喬應(yīng)，羅亞歐

（西華大學(xué)西華學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引言

目前隨著車(chē)輛的迅速增多，道路交通安全事故也逐漸增多，并呈逐年上升的趨勢(shì)，其中大部分交通事故是車(chē)輛追尾事故引發(fā)的[1]。為了有效預(yù)防車(chē)輛追尾，需要一種可以有效預(yù)防車(chē)輛發(fā)生追尾碰撞的裝置。本項(xiàng)目擬采用北斗定位技術(shù)及相關(guān)的理論研究一種可以準(zhǔn)確測(cè)量車(chē)輛行駛狀態(tài)，發(fā)出車(chē)輛超速提示和車(chē)輛追尾風(fēng)險(xiǎn)提示，在小于安全車(chē)距時(shí)自動(dòng)制動(dòng)的裝置，該裝置具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

本項(xiàng)目采用北斗定位檢測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)車(chē)輛的速度和方向，可以有效判斷車(chē)輛的狀態(tài)。車(chē)輛處于運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始確定車(chē)輛的位置，速度和行駛方向；雷達(dá)測(cè)距模塊檢測(cè)前方是否有車(chē)輛，若有車(chē)輛則測(cè)算出與前方車(chē)輛的車(chē)距。根據(jù)北斗獲得的車(chē)速，雷達(dá)測(cè)距模塊獲得的車(chē)距，自動(dòng)與安全車(chē)距車(chē)速進(jìn)行比較，判斷車(chē)輛與前方車(chē)輛是否有追尾風(fēng)險(xiǎn)。若無(wú)追尾風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)工作狀態(tài)。一些現(xiàn)有的防追尾系統(tǒng)只能判斷是否出現(xiàn)追尾危險(xiǎn)，一旦達(dá)到臨界條件就會(huì)觸發(fā)警報(bào)裝置，有些時(shí)候危險(xiǎn)等級(jí)比較低，但警報(bào)觸發(fā)的危險(xiǎn)等級(jí)不具有清晰的辨識(shí)度，往往會(huì)起到相反的作用，增加司機(jī)的心理負(fù)擔(dān)，有些司機(jī)可能由于緊張而做出錯(cuò)誤的判斷和行為。而該裝置若判斷出與前方車(chē)輛有追尾風(fēng)險(xiǎn)，處理器將分析出不同的追尾風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)不同的追尾風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，給予不同的語(yǔ)音報(bào)警提示。若危險(xiǎn)等級(jí)較低，則開(kāi)始語(yǔ)音報(bào)警提醒車(chē)主降低車(chē)速。若追尾風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，則開(kāi)啟報(bào)警，同時(shí)語(yǔ)音報(bào)警循環(huán)提醒車(chē)主注意減速，直到無(wú)追尾風(fēng)險(xiǎn)為止[2]。

若需要進(jìn)行超車(chē)，當(dāng)車(chē)主打開(kāi)超車(chē)燈控制器，轉(zhuǎn)向燈檢測(cè)模塊檢測(cè)到超車(chē)信號(hào)，系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，在超車(chē)過(guò)程中不會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。當(dāng)車(chē)主完成超車(chē)，車(chē)主關(guān)閉超車(chē)燈控制信號(hào)，系統(tǒng)檢測(cè)不到超車(chē)燈信號(hào)，系統(tǒng)重新開(kāi)始工作，繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛的狀態(tài)信息。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于北斗定位的機(jī)動(dòng)車(chē)防追尾控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括微處理器、北斗定位模塊、雷達(dá)測(cè)距模塊、轉(zhuǎn)向燈檢測(cè)模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、故障原因顯示模塊及直流穩(wěn)壓電源。其基本工作原理是：微處理器通過(guò)北斗定位模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛速度，并通過(guò)雷達(dá)測(cè)距模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)輛與前車(chē)之間的距離，再將該距離與車(chē)輛當(dāng)前車(chē)速所對(duì)應(yīng)的安全制動(dòng)距離進(jìn)行比較，以判斷車(chē)輛是否存在追尾風(fēng)險(xiǎn)以及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。如果當(dāng)前車(chē)距小于相應(yīng)的安全制動(dòng)距離，則判斷為存在追尾風(fēng)險(xiǎn)，且車(chē)距越小，則相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別越高。當(dāng)微處理器判斷出車(chē)輛存在追尾風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將控制語(yǔ)言報(bào)警模塊發(fā)出限速及安全預(yù)警提示，并在風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別越高時(shí)，發(fā)出不同的安全預(yù)警提示，以達(dá)到更好的警示效果，從而有效預(yù)防車(chē)輛追尾事故的發(fā)生。另外，轉(zhuǎn)向燈檢測(cè)模塊用于檢測(cè)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向信號(hào)，如檢測(cè)到轉(zhuǎn)向燈已開(kāi)啟，說(shuō)明車(chē)輛正在變道行駛，此時(shí)將關(guān)閉語(yǔ)言報(bào)警模塊功能；而當(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)向信號(hào)消失，則重新開(kāi)啟語(yǔ)言報(bào)警模塊功能。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，可以在故障原因顯示模塊上顯示對(duì)應(yīng)故障原因及解決方案。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括北斗定位模塊、雷達(dá)測(cè)距模塊、電路及PCB板設(shè)計(jì)等，各部分設(shè)計(jì)將根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案分步進(jìn)行，其中的硬件設(shè)計(jì)和主要元器件選型簡(jiǎn)要介紹如下：

