CN103303225B

CN103303225B - 智能刹车预警系统

Info

Publication number: CN103303225B
Application number: CN201310283203.1A
Authority: CN
Inventors: 纪平; 高先和; 赵春江; 龚节; 谭敏
Original assignee: Hefei College
Current assignee: Hefei College
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-07-05
Also published as: CN103303225A

Abstract

一种智能刹车预警系统，包括主控装置、人机交互装置、信息采集装置、测距装置、显示装置、声光报警装置和通讯装置。信息采集装置用于采集本车速度和路况信息，测距装置用于实时监测后方车辆与本车之间的距离和相对速度，主控装置用于对人机交互装置、信息采集装置、测距装置收集来的数据进行分析处理判断，然后将指令信号传送到显示装置、声光报警装置，从而实现“三段”预警功能。该智能刹车预警系统从主动防御出发，弥补了当前社会汽车主动安全配置的不足，具有成本低，精度高，设置灵活，稳定性好等优点。

Description

智能刹车预警系统

技术领域

本发明涉及一种刹车预警系统，尤其是能实现三段预警功能的智能刹车预警系统。

背景技术

自上世纪80年代中国开始出现私人汽车，随着我国汽车保有量的不断增加，交通事故发生数量一直居高不下，造成了大量人员伤亡和经济损失。预计至2020年，交通事故将成为继心血管病和精神压力症之后造成人类非正常死亡的第三大直接原因，可以说我国一直是全球交通事故死亡人数最多的国家，在国家“十二五”发展规划纲要中，降低交通事故的数量、减少人员和财产损失任是重大课题之一。特别值得人们关注的是，在诸多交通事故中，汽车追尾是最常见的交通事故之一，在交通事故中占据着很高的比例。在我国近几年的交通事故统计中，汽车追尾事故均超过了30%，造成的财产损失和人员伤亡占总损伤的60%。如果有实用的提前预警产品，许多事故是可以避免的，所以研发一种高性能的汽车防追尾预警系统越发迫切。

目前汽车上的安全配置大多是被动保护司乘人员的安全，包括以安全性能著称的沃尔沃汽车也只是研发了城市低速环境下的防自身追尾系统，并不能很大程度上保护车内人员的安全。中国交通环境较为特殊，客车、大货车、小汽车相互共道，驾驶员素质参差不齐，车辆之间追尾事故常有发生。

汽车防碰撞系统的研究始于20世纪60年代，在此后的10多年时间内，以德国、美国和日本为代表的发达国家热衷于该系统的研究，但是，限于当时的微波理论水平低、硬件成本高等原因，一直没有得到突破。1986年，由德国奔驰公司发起，欧洲开始了所谓的“普罗米修斯”计划，很多机构又重新开始研究雷达系统。随着微波器件和集成技术的飞速发展，该系统在汽车运用领域获得了较快的发展。德国和法国等欧洲国家均对毫米波雷达防撞技术进行了研究，特别是奔驰、宝马等著名汽车生产厂商，其雷达采用的方式为调频毫米波雷达FMCWFrequencyModulationContinuousWave)，频段主要选择76-77GHz。如奔驰公司和英国劳伦斯电子公司联合研制的汽车防撞报警系统，探测距离为150米，当测得的实际车间距离小于安全车间距离时，发出声光报警信号。日本在制定未来汽车发展计划中也明确地把开发更复杂的智能汽车和安全驾驶支持系统作为交通安全的关键技术之一。美国防撞雷达的研究相对于欧洲和日本来说起步较晚，但目前美国的汽车防撞技术已经处于世界领先水平。福特公司开发的汽车防撞系统的工作频率为24.725GHz，探测距离约106米。该系统理论上能根据转弯的角度信息自动适应路面的转弯情况，只探测本车道内车辆的信息，从而可避免旁车道上目标物的影响。另外90年代中期以来，我国开始跟踪国际上ITS的发展。近年来，以清华大学、吉林大学、长安大学和东南大学等为代表的科研院所也开始热衷于车辆防碰撞系统的研究，目前清华大学己经开发了一套汽车纵向避撞系统。

