CN103112451B - 一种汽车自动避撞系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车安全技术领域，特别涉及一种汽车自动避撞系统和方法。该系统包括信息采集装置、数据处理控制器、语音报警装置、制动输出装置和显示装置；制动输出装置包括刹车控制装置和油门控制装置；信息采集装置包括分别在车头和车尾安装至少一个高速扫描激光雷达，高速扫描激光雷达用于检测自身车体与障碍物之间的相对距离和相对速度。本发明提供的汽车自动避撞系统和方法，通过检测与前方车辆的相对距离和相对速度判断两车是否安全，并采取相应的报警或制动措施，有效避免了汽车相撞，有效减小高速公路上追尾事故的发生；提高了行车的安全性，最大程度地确保驾驶员在突发事件发生时的人身安全。

Description

一种汽车自动避撞系统和方法

技术领域

本发明涉及汽车安全技术领域，特别涉及一种汽车自动避撞系统和方法。

背景技术

众所周知，交通安全一直是公众关注的问题，而高速交通安全则是关系驾驶员安全的一个重大问题。由于高速公路上车速较快，反应时间短，若驾驶员出现长途疲劳驾驶、突发疾病、新手误操作、大雾视野受阻或醉驾等种种现象，很容易造成汽车追尾，导致重大事故的发生。

为了提高行驶安全，现有技术出现了一些具有基于超声波等方式的传感器的防撞警示装置，由于传感器是防撞警示装置中的重要部件，而现有的传感器大概分为：(1)毫米波测速雷达；(2)DDR成像；(3)超声波测距雷达。

上述传感器的优缺点如下：

(1)毫米波雷达，其测速精度较好，距离远，抗干扰一般，电磁波环境污染严重，其波速散射角度大，一般在10度～20度之间，这意味着在100米的波速探测面的宽度为22～44米，其优点是容易发现各种大小目标，但缺点更加突出-很容易把旁边车道的物体、路边的树、高度4～5米以上的标示牌和横跨高架路当障碍目标；干扰感应目标；

(2)DDR成像，其无环境污染，但抗干扰差，受天气影响严重，测距精度差，通常不能单独使用而是主要起到辅助作用。

(3)超声波测距雷达，其成本很低，但抗干扰差，声波环境污染严重，测距距离短(10米以内)，目前主要用在倒车雷达。

具有上述传感器的装置可简单测量车辆和障碍物，进而对驾驶员进行报警提示，但这些警示装置，由于受天气、路况的影响和自身的限制，可探测距离有限，且由于其仅仅具有警示功能，无法应对突发情况，司机来不及进行相应的操作，依旧会造成相撞，对行驶安全起不到有效地作用。

另外，当出现危机时，很多驾驶员会出现踩刹车误踩油门的现象，现有技术中解决″踩刹车误踩油门″的方法是通过检测油门信号的快慢来分辨踩油门的“正常”和“异常”，信号的变化率过快就认为“异常”，否则视为“正常”。这种方法虽然可以起到了一定的保护作用，但在实际中发现该现有技术中存在缺点：时间响应较慢。

一般踩刹车误踩油门事件都是发生在突发事件，当正常行车前方突然出现意外的障碍物，司机慌乱踩刹车导致误踩油门。从司机发现障碍物到踩下油门的时间绝大多数超过0.5秒，检测到油门信号“异常”也发生在“误踩”以后，由于留给驾驶员的反应时间较短，因此，一旦出现问题，很难避免。

另外，现有技术中的警示装置只能应用于一般公路上，无法在高速公路上应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种汽车自动避撞系统和方法，精确探测目标，探测范围广，具有主动报警和主动采用有效措施进行防撞的功能，安全可靠。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种汽车自动避撞系统，包括：信息采集装置、数据处理控制器、语音报警装置、制动输出装置和显示装置；

所述信息采集装置、语音报警装置、制动输出装置和显示装置与数据处理控制器连接；

所述制动输出装置包括刹车控制装置和油门控制装置；

所述信息采集装置包括分别在车头和车尾安装至少一个高速扫描激光雷达，所述高速扫描激光雷达用于检测自身车体与障碍物之间的相对距离和相对速度；所述高速扫描激光雷达包括激光雷达主体和固定外壳，在所述激光雷达主体和固定外壳之间的横向和纵向安装多个电磁线圈；所述固定外壳与汽车主体固定连接，所述固定外壳和激光雷达主体采用弹性连接。

