CN101734244A - 具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其构成是：一采用激光测距雷达的测距仪安装于车辆上；一车速仪，其输出端与中控单元输入相连；中控单元内置驱动程序，通过接口电路分别与测距仪、数据显示及告警单元相连接，其输出端经减速控制单元接车辆制动系统。其行车安全方法如下：启动该系统；主控计算机采集车速数据：如车速低于设定值v₀，测距仪休眠，一旦车速大于等于设定值v₀，测距仪开始测量本车与前方障碍物距离数据并传给主控计算机；计算距离L和当前车速v的比值，并与安全反应时间t₀比较，如果比值大于t₀，减速驱动装置不动作；如果比值小于t₀，报警装置报警，重复次数n达设定值n₀，驱动车辆刹车系统使车辆减速。

Description

具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统及方法

技术领域

本发明涉及一种行车安全保障系统，特别是涉及一种通过前视测距并根据测量结果控制车速的行车安全保障系统及方法。

背景技术

随着家用车辆的普及，行车安全已经成为生活中的一件大事。在行车过程中，只有使本车与前方车辆保持足够的距离才能有效避免追尾事故的发生。为此，交通管理部门采取了很多措施，比如，在高速公路上每间隔一段距离就在路面上划若干车距确认线，以帮助司机估计本车与前方车辆之间的距离。但是，这些措施的效果是有限的。因为，两车之间需要保持的安全距离是一个动态数据，它不仅与本车的速度有关，还与本车与前方车辆之间的相对速度有关。如何掌握好与前方车辆之间的安全距离并非易事。此外，路面上还有可能出现由于山体滑坡而滚落下来的石块、或者大风刮倒的树木等意外情况，在车辆高速行驶时要想有效地规避这些障碍物也非易事。如何解决这个问题目前尚未有很好的办法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统及安全行车方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其由前视测距仪、中央控制单元、数据显示及告警单元、减速驱动装置、车速仪及系统电源构成，其中

所述的前视测距仪，采用一个测距雷达，安装于车辆上部或前部；

所述的中央控制单元，内置驱动程序，通过接口电路分别与前视测距仪、数据显示及告警单元、车速仪和减速控制单元相连接；

前视测距仪从中央控制单元获取指令，根据中央控制单元的指令工作，并将测得的距离数据传输到中央控制单元；

数据显示及告警单元从中央控制单元接收数据并显示，并在必要时发出声/光告警信号；

车速仪的输出端与中央控制单元的输入端相连，为其提供即时车速数据；

减速控制单元接车辆自身的制动系统；

系统电源为整个系统提供电源。

所述的测距雷达的种类有很多，根据工作频率的不同可以分为无线电测距雷达、微波测距雷达、激光测距雷达等。根据本发明的应用特点，激光测距雷达具有受限制小、抗干扰能力强等优点，是一个好的选择。

所述的激光测距雷达由发射单元、接收单元和电子计时单元组成，所述发射单元至少包括一台激光器。

红外线具有对人的眼睛和身体无损害，抗干扰能力强等优点，因此所述激光器最好选择红外波段的波长及脉冲输出方式。

在可能的情况下，所述车速仪和系统电源可以借用车辆自身的车速仪和电源。

所述车辆自身的制动系统的减速驱动装置采用液压驱动、电机驱动或电磁驱动。

所述中央控制单元内置驱动程序中设定本车车速v₀为前视测距仪开始工作的起点；L/v＝t₀作为判断起动报警装置和减速驱动装置的起始标准，其中L为本车与前方障碍物的距离，v为本车当前车速，t₀为普通驾车人发现前方有障碍物需要刹车时的安全反应时间。

一种使用前述系统的行车安全保障方法，其方法步骤如下：

a)将前述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统安装于车辆中，该系统内置的驱动程序中预先设置有普通驾车人发现前方有障碍物需要刹车时的安全反应时间t₀，车速设定值v_0，重复次数参量n₀和一个时间间隔Δt值；

b)车辆启动后自动激活具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统；

c)系统启动后首先将重复次数n归0；

d)主控计算机开始采集车速数据：如果车速低于设定值v₀，这时前视测距仪就处于休眠状态，主控计算机继续采集车速数据；一旦车速大于等于设定值v₀，继续下一步骤；

e)前视测距仪开始工作，测量本车与前方障碍物距离数据L，并传输给主控计算机；

f)主控计算机计算L和当前车速v的比值，计算结果与普通驾车人发现前方有障碍物需要刹车时的安全反应时间t₀比较，如果L/v比值大于t₀，重复次数n归0，减速驱动装置不动作；如果L/v比值小于t₀，报警装置发出声/光报警信号，重复次数n自加1；

g)系统判定n是否达到设定值n₀；如果n达到设定值n₀，主控计算机向减速驱动装置发出制动信号，驱动车辆刹车系统使车辆减速，并回到步骤c)；如果n＜n₀，且n保持0＜n＜n₀的时间小于设定的时间间隔值Δt，则回到步骤e)；如果n＜n₀，且n保持0＜n＜n₀的时间大于时间间隔值Δt，则回到步骤c)。