但实际上，上述这些防碰撞系统由于虚警率和价格等因素的影响，还不能达到实际应用的目的。

发明内容

本发明为了解决上述存在的技术问题，提供了一种智能刹车预警系统，其不但能降低成本，实用价值高，而且能实现分阶段报警，提高了行车的安全性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能刹车预警系统，包括主控装置、人机交互装置、信息采集装置、测距装置、显示装置和声光报警装置，其特征是：其中人机交互装置用于手动确定天气状况；信息采集装置用于采集本车速度和路况信息，并将采集的数据发送给主控装置；测距装置用于实时监测后方车辆与本车之间的距离和相对速度，并将采集的数据发送给主控装置；显示装置用于显示天气状况、本车速度、相对速度、后车距离和安全状态；声光报警装置用于执行刹车预警、后风挡字幕提醒和对本车驾驶员语音提示功能；主控装置用于对人机交互装置、信息采集装置、测距装置收集来的数据进行分析处理判断，然后将指令信号传送到显示装置、声光报警装置，从而完成对整个智能刹车预警系统的控制；所述人机交互装置、信息采集装置和测距装置采集的数据经所述主控装置分析计算处理并作出操作指令，所述操作指令分为三个阶段：第一阶段，当后方车辆与本车距离达到预警距离且相对速度大于零时，点亮后方红色LED预警灯提示后方车辆；第二阶段，当后方车辆不顾预警信号继续靠近达到警示距离时，系统会将所述LED灯转成闪烁状态，同时点亮后挡风玻璃上的点阵交替闪烁警示文字，以提示后方车辆；第三阶段，当后方车辆进入危险距离时，系统在加快LED警示灯和点阵闪烁频率的同时，会将驾驶舱的信息显示屏的底色变成醒目的红色并通过语音提示本车驾驶员注意后方车辆，以便可以及时采取相应预防措施。

所述预警系统还包括通信装置，是在后车也装备该通信装置的情况下，系统会同时将提示信号发送到对方，提示后方车辆注意保持安全距离，控制车速。

所述预警系统还包括电源管理装置，用于给其它各装置供电。

所述预警距离、警示距离和或危险距离可人为设定。

所述预警距离、警示距离和危险距离满足下面的公式要求：

其中：后车速度，单位m/s；：紧急制动时的制动减速度，单位m/s²；：驾驶员反应时间，单位s；：制动器协调时间，单位s；：制动减速度增长时间，单位s；X₁：后车走过的距离，单位m；：相对安全间距，单位m；：危险距离，单位m；：警示距离，单位m；:预警距离，单位m。

不用的路面采用不同的所述紧急制动时的制动减速度。当路面是沥青/水泥干燥路面时，所述紧急制动时的制动减速度选取6.0m/s²；当路面是沥青/水泥湿路面时，所述紧急制动时的制动减速度选取5.0m/s²；当路面是冰雪路面时，所述紧急制动时的制动减速度选取2.85m/s²。

所述驾驶员反应时间设为0.3秒～1.2秒。制动力协调时间和制动力增长时间根据车辆的性能选取。制动力协调时间和制动力增长时间的取值都优选为0.2秒。所述相对安全间距选取2米-5米。

所述测距装置采用雷达测距或者摄像系统测距。所述雷达测距采用超声波雷达、激光雷达或者毫米波雷达。

一种智能刹车预警方法，其使用了上述技术方案中任意一项的智能刹车预警系统，其特征是：刹车预警系统开机时进行初始化设置，并且语音播报“欢迎使用智能刹车预警系统”内容；然后用户通过人机交互装置手动输入天气状况；信息采集装置采集本车速度和路况信息；测距装置实时监测后方车辆与本车之间的距离和相对速度数据信号；主控装置对人机交互装置、信息采集装置、测距装置收集来的数据进行分析处理判断，然后将指令信号传送到显示装置、声光报警装置，从而完成对整个智能刹车预警系统的控制。

有益效果：

本发明的智能刹车预警系统通过采集两车之间的距离以及相对速度等数据进行处理判断，主动防御，通过尾灯警示后方及语音提示本车驾驶员，并采用三段提示法对后方车辆和本车驾驶员作出提前预警，以确保车内人员安全，防止追尾事故的发生，实用价值高。本发明作为汽车安全预警系统，可适用于汽车生产商为新车增加的安全配置，也可作为汽配商为用户加装的安全预警系统。系统成本低，性能佳，集成度高，便于安装，商家与客户都易接受，市场推广前景好。