进一步地，所述信息采集模块还包括车速传感器、天气温湿度传感器和大气微粒浓度传感器，所述车速传感器用于检测自身车体的实际速度；

所述天气温湿度传感器和大气微粒浓度传感器用于检测雾雨及沙尘天气的能见度，实时校正高速扫描激光雷达的测量精度。

进一步地，所述数据处理控制器包括两个ARM9微中央处理器，其互为热备份；还包括光电耦合器、数/模转换器、多个R232串口、输入输出接口和闪存。

进一步地，所述数据处理控制器还包括滤波单元，用于过滤从信息采集装置获取到的信息。

进一步地，所述数据处理控制器设有数据库，所述数据库中存储语音报警装置的语音报警输出阈值、刹车控制装置的刹车制动输出阈值和油门控制装置中的断开油门输出阈值；所述数据处理控制器分析自身车体与障碍物之间相对距离和相对速度分别与上述阈值的关系后，输出相应的控制信号。

进一步地，所述刹车控制装置包括刹车控制电路、齿轮液压泵、液压缸和推动杆，所述推动杆在液压缸的作用下作用于车体中的脚踏刹车板。

进一步地，所述刹车控制装置包括刹车控制电路、齿轮液压泵、液压缸、拉动杆和连接钢丝，在拉动杆传动下，所述连接钢丝作用于车体中的脚踏刹车板。

进一步地，所述油门控制装置包括油门控制电路和电磁阀。

进一步地，还包括切换装置，若车速传感器检测到自身车体车速小于阈值时，切换装置自动切断该避撞系统；若车速传感器检测到的自身车体车速大于或等于阈值时，自动启动该避撞系统。

另一方面，本发明还提供一种汽车自动避撞方法，具体包括：

获取自身车体与障碍物之间的相对距离和相对速度；

分别将获取到的相对距离和相对速度与预先设置的语音报警输出阈值、刹车制动输出阈值和断开油门输出阈值进行比较；

若满足阈值要求，则输出相应阈值的控制信号。

(三)有益效果

本发明提供的汽车自动避撞系统和方法，采用高速扫描激光雷达，可自动、有效地检测到前方车辆的相对距离和相对速度，进而可判断两车是否安全，并采取相应的报警或制动措施，有效避免了汽车相撞，有效减小高速公路上追尾事故的发生；提高了行车的安全性，最大程度地确保驾驶员在突发事件发生时的人身安全。

附图说明

图1为本发明实施例汽车自动避撞系统结构示意图；

图2为本发明实施例汽车自动避撞系统中高速扫描激光雷达原理示意图；

图3为本发明实施例汽车自动避撞系统中制动输出装置结构示意图；

图4为本发明实施例汽车自动避撞系统中制动输出装置结构另一示意图；

图5为本发明实施例汽车自动避撞系统中高速扫描激光雷达结构示意图；

图6为本发明实施例汽车自动避撞系统中语音报警装置显示示意图；

图7为本发明实施例汽车自动避撞系统中语音报警装置显示另一示意图；

图8为本发明实施例汽车自动避撞方法流程图；

图9为本发明实施例汽车自动避撞方法原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1-2所示，本发明实施例提供一种汽车自动避撞系统，包括：信息采集装置、数据处理控制器、语音报警装置、制动输出装置和显示装置；信息采集装置、语音报警装置2、制动输出装置和液晶显示装置4与数据处理控制器5连接；制动输出装置包括刹车控制装置和油门控制装置。

如图1所示，本实施例中的信息采集装置包括三个高速扫描激光雷达11，用于自身车体与车前后障碍物相对距离和相对速度的检测。其中两个高速扫描激光雷达11安装在车头方向，具体可安装在车头保险杠或车灯高度位置上；另外一个安装在车尾方向上，具体也可安装在车尾保险杠或车灯高度上。如图5所示，所述高速扫描激光雷达11包括激光雷达主体111和固定外壳112，在所述激光雷达主体111和固定外壳之间的横向和纵向安装多个电磁线圈113；所述固定外壳112与汽车主体固定连接，所述固定外壳112和激光雷达主体111采用弹性连接。具体的，采用在固定外壳和激光雷达主体之间设置弹簧114来实现两者之间的弹性连接。