车辆正常行驶中，系统始终处于工作状态；车辆停驶后，系统可以自动关闭，亦可处于待机工作状态。

本发明的创新点在于将激光测距雷达应用于车辆行车安全系统中，可以有效保证系统的快速响应及测量，使行车安全有了可靠性的保证。

本发明的优点是：由于采用了激光测距雷达系统，使得本发明装置的反应时间迅速而准确，且测试的盲区小或没有盲区，从而可有效保证行车安全。

附图说明

图1为本发明具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统组成示意图。

图2为本发明的激光测距雷达组成示意图。

图3为本发明中央控制单元工作程序方框流程图。

图4为减速驱动装置一实施例结构构成示意图

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

具体实施方式

参阅图1所示，本发明具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统是由前视测距仪1、主控制单元3、数据显示及告警单元(装置)6、减速驱动装置4与车速仪2(采用原车系统的车速仪较佳，亦可是外配的车速仪)、系统电源7(既可采用原车系统的车载电源，也可根据功率大小的需要外配电源)联合构成。

所述的前视测距仪1安装于车辆上部或前部，能够连续测量本车与前方可能出现的物体(包括车辆或意外障碍物等)之间的距离。

本发明的主要创新点之一在于：采用激光测距雷达作为前视测距仪，安装于车辆上部或前部。

激光测距雷达是目前比较成熟的一项技术，可以作为本系统中的前视测距仪的一个选择。本发明的激光测距雷达可以由发射单元、接收单元和电子计时单元组成。图2是其系统模块图。发射单元包括一个激光器11、一个分束器12、第一探测器13和一组发射天线14。激光器发出激光束，分束器将激光束一分为二，一部分进入探测器13，用于触发电子计时器16开始计时。另一部分经过发射天线14发射出去进行距离探测。发射天线的主要作用是调节激光束斑大小和发射角。接收天线15的作用是汇集遇到障碍后180°反射回来的激光脉冲，并将返回来的脉冲输送到第二探测器17，探测器17在接收到返回脉冲后触发电子计时器16停止计时。电子计时器测到的时间数据Δt乘以光速c除以2即是所要测量的距离数据。

当激光测距雷达应用于本发明的时候，还有一些问题需要解决。首先是激光器的选择。1、关于激光器波长的选择：红外波段是一个较好的选择。因为可见光波段会对人眼造成干扰和损害，而紫外波段则有可能对人的皮肤造成损伤。红外波段不存在上述问题。2、关于激光器的输出方式，采用脉冲式比较理想。因为测距应用本身就要求的激光束必须是脉冲式的。如果激光器是连续输出的话，还需要一个专门的器件将激光器转化成脉冲式。作为一个实例，波长在9～11微米之间的二氧化碳气体激光器是一个较佳的选择，特别是波长为10.6微米的TEA CO₂激光器(横向激励、常压、二氧化碳气体激光器)，具有脉冲频率高，输出能量大，抗干扰能力强，制作成本较低等优点，比较适合应用于本发明当中。而关于激光器的具体参数，比如单脉冲能量、脉冲输出频率等则可以根据所要应用的车辆的具体情况设计制作，在技术上没有太大难点。

在激光器采用TEA CO₂激光器的情况下，作为一个实例，分束器可以采用硒化锌材料制作，探测器可以采用钽酸锂材料制作，因为硒化锌材料环境适应性较强，比较适合车载使用；而钽酸锂(LiTaO₃)是一种重要的多功能材料，具有优良的压电、铁电、声光及电光效应，用钽酸锂材料制作探测器无需制冷。

将激光测距雷达应用于本发明还需要解决探测盲区的问题。这主要涉及发射天线的一些技术参数。在具体应用当中可以根据所要应用的车辆的具体情况进行设计，在技术上没有太大难点。

为了减小乃至消除探测盲区，还可以采用如下前视测距仪设计方案：在车辆左右两边各安装一套或者并排安装多套发射单元，而接收单元可以和发射单元一一对应，也可以只保留一套，根据具体情况处理。典型的设计可以是在车辆左右两边各安装一套发射单元而在中间安装一套接收单元，也可以将发射单元和接收单元做成一个模块，采用两个或多个模块并排安装的方案，并排安装时，必须让各个发射单元按顺序交替工作，否则就会导致回波信号的混淆而导致测量错误。