附图说明

图1是智能刹车预警系统框图；

图2是制动减速度与时间关系示意图；

图3是后车与前车相对位置示意图；

图4是系统流程图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

本发明的智能刹车预警系统框图如图1所示。该预警系统包括主控装置（即主控CPU）、电源管理装置、人机交互装置、信息采集装置、雷达测量装置、显示装置、声光报警装置、通信装置等几部分。其中人机交互装置用于手动确定天气状况（晴、雨、雪、雾等）；信息采集装置用于采集本车速度、方向机角度和路况等信息；雷达测量装置用于实时监测后方车辆距离、相对速度和角度等数据信号；显示装置主要用于显示天气状况、本车速度、相对速度、后车距离和安全状态（正常、预警、警示、危险）等，并且在状态是“危险”时，底色转变为醒目的红色；声光报警装置主要是执行刹车预警、后风挡字幕提醒和对本车驾驶员语音提示等功能；通信装置是在后车也装备该设备的情况下，系统会同时将提示信号发送到对方，提示后方车辆注意保持安全距离，控制车速；主控装置用于对人机交互装置、信息采集装置、雷达测量装置收集来的数据进行分析处理判断，然后将指令信号传送到显示装置、声光报警装置和通信装置，从而完成对整个智能刹车预警系统的控制。电源管理装置用于给其它各装置供电。

其中主控装置可以是CPU、单片机、微处理器等各种常用的控制装置，例如可以采用单片机AVRmege128。

本发明的刹车预警系统通过数据采集装置和测距装置分别完成本车信息采集和后车信息采集。信息采集装置主要采集天气、本车速度、方向机角度、路况等信息；后车信息采集装置主要通过雷达测量装置实时监测后方车辆距离、相对速度和角度等数据信号。采集的信息经系统主控CPU分析计算处理并作出操作指令。系统指令主要分为三个阶段：

第一阶段，当后方车辆与本车距离达到预警范围且相对速度大于零时，系统点亮后方红色LED预警灯提示后方车辆；

第二阶段，当后方车辆不顾预警信号继续靠近达到警示距离时，系统会将LED灯转成闪烁状态，同时点亮后挡风玻璃上的点阵交替闪烁“保持车距”、“注意安全”等字样，以提示后方车辆；

第三阶段，当后方车辆进入危险距离时，系统在加快LED警示灯和点阵闪烁频率的同时，会将驾驶舱的信息显示屏的底色变成醒目的红色并通过语音提示本车驾驶员注意后方车辆，以便可以及时采取相应预防措施。若后方车辆也安装了本系统，将会收到“您与前车过近，请注意保持车距”等提示，达到防追尾保安全的功能。

当然，本系统也可以设置不同颜色的LED灯来适用于不同的阶段，例如在第一阶段点亮黄色的LED灯。在第二阶段点亮红色的LED灯并闪烁。

一、系统纵向安全距离计算

为了保证汽车安全行驶，避免行驶中的车辆发生意外追尾碰撞，智能刹车预警系统通过对相对速度的运算和纵向距离的测量，可以对后方一定距离内可能发生危险的车辆进行不同形式的预警。又因为考虑到公路总容量有限，所以系统要选择一个最小安全距离，这无论对安全还是对容量，都有重要意义。

设:后车速度，单位m/s；:两车相对速度，单位m/s；a：紧急制动时的制动减速度，单位m/s²；：驾驶员反应时间，单位s；：制动器协调时间，单位s；:制动减速度增长时间，单位s；X：后车与本车之间的间距。

汽车制动时间可分为四个阶段:驾驶员的反应时间、制动器协调时间、减速度增长时间、持续制动时间，则制动过程如图2所示。其中

1、时间内行驶的距离为，则

(公式1)

2、时间内行驶过的距离为，如图2所示，则可得加速度

(公式2)

速度

(公式3)

所以

(公式4)

3、时间内驶过的距离为，这段时间内加速度a是个定值，令时间段的初速度为，所以速度为

(公式5)

同时也是时段的末速度，则

(公式6)

把代入式(公式5)中，并考虑到在时间末速度为零，即可求出

(公式7)

这样，

(公式8)

由以上各式可得出制动距离

(公式9)

所以

(公式10)

第三项可以忽略，故

(公式11)

这就是常见的计算汽车制动距离的公式，它所计算出来的制动距离也称为汽车的停车视距。

为了确保汽车绝对安全，并且减小车辆在行驶过程中虚警的出现，系统安全距离设定在最保守的情况之上，即：假定本车为静止状态，从可行性和实现性角度对后车的安全跟车距离进行了简化和改进，使其更具有实用性和可操作性。该系统为达到较好的预警效果，采用三级报警模式：刹车预警、LED灯闪烁警示、语音提示本车驾驶员并且闪烁频率增大。