该高速扫描激光雷达具备以下四大功能：

(1)测距范围：在紧急刹车的情况下，从100公里时速降到零，刹车距离约50米(指小车无雨一般水泥路面，大车重载有雨则更远)，另刹车时的平均移动速度为50公里/h，13.9米/秒，则从起动刹车的瞬间到刹停的时间需要3.6秒钟。在起动刹车之前，100公里车速每秒移动约27.8米，如果系统从发现障碍物到数据处理判断到起动刹车的瞬间的响应时间为0.7秒，则激光雷达测距距离必须大于70米；如果再给预警和断油门留1秒钟的时间，测距距离就必须达100米。本系统选择的激光测距雷达测距范围0～150米，完全符合要求。参考图2，其中A为自身车体，B为障碍物，其中图2中的障碍物为同车道上的远方目标。本实施例中的障碍物指的是车体、人或其他物体。

(2)测速能力：速度是单位时间距离的变化值，后一个测距值减去前一个测距值除以采样时间就是速度，(S2-S1)/采样周期＝V。采样周期是固定的，即连续的测距值通过运算就能得到连续的速度值。本系统的激光测距雷达也完全符合要求。

(3)响应时间：一般的激光测距雷达采样频率低于5赫兹，采样周期大于0.2秒，两个测距值算出速度值需0.4秒；而本系统中数据处理到液压缸杆开始推动刹车板至少需0.5秒(液压装置一般响应较慢)，关键是为抗干扰至少10个以上的测量数据才能准确判断，则总的采样时间就大于2秒，系统总的响应时间大于2.5秒，这样会出现两种结果：距离测量必须大于150米或测量准确度差。所以，采样频率必须提高10倍，即50赫兹以上，本系统的100赫兹完全符合要求。由于设置有测距传感器随时监视前方，一当意外出现，只需0.1秒时间就能发现并自动采取断油门的措施，而这动作发生在″误踩″之前，故本技术比现有技术快了至少0.5秒，使得“误踩”现象不存在。

(4)抗干扰性：高速扫描激光雷达包括激光雷达主体和固定外壳，在所述激光雷达主体和固定外壳之间的横向和纵向安装多个电磁线圈；所述固定外壳与汽车主体固定连接，所述固定外壳和激光雷达主体采用弹性连接。控制电磁线圈的频率和电流就可控制雷达上下左右相应频率和幅度的转角，实现扫描。

其中，信息采集装置还包括车速传感器12、天气温湿度传感器13和大气微粒浓度传感器14，所述车速传感器12用于检测自身车体的实际速度；

天气温湿度传感器13和大气微粒浓度传感器14用于检测雾雨及沙尘天气的能见度，实时校正高速扫描激光雷达的测量精度。

其中，所述数据处理控制器5包括两个ARM9微中央处理器(MCU)，其互为热备份；还包括光电耦合器、数/模转换器、多个R232串口、输入输出接口和闪存。

ARM9是一种功能强大的32位嵌入式微机系统，主频可达500mHZ，能高速数据处理，内嵌程序存储器，可直接连接触摸液晶显示屏和各种接口。

为了极大提高可靠性，系统采用冗余设计，双MCU互为热备份，平常只需一个工作，另一休眠；当一个MCU故障，另一个自动运行，并作故障显示提醒更换。这样使得可靠性提高一个数量级。

数据存储也有闪存和外部存储器双备份，外部存储器也方便取出离线给上位机进行数据分析。

数据处理控制器5还包括滤波单元，用于过滤从信息采集装置获取到的信息，其数据处理控制器内设有数据库，用于存储语音报警装置的语音报警输出阈值、刹车控制装置的刹车制动输出阈值和油门控制装置中的断开油门输出阈值；所述数据处理控制器分析自身车体与障碍物之间相对距离和相对速度分别与上述阈值的关系后，输出相应的控制信号。