（1）北斗定位模塊。采用Vogo公司所產(chǎn)型號(hào)為VOGO-919的北斗定位模塊。該北斗定位模塊檢測(cè)精度從之前的10米大幅增加至1-2米，并且該模塊內(nèi)置電池，即使電瓶拆除也能持續(xù)工作3-8個(gè)小時(shí)。目前的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)擁有兩項(xiàng)重大改進(jìn)，首先是道路規(guī)劃時(shí)間大幅縮短，從之前的30秒降至3秒；其次是定位精度的提升，定位精準(zhǔn)在1-2米級(jí)別，超越美國(guó)GPS，成為精度僅次于歐洲伽利略系統(tǒng)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)階段也已經(jīng)可以判斷車(chē)輛是在主路行駛還是在輔路行駛。該北斗定位模塊能夠完成相關(guān)的測(cè)量要求，可以很好地檢測(cè)出車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)[3]。

（2）雷達(dá)測(cè)距模塊。采用24 GHz FMCW雷達(dá)系統(tǒng)。該模塊的數(shù)字基帶處理模塊采用STM32F407微處理器，可完成數(shù)據(jù)采集與信號(hào)特征提取以及系統(tǒng)控制。系統(tǒng)測(cè)試電路對(duì)目標(biāo)物距離的測(cè)量結(jié)果較準(zhǔn)確，在12m～90m范圍內(nèi)測(cè)量誤差不超過(guò)10%，該車(chē)載測(cè)距雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)90m的距離測(cè)量。這款24GHz FMCW車(chē)載測(cè)距雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可滿(mǎn)足雷達(dá)測(cè)距基本要求，能夠作為車(chē)載防撞雷達(dá)原型機(jī)進(jìn)行車(chē)載防撞雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)。

（3）電路及PCB板設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的電路圖如圖2所示，PCB板設(shè)計(jì)圖如圖3所示。本項(xiàng)目的PCB板設(shè)計(jì)采用Altium Designed軟件進(jìn)行繪制，利用該軟件進(jìn)行基本的電路原理設(shè)計(jì)，再由電路原理圖直接轉(zhuǎn)化為PCB原理圖，然后手動(dòng)將各個(gè)元器件位置在PCB板上排列好，最好將各個(gè)引腳的元器件用導(dǎo)線(xiàn)連接。完成上述所有步驟后，通過(guò)軟件的“Design Rule Check”選項(xiàng)來(lái)對(duì)PCB板做最后的編譯與檢查，當(dāng)軟件提示無(wú)錯(cuò)誤無(wú)警告之后，整個(gè)PCB板的設(shè)計(jì)就完成了。

圖2 電路圖設(shè)計(jì)

圖3 PCB板設(shè)計(jì)

3 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的基本軟件流程圖如圖4所示。本裝置先使用北斗定位模塊檢測(cè)車(chē)輛行駛狀態(tài)，以輔助測(cè)試模塊對(duì)車(chē)輛速度進(jìn)行檢測(cè)，雷達(dá)測(cè)距模塊測(cè)量出與前車(chē)的距離，然后運(yùn)用算法對(duì)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行分析，判斷是否打開(kāi)變道裝置，是否有追尾危險(xiǎn)。如果沒(méi)有打開(kāi)變道裝置，而且有追尾危險(xiǎn)，系統(tǒng)將會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音提示，緊接著觸發(fā)報(bào)警提示，若打開(kāi)變道裝置或者沒(méi)有追尾危險(xiǎn)，將繼續(xù)檢測(cè)車(chē)輛的行駛信息，從而達(dá)到預(yù)防追尾事故的發(fā)生[4]。

圖4 程序流程圖設(shè)計(jì)

4 創(chuàng)新點(diǎn)

采用北斗定位檢測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)車(chē)輛的速度，判斷車(chē)輛的行駛狀態(tài)，并與雷達(dá)測(cè)距模塊測(cè)出的車(chē)距相結(jié)合，與各時(shí)速的可能追尾臨界車(chē)距范圍進(jìn)行比較，判斷不同的危險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，達(dá)到防止追尾事故的目的。