前视测距仪1(即激光测距雷达)通过数据传输电路、测距仪控制电路(即可采用现有控制激光器电源的开关电路技术)与中央控制单元3相连；计算机控制减速驱动装置的控制电路可以由一个减速驱动装置驱动电机与电源之间的开关电路实现，用常规的模数转换电路从车速仪获取数据，中央控制单元的主控计算机通过执行控制程序来输出指令控制前视测距仪的工作状态(开机、停机以及各种工作参数的设置)，并接受它的测量数据。

所述的中央控制单元3的主控计算机内置可以实现本发明目的的驱动程序，分别通过接口电路与车速仪2、数据显示及告警单元6相连接，以控制它们的运行状态。

中央控制单元3主要由一个主控计算机和相关附件单元组成。为了便于安装在车辆上，计算机系统应该尽可能小型化，单片机是一个好的选择。各种附件单元的功能是将计算机与各个子系统连接起来，形成一个满足需要的完整系统。这些附件包括：连接计算机与车速仪的接口电路以及驱动程序，用于获取瞬时车速数据；连接计算机与前视测距仪的控制电路以及驱动程序，用于控制前视测距仪的运行状态；连接计算机与前视测距仪的数据传输电路驱动程序，用于获取测得的距离数据；连接计算机与减速驱动装置的减速控制电路以及驱动程序，用于控制减速驱动装置的运行状态；连接计算机与数据显示及告警单元的接口电路及驱动程序。这些附件都属于常规的计算机软硬件，现有技术可以实现，此处不赘述。

中央控制单元的主要作用是控制前视测距仪和减速驱动装置。它对获取的各项数据进行综合评估，并根据具体情况控制其它单元的工作状态。中央控制单元的工作流程可以参见图3所示的一实施例：

车辆启动后系统自动激活(驱动程序中设定)。首先程序中设置的一个关于“重复次数”的参量n归零。然后主控计算机开始采集车速数据。如果车速低于某个设定值v₀(比如50公里/小时)，那么出现安全问题的可能性不大，驾驶员的自身反应力就已经足够了，这时前视测距仪就处于休眠状态，可以节省电力。一旦车速大于v₀，前视测距仪便立即开始工作。测量到的距离数据L(即本车与前方障碍物的距离)传输到主控计算机，计算机一方面将此距离数据L值在显示器上显示出来，另一方面计算L和当前车速v的比值，将L/v比值作为一个判断指标。显然该比值是一个时间当量的参数。我们可以事先设定一个参数t_X：它反映普通人的判断力，即当一个普通驾车人发现前方有障碍物需要刹车时，他能够在多长时间内做出反应，将这个时间值乘以一个安全系数，便可以作为t_X的最佳设定值t₀(本发明选定t₀的值在0.5秒左右)。如果L/v比值大于t₀，表明车辆前方存在的物体与本车保持着安全距离，车辆正常行驶。如果L/v比值小于t₀，则表明本车与前方物体之间距离太近。此时，报警装置发出声/光报警信号，同时重复次数参量n自加1。系统判定n是否达到设定值n₀；如果n未达到设定值n₀，则回到前步骤继续测量；如果n达到设定值n₀，主控计算机向减速驱动装置发出制动信号，后者驱动车辆刹车系统使车辆减速。设置重复次数参量n₀的目的是为了稳妥，如果只根据一次测距结果来作出判定，或者重复次数参量n₀设定的次数过少，就有可能会出现因为测量误差而使车辆被误减速的情况；如果重复次数参量n₀设定的次数过多，势必会造成系统响应时间过长，达不到及时处理的目的，不能及时驱动车辆刹车系统使车辆减速；故而选择一个合理的重复次数参量n₀也是本发明的一个发明侧重点，其尽可能保证系统的快速响应，且还能避免在出现测量误差时车辆被不必要的减速；本发明在一个实施例中选定重复次数参量n₀为5～10次，当然，亦可以根据系统主机的配置及具体系统的响应时间来选定合理的重复次数参量n₀。同时，为了防止各种干扰因素的影响，重复次数n保持0＜n＜n₀的时间大于一个设定的时间间隔值Δt就自动将n归0。

车辆停驶后，本发明具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统自动关闭。

数据显示及告警单元用普通的计算机附件就可以实现，不存在技术难点。数据显示器可以安装在车辆仪表盘内，作为一项参数随时供司机参考。报警装置可以采用声/光报警的方式。这里唯一需要解决的问题是距离数据的显示。因为测距频率必须保持很高才能满足需要(每秒数十乃至数百次)，如果以如此高的频率显示数据的话数据跳变的太快，司机可能根本看不清。解决这个问题的方法有很多，比如每间隔一个时间段显示一个数据，或者取一个时间段内的平均值输出到显示器上等。