设：后车速度，单位m/s；：紧急制动时的制动减速度，单位m/s²；：驾驶员反应时间，单位s；：制动器协调时间，单位s；：制动减速度增长时间，单位s；X₁：后车走过的距离，单位m；：相对安全间距，单位m；：危险距离，单位m；：警示距离，单位m；:预警距离，单位m；d：报警距离统一符号，单位m。后车和自车的相对位置如图3所示。其中：

1、危险报警安全距离

假定自车处于静止状态，要使后车不能撞到自车，后车与自车的距离应大于制动距离并有一段安全间距。

后车的制动距离X₁

(公式12)

故危险报警距离

(公式13)

取最小危险报警安全距离

(公式14)

2、预警报警安全距离

预警报警距离是在危险报警的基础上，把报警后驾驶员的反应时间计算在内，此时后车刹车距离

(公式15)

预警报警距离应为

(公式16)

故取最小预警报警距离

(公式17)

3、警示报警安全距离

警示报警距离是介于在危险报警和预警报警之间的过度性警示，所以它的计算公式为

(公式18)

二、参数的确定

自车速度是由装在车上的霍尔车速传感器测得，两车之间的距离由装在后保险杠的雷达测得，其中不能由车载设备直接测出的变量有:安全间距，驾驶员反应时间，制动力协调时间，制动力增长时间，具体设置如下:

1、值的确定

（紧急制动时的制动减速度）由于目前还没有一个非常有效的设备能对路面的附着系统进行实时的测量，故本系统采用不同的路面在正常情况下的经验值，通过三档选择开关，由驾驶员根据路面情况进行选择，的取值如表1所示:

表1不同路面的取值情况

2、大量的实验资料表明，驾驶员反应时间一般为0.3秒～1.2秒，驾驶员反应时间是一个很难确定的参数，它受驾驶员的年龄、性别、情绪、心理因素和生理因素等诸多因素影响，另外车速的大小也影响驾驶员的反应时间。为了增加汽车安全性，本系统中驾驶员反应时间优先取值为最大值1.2秒，当然也可以人为设定为其它的适合值。

3、制动力协调时间和制动力增长时间，与车辆的性能有关，如果车辆为普通液压制动系统，可取值为0.2秒，取值为0.2秒；当然本领域技术人员也可以根据车辆的具体情况设定为其它的适合值。

4、为了考虑到车与车之间的绝对安全，自车从采取制动到完全停止，两车之间保持的安全距离，国内外的资料一般选取2米-5米，为了增加汽车安全性，本系统优选为5米。

5、考虑到中国复杂路况，为减少误报率，本系统在低速情况下自动进行抑制，最低速度暂定15km/h。

三、测距装置：

目前运用在汽车上的测距方法主要有超声波短距离测距，激光测距、摄像系统测距、微波雷达长距离测距等。各类测距传感器性能特点如下：

1)超声波雷达

超声波的特点是对雨、雾、雪的穿透力强，衰减小，因此超声波测距系统可以在雨雪、大雾等恶劣天气下工作。超声波测距的原理简单、成本低。但是超声波测距不适合该系统测距，一是因为超声波的传播速度相对较慢，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上车距的实时变化，且误差大；二是超声波的方向性差，发散角大，不适合测量距离较远的目标；三是有些目标物的反射信号很弱而无法探测；四是声波在空气中的传播速度随温度的变化而改变，故超声波雷达一般应用于汽车倒车防撞方面，即速度相对较慢、距离较短时的测量。

2)激光雷达

由于激光光束很集中，因此激光雷达主要用于大范围直线距离的测量。激光雷达量程大、方向性强且响应时间快，但成本高、易受外界环境(如能见度低、传感器表面有泥土)的影响。同时，全天候性能低于微波和毫米波雷达：波束窄，搜索目标困难：效率低，技术上的难度大且一些关键技术不够成熟。

3)摄像系统测距

利用传统的摄像机，如面阵CCD，可获得被测视野的二维图象，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用同厢固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成像速度较慢。

4）毫米波雷达

当前，毫米波雷达的使用频率主要集中在23～24GHz，60～61GHz，76～77GHz三个频段，波长均为毫米级，所以称之为毫米波雷达。毫米波雷达采用调制的高频电磁载波，通过比较发射信号和反射信号，可得到与被测距离成正比的频率差，探测距离大于150米；利用返回信号的多普勒频移还能测算与目标物的相对速度。毫米波雷达的测距原理与激光测距原理相似，但是它具有激光测距雷达所不具备的特性：探测性能稳定，不受目标物表面形状和颜色等的影响；具有良好的环境适应能力，不受雨、雪、雾等恶劣天气的影响，系统在任何天气条件下均能正常工作；此外，在相同的测量条件下毫米波雷达发射功率可以很低，天线部件尺寸小，适合于汽车上的安装。

