中心議題:
- 紅外線測(cè)距基本原理及其系統(tǒng)的建立
- 紅外線測(cè)距在汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用
- 汽車紅外防撞系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運(yùn)輸業(yè)日益繁榮,但由于道路狀態(tài)、交通管理等硬件難以跟上,加上駕駛超車、出車開小差、錯(cuò)誤估計(jì)車距等主觀的原理,使相互碰撞的交通事故頻頻發(fā)生。解決這個(gè)問題的根本措施在于給行進(jìn)中的汽車安裝能自動(dòng)跟蹤測(cè)距,在危險(xiǎn)距離內(nèi)自動(dòng)剎車的裝置。
由于電子技術(shù)的發(fā)展,先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外線測(cè)距。其中激光測(cè)距是靠激光束照射在前車上的反射鏡(汽車尾部)反射回來的激光束探測(cè)兩車距離。由于受惡劣的天氣、汽車激烈的振動(dòng),反射鏡表面磨損,污染等因素影響,使反射的激光束在一定功率上探測(cè)距離比可能探測(cè)的最大距離減少1/2~1/3,損失很大,影響探測(cè)的精確度;微波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)為軍事和某些工業(yè)開發(fā)采用的裝備和振蕩器等電路部分價(jià)格昂貴,現(xiàn)在幾乎還沒有開拓民用市場(chǎng);超聲波測(cè)距在國(guó)內(nèi)外已有人做過研究,由于采用特殊專用元件使其價(jià)格高,難以推廣;紅外線作為一種特殊的光波,具有光波的基本物理傳輸特性—反射、折射、散射等,且由于其技術(shù)難度相對(duì)不太大,構(gòu)成的 測(cè)距系統(tǒng)成本低廉,性能優(yōu)良,便于民用推廣。
當(dāng)前測(cè)距系統(tǒng)所用的測(cè)距基本原理都是建立在測(cè)量時(shí)間差的基礎(chǔ)上,而測(cè)量時(shí)間的方法主要有“脈沖方式”和“調(diào)頻2連續(xù)波方式”。這兩種測(cè)量方式都是以模擬電路來實(shí)現(xiàn),由于器件延時(shí)的影響,使測(cè)量精度大大下降。本文采用“計(jì)數(shù)”方式,通過單片機(jī)處理,使測(cè)量準(zhǔn)確度有了很大提高。
因此,本文研究的紅外測(cè)距系統(tǒng)成本較低,機(jī)體尺寸小,而且利用一種新的測(cè)距原理結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的處理,使測(cè)量精度有了較大提高;同時(shí)把這種測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)中,并進(jìn)行了裝車防撞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表面,這種系統(tǒng)能探測(cè)的距離大于40m,且分析判斷險(xiǎn)情的速度快,準(zhǔn)確性較高。
2 紅外線測(cè)距基本原理及其系統(tǒng)的建立
2.1 基本原理
紅外線發(fā)射器不斷發(fā)射出頻率為40kHz的紅外線,經(jīng)障礙物反射,紅外線接收器接收到反射波信號(hào),并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。測(cè)出發(fā)射波與接收到反射波的時(shí)間差t,即可求出距離s:
式中,c為光速度,一般取3×108m/s。
本文采用“計(jì)數(shù)”方式,通過單片機(jī)處理進(jìn)行測(cè)量,其基本原理是:紅外線發(fā)射器始終處于發(fā)射紅外線的狀態(tài),當(dāng)紅外接收器第一次接收到障礙物反射回的紅外線時(shí),經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個(gè)計(jì)數(shù)啟動(dòng)信號(hào),單片機(jī)的計(jì)數(shù)器開始以一定頻率計(jì)數(shù);當(dāng)紅外線接收器第二次接收到反射回的紅外線時(shí),經(jīng)電路處理單片機(jī)給出一個(gè)停止計(jì)數(shù)脈沖,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。通過編程,單片機(jī)自動(dòng)處理,用脈沖的周期T乘以脈沖數(shù)n就得到發(fā)射紅外線到接收紅外線的時(shí)間差t,即:
(2)式代入(1)式就得測(cè)量距離。
2.2 系統(tǒng)的建立
根據(jù)以上的測(cè)距原理,設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的基本框圖如圖1。
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紅外發(fā)射電路發(fā)射出40kHz頻率的紅外線,當(dāng)遇到障礙物紅外線發(fā)生漫反射,紅外線接收電路第一次接收到反射的紅外線時(shí),給單片機(jī)一個(gè)信號(hào)脈沖,啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)的計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器置位進(jìn)入計(jì)數(shù)狀態(tài);當(dāng)接收電路第二次接收到反射器的紅外線時(shí),經(jīng)單片機(jī)處理給出一個(gè)信號(hào)脈沖,使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),數(shù)據(jù)被鎖存,然后經(jīng)單片機(jī)處理,將測(cè)量的距離顯示在顯示器上。
3 紅外線測(cè)距在汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用
3.1 基本特點(diǎn)
本文研究的汽車紅外防撞系統(tǒng)吸收了國(guó)內(nèi)外各種測(cè)距儀的部分特點(diǎn),結(jié)合我國(guó)汽車電子工業(yè)發(fā)展方向和現(xiàn)有電子技術(shù)基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)出來的,具有以下特點(diǎn):