具体的，数据处理控制器5通过输入接口接收到信息采集装置传输的信息数据，经程序的二阶平滑滤波和智能滤波，排除干扰信号，取出有用信号，与程序存储的参数进行比较，做出相应措施：报警、油门断路或刹车。另外数据处理控制器还负责在线的系统故障巡检和显示，具有程序受干扰乱码后自动复位恢复运转的功能；其中，闪存可储存至少500小时系统工作数据；关键数据如有控制输出则保存1000小时。

如图6-7所示，本实施例中的液晶显示装置可以预先设定若干个显示窗口和参数，用于将当前所采集到的信息进行显示，驾驶员通过该显示装置可直接了解当前车体状态。

另外，该系统还包括切换装置，若车速传感器检测到自身车体车速小于阈值时，切换装置自动切断该避撞系统；若车速传感器检测到的自身车体车速大于或等于阈值时，自动启动该避撞系统。具体的，系统切除条件值设为E，单位为公里，当从速度传感器接收的实时自身速度V1低于E时，将自动切换该系统，禁止报警、断开油门和制动输出，故障显示除外。

受干扰自恢复(看门狗)子程序具体设计为：

当主程序正常循环一次，自恢复计数器清零，如果自恢复没有被清零，计数器到一定值后，系统重新启动，同时把热备份机转换成主机。

另外，该数据处理器定时检查各传感器工况；检查系统各硬件和软件工况；开机检查报警，制动输出是否正常，有故障显示故障内容并一直保持直到故障解除。

如图3所示，其中，刹车控制装置包括刹车控制电路310、齿轮液压泵311、液压缸322和推动杆323，所述推动杆323在液压缸322的作用下作用于车体中的脚踏刹车板6。

另外，如图4所示，刹车控制装置包括刹车控制电路310、齿轮液压泵311、液压缸322、拉动杆324和连接钢丝325，在拉动杆324传动下，所述连接钢丝325作用于车体中的脚踏刹车板6。油门控制装置包括油门控制电路320和电磁阀321。

如图8-9所示，本发明实施例提供一种汽车自动避撞方法，具体包括：

步骤S1：获取自身车体与障碍物之间的相对距离和相对速度；

步骤S2：分别将获取到的相对距离和相对速度与预先设置的语音报警输出阈值、刹车制动输出阈值和断开油门输出阈值进行比较；

步骤S3：若满足阈值要求，则输出相应阈值的控制信号。

具体为：数据处理控制器接收车速传感器传过来的脉冲信号计数，并转成对应的自身速度V1；接收激光传感器传输过来的测距信号进行数字二阶平滑和智能滤波，计算出相对速度V2；

数据库中设置“报警输出”、“断开油门输出”和“刹车制动输出”的阈值，包括相对速度V2最高及最低的初始值以及相对应的相对距离S最小初始值；考虑到一定安全余量，将150公里设置为相对速度的最高初始值，则最小的报警阈值为100米，断开油门输出阈值为80米；制动输出阈值为70米。

某个相对速度V2和对应的相对距离S为逻辑“与”，即相对速度V2＞＝150公里且相对距离S＜＝100米时，则报警条件成立；

速度＞＝150公里且距离＜＝80米时，则断开油门条件成立；速度＞＝150公里且距离＜＝70米，则制动输出条件成立。报警和断开油门输出必须发生在制动输出之前，并且保持到制动输出结束。为保险起见，当制动输出发生同时输出断开油门，设置报警声音应随距离的逼近逐渐急促。

当相对速度V2下降一级(一级系数为A)，则相对距离S也同时下降一级(系数为B)，以保持两者逻辑“与”关系。

信号检测程序执行顺序如下：最高相对速度V2初始值减去A*(0，1，2，3～～n)，同时相对距离S初始值减去B*(0，1，2，3～～n)；其中(0，1，2，3～～n)为执行序数；

例如，当A＝5、B＝3，执行序数为5时，即检测到100公里-5*5＞＝75公里，则60米-3*5＜＝45米为制动输出条件；65米-3*5＜＝50米为断开油门条件；70米-3*5＜＝55米为声音报警条件.当相对速度＜＝零时，程序回到开始。

