調(diào)、處理問(wèn)題以及學(xué)習(xí)等能力。最后，我想說(shuō)的是，年輕要勇于挑戰(zhàn)，敢于挑戰(zhàn)，哪怕碰一鼻子灰?！疤魬?zhàn)”你我同在！相信，艱辛的努力會(huì)有回報(bào)。在此，預(yù)祝本屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)作品競(jìng)賽取得圓滿成功。7參考文獻(xiàn)[1]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.2(第2版).[2]李華.MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.6.[3]陳光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.4.[4]葉濤，陳紅軍等.基于DSP的多超聲測(cè)距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004,12(2):45-48..[5]蘇長(zhǎng)贊.紅外線與超聲波遙控[M].北京：人民郵電出版社，1993.7[6]張孝亮,李繼龍.氣象因素對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)挠绊慬J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2009,(6):56-58.[7]李曉霞，江宗法，李百川等.車載距離探測(cè)技術(shù)比較[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,22(2):73-76.[8]汪衛(wèi)東.汽車安全技術(shù)的最新發(fā)展及對(duì)策思考[J].汽車車輛,2003,8(6):20-25.[9]李金龍,孫晚華．高速公路交通事故成因分析及對(duì)策研究[J]．中國(guó)安全科學(xué)報(bào).2005,15(1)：59-62.[10]盛懷茂，夏冠群等．FMCW毫米波防撞雷達(dá)系統(tǒng)[J]．電子產(chǎn)品世界．2001,8(2):58-59.[11]胡鐵紅.高速公路追尾及側(cè)向碰撞預(yù)警系統(tǒng)模型的研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2010.[12]丁鷺飛，耿富錄．雷達(dá)原理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.[13]柴毅.智能汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)研究[D]．重慶：重慶大學(xué).2001.10.[14]馬駿.高速公路行車安全距離的分析與研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).1998.18(4):50-53.[15]黃智偉.全國(guó)電子大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.[16]高吉祥.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程之模擬電子線路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.[17]周冰.AltiumDesignerSummer09從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.10.[18]康光華主編.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1.[19]康光華主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.1.[20]劉建清.輕松玩轉(zhuǎn)AVR單片機(jī)C語(yǔ)言[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.[21]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2010.10.[22]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1991.8致謝感謝合肥學(xué)院校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽的大力支持！感謝合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系譚敏教授、高先和副教授及紀(jì)平老師的辛勤指導(dǎo)和推薦！感謝各位隊(duì)友的共同努力、互相幫助！感謝合肥學(xué)院電子愛(ài)好者協(xié)會(huì)為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行提供了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地！同時(shí)感謝安徽省“挑戰(zhàn)杯”組委會(huì)為我們提供了展示的平臺(tái)，在此鄭重表示感謝！附錄附錄1實(shí)物圖圖12安全狀態(tài)顯示圖圖13第一階段預(yù)警顯示圖圖14第二階段預(yù)警顯示圖圖15第三階段預(yù)警顯示圖附錄2智能“佯裝”剎車預(yù)警系統(tǒng)主程序及注釋/***************************************************************題目：智能佯裝剎車預(yù)警系統(tǒng)功能：通過(guò)測(cè)量距離來(lái)測(cè)量后方車速，定義安全距離，實(shí)現(xiàn)佯裝剎車，提示后方車輛以及本車駕駛員注意安全。版本：ICCV7forAVR****************************************************************/voidmain(void){ unsignedinttemp=1;//臨時(shí)變量 system_init();//系統(tǒng)初始化 Voice0_Y; //語(yǔ)音播報(bào) delay_nms(20); Voice0_N; PWM(50);