1)汽車在行進(jìn)中能自動(dòng)連續(xù)跟蹤顯示障礙物的距離;
2)在交通量較大的高速公路的車間距離一般為30~50m,本裝置設(shè)置極限安全距離為30m,當(dāng)探測(cè)的車間距為30m時(shí),發(fā)出警告聲提醒駕駛員注意剎車;
3)探測(cè)的車間距為20m時(shí),給出自動(dòng)剎車信號(hào);若裝有自動(dòng)剎車裝置,則自動(dòng)剎車減速。
3.2 汽車紅外防撞系統(tǒng)
汽車紅外防撞系統(tǒng)的電路原理框圖如圖2所示。
本系統(tǒng)由發(fā)射部分、接收部分、單片機(jī)、譯碼顯示電路、報(bào)警部分及自動(dòng)剎車減速裝置六部分組成。
發(fā)射部分:由40kHz振蕩器,恒流發(fā)射發(fā)路和發(fā)射探頭等組成,振蕩器產(chǎn)生占空比非常小的窄脈沖,采用恒流源提供20mA左右的電流,這樣減小了功耗,提高了發(fā)射功率,最后紅外線由發(fā)射探頭聚焦,以散射角小于2°發(fā)射。
接收部分:由紅外線接收頭、第1級(jí)放大電路、第2級(jí)放大電路、整形、AGC控制增益等電路組成,紅外線接收頭接收信號(hào)后經(jīng)第1級(jí)與第2級(jí)放大電路放大,由施密特觸發(fā)器電路整形,送入單片機(jī)處理。其中AGC控制接收電路的增益,保證恒幅輸出。
單片機(jī):由時(shí)鐘振蕩器和單片機(jī)組成,經(jīng)過編程,單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)、計(jì)算時(shí)間t和測(cè)量距離s,并將測(cè)量距離連續(xù)輸出給顯示裝置,同時(shí)在車間距離為30m時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)和車間距為20m時(shí),產(chǎn)生自動(dòng)剎車減速信號(hào)。
譯碼顯示電路:由譯碼電路、顯示器組成,單片機(jī)輸出的距離信號(hào)經(jīng)譯碼器譯碼,通過顯示器顯示出來??蓜?dòng)態(tài)顯示車與障礙物的距離。
報(bào)警部分:由觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)電路和小喇叭組成。當(dāng)車間距為30m時(shí)單片機(jī)給觸發(fā)器一個(gè)信號(hào),使觸發(fā)器置位產(chǎn)生一組脈沖,通過驅(qū)動(dòng)電路,使小喇叭發(fā)出報(bào)警聲,當(dāng)大于30m時(shí),觸發(fā)器復(fù)位,停止產(chǎn)生脈沖。
自動(dòng)剎車減速裝置:由開關(guān)K和自動(dòng)剎車減速裝置組成,當(dāng)司機(jī)認(rèn)為必要用到自動(dòng)剎車減速裝置時(shí),閉合開關(guān)K。當(dāng)車間距小于20m時(shí),單片機(jī)提供一個(gè)信號(hào),啟動(dòng)自動(dòng)剎車減速裝置,防止碰撞。
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4 汽車紅外防撞系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)
為了評(píng)價(jià)汽車紅外防撞系統(tǒng)的性能,包括探測(cè)障礙物距和相對(duì)速度的性能,采用靜物距離探測(cè)和在高速公路上行駛時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)兩種試驗(yàn)。
4.1 靜物距離探測(cè)試驗(yàn)
將普通汽車放在裝有紅外防撞系統(tǒng)的試驗(yàn)汽車前面,試驗(yàn)車從100m遠(yuǎn)處以30km/h的速度向普通汽車開來。當(dāng)距離大于40m時(shí),顯示0;距離小于40m時(shí),顯示器顯示的數(shù)據(jù)連續(xù)變化;當(dāng)車間距為30m時(shí),報(bào)警器開始報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,符合實(shí)際車間距離,探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
4.2 高速公路上行駛動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)車與普通車在高速公路上同時(shí)向同一個(gè)方向行駛,開車前兩車保持100m的距離。試驗(yàn)車向普通汽車發(fā)射紅外線,探測(cè)兩車距和相對(duì)速度,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
5 結(jié)語(yǔ)
本文采用一種新的測(cè)距原理建立了紅外測(cè)距系統(tǒng),并研究了紅外測(cè)距系統(tǒng)在汽車防撞系統(tǒng)的運(yùn)用。
為使測(cè)量的時(shí)間差t準(zhǔn)確,采取兩種方法提高精確度:
1)計(jì)數(shù)脈沖的周期T應(yīng)取得非常小。達(dá)微秒數(shù)量級(jí);
2)計(jì)數(shù)N個(gè)接收到的紅外線周期的計(jì)數(shù)脈沖,利用公式t=nT/N計(jì)算時(shí)間差t,則精確度提高到大約原來的N倍。
當(dāng)然,為了使汽車紅外防撞系統(tǒng)實(shí)用化還需解決如下幾個(gè)問題:
1)怎樣防止旁道上行駛時(shí),因道路兩旁物體,臨車道上的車輛產(chǎn)生錯(cuò)覺問題;
2)單片機(jī)的防振能力差,影響工作可靠性的問題;
3)發(fā)出什么樣的報(bào)警信號(hào)才能使司機(jī)不造成緊張不安的情緒;
4)如何進(jìn)一步提高單片機(jī)計(jì)數(shù)工作頻率,減少誤差;
5)探測(cè)距離受惡劣天氣影響,紅外線損失較大;
6)動(dòng)態(tài)探測(cè)距離有待進(jìn)一步提高。
這些問題有待進(jìn)一步研究、探討。相信隨著器件的改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)條件的改善,這些問題會(huì)得到圓滿解決。