5 技術(shù)關(guān)鍵

采用北斗定位的方式對(duì)車(chē)輛進(jìn)行定位并對(duì)其行駛狀態(tài)中的速度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)算法判斷是否處于或超越可能追尾臨界車(chē)距范圍，確定其車(chē)輛是否有追尾風(fēng)險(xiǎn)并分級(jí)預(yù)警。

6 常見(jiàn)故障分析

6.1 故障現(xiàn)象1：北斗定位模塊不能提供定位信息

6.1.1 北斗定位模塊供電電壓異常

分析和解決方法：檢查北斗定位模塊的供電電源電壓是否正常，若不正常，檢查電源模塊的輸入電壓是否正常，若其輸入電壓正常，則是電源模塊出現(xiàn)了故障，需更換該電源模塊；否則，需檢查外部供電電源。

6.1.2 北斗定位模塊出現(xiàn)故障

分析和解決方法：如果北斗定位模塊的供電電壓正常，而北斗定位模塊不能實(shí)現(xiàn)正常的定位功能，同時(shí)其定位指示燈也沒(méi)有正常顯示，則可斷定是北斗定位模塊出現(xiàn)了故障，需更換該北斗定位模塊。

6.2 故障現(xiàn)象2：液晶顯示屏不能正常顯示信息

6.2.1 液晶顯示屏供電電源出現(xiàn)故障

分析和解決方法：檢查液晶顯示屏的供電電壓是否正常，若不正常，則檢查其電源模塊的輸入電壓是否正常，若其輸入電壓正常，而電源模塊不能給液晶顯示屏提供正常的供電電壓，則是電源模塊出現(xiàn)了故障，需更換該電源模塊[5]。

6.2.2 液晶顯示屏出現(xiàn)故障

分析和解決方法：如果液晶顯示屏的供電電壓正常，液晶顯示屏的通信線(xiàn)路連接也正常，而液晶顯示屏不能正常顯示信息，則可斷定液晶顯示屏已損壞，需更換該液晶顯示屏。

6.3 故障現(xiàn)象3：無(wú)法獲得與前車(chē)的車(chē)距

6.3.1 雷達(dá)測(cè)距模塊出現(xiàn)故障

分析及解決辦法：檢查雷達(dá)測(cè)距模塊的指示燈是否正常點(diǎn)亮，若沒(méi)有，可能是雷達(dá)測(cè)距模塊供電部分出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)檢查供電部分線(xiàn)路。若電源指示燈正常點(diǎn)亮，則是雷達(dá)測(cè)距模塊出現(xiàn)問(wèn)題，可以更換雷達(dá)測(cè)距模塊。

6.3.2 雷達(dá)測(cè)距模塊安裝出現(xiàn)錯(cuò)誤

分析及解決辦法：查看雷達(dá)測(cè)距模塊的安裝位置，看雷達(dá)測(cè)距模塊是否處于正常的安裝位置，雷達(dá)測(cè)距模塊應(yīng)該處于正向向前的位置。若沒(méi)有，應(yīng)該調(diào)整好位置，在調(diào)整中，注意不要損壞雷達(dá)測(cè)距模塊。

7 結(jié)語(yǔ)

目前隨著車(chē)輛的迅速增多，道路交通安全事故也逐漸增多，其中大部分交通事故是由車(chē)輛追尾事故引發(fā)的。為了有效預(yù)防車(chē)輛追尾，目前普遍使用毫米波雷達(dá)、激光技術(shù)等方式實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間距的測(cè)量，再根據(jù)車(chē)速與車(chē)間距的關(guān)系評(píng)估追尾風(fēng)險(xiǎn)。但這類(lèi)防追尾裝置的測(cè)量器件都是安裝在車(chē)輛上，易受到地形、路面車(chē)輛狀態(tài)的影響，存在較大的誤差，不能發(fā)出準(zhǔn)確有效的預(yù)警提示，所以需要一種更精確、更能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的新裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛間距測(cè)量功能[6-7]。而基于北斗定位的車(chē)輛防追尾裝置利用北斗定位模塊可以準(zhǔn)確獲得車(chē)輛的速度，行駛方向，雷達(dá)模塊可以準(zhǔn)確測(cè)量車(chē)輛間的距離，在車(chē)輛速度超過(guò)安全速度時(shí)，分級(jí)報(bào)警并限速，達(dá)到預(yù)防車(chē)輛追尾的作用。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本低，有較好的應(yīng)用價(jià)值與實(shí)用價(jià)值，能在更大程度上減少交通事故的發(fā)生，為人們開(kāi)車(chē)出行保駕護(hù)航，減少因交通事故而造成的經(jīng)濟(jì)損失。