减速驱动装置4与中央控制单元3相连接，受后者的控制。中央控制单元在确认必要时利用它启动车辆的刹车系统，使车辆减速。减速驱动装置可以采用很多种设计，比如液压驱动，电机驱动，电磁驱动等。作为一个实例，图4给出了采用电机驱动凸轮机构的方案。在图4中，一个与车辆脚踏刹车装置并联设置且与之等效的刹车压板52与电机驱动的凸轮机构(或偏心轮机构)51相连，在接收到中央控制单元发来的制动信息后，减速驱动装置便驱动凸轮机构的电机运转，凸轮的凸起部分与减速压板接触使得车辆制动而实现减速的目的。减速驱动装置从中央控制单元接收命令，L/v值大于设定的阈值，电机不运转；L/v值小于设定的阈值，电机开始运转。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明的申请专利范围。

Claims (10)

1.一种具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：其由前视测距仪、中央控制单元、数据显示及告警单元、减速驱动装置、车速仪及系统电源构成，其中

所述的前视测距仪，采用一个测距雷达，安装于车辆上部或前部；

所述的中央控制单元，内置驱动程序，通过接口电路分别与前视测距仪、数据显示及告警单元、车速仪和减速控制单元相连接；

前视测距仪从中央控制单元获取指令，根据中央控制单元的指令工作，并将测得的距离数据传输到中央控制单元；

数据显示及告警单元从中央控制单元接收数据并显示，并在必要时发出声/光告警信号；

车速仪的输出端与中央控制单元的输入端相连，为其提供即时车速数据；

减速控制单元接车辆自身的制动系统；

系统电源为整个系统提供电源。

2.根据权利要求1所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述的前视测距仪为一个激光测距雷达，该激光测距雷达由发射单元、接收单元和电子计时单元组成；

所述的发射单元包括一个激光器、一个分束器、第一探测器和一组发射天线，所述分束器将激光器发出的激光束一分为二，一部分进入探测器，用于触发电子计时器启动计时，另一部分经发射天线发射进行距离探测；

所述的接收单元为一个接收天线及第二探测器，所述接收天线接收经行进前方障碍后180°反射回来的激光脉冲，并将返回来的脉冲输送到探测器，探测器在接收到返回脉冲后触发电子计时器停止计时。

3.根据权利要求2所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述激光器输出的激光束选择红外波段的波长。

4.根据权利要求2所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述激光器选择脉冲输出方式。

5.根据权利要求3或4所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述激光器采用波长为9～11微米的TEA CO₂激光器。

6.根据权利要求2所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述中央控制单元的内置驱动程序中以L/v作为判断启动报警装置和减速驱动装置的依据，其中L为本车与前方障碍物的距离，v为本车当前车速。

7.根据权利要求1所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述的车速仪采用原车系统中的车速仪。

8.根据权利要求1所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统，其特征在于：所述的系统电源采用原车系统中的车载电源。

9.一种使用权利要求1所述系统的行车安全保障方法，其特征在于方法步骤如下：

a)将权利要求1所述的具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统安装于车辆中，该系统中预先设置有普通驾车人发现前方有障碍物需要刹车时的安全反应时间t₀，车速设定值v₀、重复次数参量n₀和一个时间间隔Δt值；

b)车辆启动后自动激活具有前视测距及自动减速功能的行车安全保障系统；

c)系统启动后首先将重复次数n归0；

d)主控计算机开始采集车速数据：如果车速低于设定值v₀，这时前视测距仪就处于休眠状态，主控计算机继续采集车速数据；一旦车速大于等于设定值v₀，继续下一步骤；

e)前视测距仪开始工作，测量本车与前方障碍物距离数据L，并传输给主控计算机；

f)主控计算机计算L和当前车速v的比值，计算结果与普通驾车人发现前方有障碍物需要刹车时的安全反应时间t₀比较，如果L/v比值大于t₀，重复次数n归0，减速驱动装置不动作；如果L/v比值小于t₀，报警装置发出声/光报警信号，重复次数n自加1；

g)系统判定n是否达到设定值n₀；如果n达到设定值n₀，主控计算机向减速驱动装置发出制动信号，驱动车辆刹车系统使车辆减速，并回到步骤c)；如果n＜n₀，且n保持0＜n＜n₀的时间小于设定的时间间隔值Δt，则回到步骤e)；如果n＜n₀，且n保持0＜n＜n₀的时间大于时间间隔值Δt，则回到步骤c)。

10.根据权利要求9所述的系统的行车安全保障方法，其特征在于：车辆停驶后系统自动关闭。

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