与前车跟车太近“报警显示”、“断开油门”子程序的设计具体为：

把从汽车速度传感器接收的实时自身速度V1和激光传感器的相对距离S成逻辑“与”关系。

首先设置自身速度V1和相对距离S的初始值，自身速度V1的初始值为100公里，相对距离的初始值＜＝15米为报警条件；相对距离的初始值＝＜10米为断开油门条件，自身速度V1一级下降系数为C，相对距离S系数为D，公式同上，C暂定为5；D＝0.5。

本发明提供的汽车自动避撞系统和方法，采用高速扫描激光雷达，可自动、有效地检测到前方车辆的相对距离和相对速度，进而可判断两车是否安全，并采取相应的报警或制动措施，有效避免了汽车相撞，有效减小高速公路上追尾事故的发生；提高了行车的安全性，最大程度地确保驾驶员在突发事件发生时的人身安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于高速公路的汽车自动避撞系统，其特征在于，包括：

信息采集装置、数据处理控制器、语音报警装置、制动输出装置和显示装置；

所述信息采集装置、语音报警装置、制动输出装置和显示装置与数据处理控制器连接；

所述制动输出装置包括刹车控制装置和油门控制装置；

所述信息采集装置包括分别在车头和车尾安装至少一个高速扫描激光雷达，所述高速扫描激光雷达用于检测自身车体与障碍物之间的相对距离和相对速度；

所述高速扫描激光雷达包括激光雷达主体和固定外壳，在所述激光雷达主体和固定外壳之间的横向和纵向安装多个电磁线圈；所述固定外壳与汽车主体固定连接，所述固定外壳和激光雷达主体采用弹性连接；

所述信息采集装置还包括车速传感器、天气温湿度传感器和大气微粒浓度传感器，所述车速传感器用于检测自身车体的实际速度；

所述天气温湿度传感器和大气微粒浓度传感器用于检测雾雨及沙尘天气的能见度，实时校正高速扫描激光雷达的测量精度；

所述数据处理控制器包括两个ARM9微中央处理器，其互为热备份；还包括光电耦合器、数/模转换器、多个R232串口、输入输出接口和闪存；

所述数据处理控制器还包括滤波单元，用于过滤从信息采集装置获取到的信息，数据处理控制器通过输入接口接收到信息采集装置传输的信息数据，经程序的二阶平滑滤波和智能滤波，排除干扰信号，取出有用信号，与程序存储的参数进行比较，做出相应措施：报警、油门断路或刹车。

2.如权利要求1所述的汽车自动避撞系统，其特征在于，所述数据处理控制器设有数据库，所述数据库中存储语音报警装置的语音报警输出阈值、刹车控制装置的刹车制动输出阈值和油门控制装置中的断开油门输出阈值；所述数据处理控制器分析自身车体与障碍物之间相对距离和相对速度分别与上述阈值的关系后，输出相应的控制信号。

3.如权利要求1所述的汽车自动避撞系统，其特征在于，所述刹车控制装置包括刹车控制电路、齿轮液压泵、液压缸和推动杆，所述推动杆在液压缸的作用下作用于车体中的脚踏刹车板。

4.如权利要求1所述的汽车自动避撞系统，其特征在于，所述刹车控制装置包括刹车控制电路、齿轮液压泵、液压缸、拉动杆和连接钢丝，在拉动杆传动下，所述连接钢丝作用于车体中的脚踏刹车板。

5.如权利要求1所述的汽车自动避撞系统，其特征在于，所述油门控制装置包括油门控制电路和电磁阀。

6.如权利要求1所述的汽车自动避撞系统，其特征在于，还包括切换装置，若车速传感器检测到自身车体车速小于阈值时，切换装置自动切断该避撞系统；若车速传感器检测到的自身车体车速大于或等于阈值时，自动启动该避撞系统。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的汽车自动避撞系统用于高速公路的进行避撞的方法，其特征在于，

获取自身车体与障碍物之间的相对距离和相对速度；

分别将获取到的相对距离和相对速度与预先设置的语音报警输出阈值、刹车制动输出阈值和断开油门输出阈值进行比较；

若满足阈值要求，则输出相应阈值的控制信号。