综合考虑后，本系统优先采用毫米波雷达进行测距，当然本发明也可以采用其它常用方法进行测距。例如也可以使用采用超声波代替实际毫米波雷达测距。超声波发射电路的频率设为40kHz。它由时基电路及外围元件构成振荡电路，调节滑动变阻器的阻值，可以改变振荡频率，由LM555驱动超声波换能器，发射出超声波信号。发出的超声波在空气中传播，遇到障碍物就会返回，返回的信号由超声波接收电路接收。使用超声波收发元件，可以很好的测量出两车车距。通过两车车距及超声波收发时间可以计算出两车相对速度。

本发明还提供了一种智能刹车预警方法，参见图4：

智能刹车预警系统开机时进行初始化设置，语音播报“欢迎使用智能刹车预警系统”内容，极具人性化。系统开启之后，设置初始化车速，数据采集装置完成对本车和后车的信息采集，本车部分主要采集天气、本车速度、路况等信息，后车信息采集部分主要通过雷达测量装置实时监测后方车辆距离、相对速度和角度等数据信号；采集的信息经系统主控CPU分析计算后并作出操作指令。小车系统在设置的安全距离下，不断检测、判断两车车距及相对速度。

当后方车辆与本车距离达到预警范围且相对速度大于零时，系统通过模拟刹车习惯点亮后方红色LED预警灯提示后方车辆；当后方车辆不顾预警信号继续靠近达到警示距离时，系统会将LED灯转成闪烁状态，同时点亮后挡风玻璃上的点阵交替闪烁“保持车距”、“注意安全”等字样，以提示后方车辆；然而当后方车辆进入危险距离时，系统在加快LED警示灯和点阵闪烁频率的同时，会将驾驶舱的信息显示屏的底色变成醒目的红色并通过语音提示本车驾驶员注意后方车辆，以便可以及时采取相应预防措施。

如果没有检测到上述三种危险信息，车辆安全通行。若后方车辆也安装了本系统，两车可以无线通信，本车适时向后车发送信号，比如发送“您与前车过近，请注意保持车距”等提示，实现两车有机通信，达到防追尾保安全的功能。

总之，本发明的智能刹车预警系统通过在车辆尾部保险杠位置安装毫米波雷达，实现后方车辆的准确识别定位和相对速度测量，系统微处理器对采集的数据信息进行分析处理，实现“三段”预警功能，并且利用两车通信，提高行车安全，防止追尾事故的发生。

以上所述的实施例，只是本发明的优选的具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种智能刹车预警系统，包括主控装置、人机交互装置、信息采集装置、测距装置、显示装置和声光报警装置，其特征是：其中人机交互装置用于手动确定天气状况；

信息采集装置用于采集本车速度和路况信息，并将采集的数据发送给主控装置；

测距装置用于实时监测后方车辆与本车之间的距离和相对速度，并将采集的数据发送给主控装置；

显示装置用于显示天气状况、本车速度、相对速度、后车距离和安全状态；

声光报警装置用于执行刹车预警、后风挡字幕提醒和对本车驾驶员语音提示功能；

主控装置用于对人机交互装置、信息采集装置、测距装置收集来的数据进行分析处理判断，然后将指令信号传送到显示装置、声光报警装置，从而完成对整个智能刹车预警系统的控制，所述人机交互装置、信息采集装置和测距装置采集的数据经所述主控装置分析计算处理并作出操作指令，所述操作指令分为三个阶段：

第一阶段，当后方车辆与本车距离达到预警距离且相对速度大于零时，点亮后方红色LED预警灯提示后方车辆；

第二阶段，当后方车辆不顾预警信号继续靠近达到警示距离时，系统会将所述LED灯转成闪烁状态，同时点亮后挡风玻璃上的点阵交替闪烁警示文字，以提示后方车辆；

第三阶段，当后方车辆进入危险距离时，系统在加快LED警示灯和点阵闪烁频率的同时，会将驾驶舱的信息显示屏的底色变成醒目的红色并通过语音提示本车驾驶员注意后方车辆，以便可以及时采取相应预防措施。

2.根据权利要求1所述的智能刹车预警系统，其特征是：该预警系统还包括通信装置，是在后车也装备该通信装置的情况下，系统会同时将提示信号发送到对方，提示后方车辆注意保持安全距离，控制车速。

3.根据权利要求1或2所述的智能刹车预警系统，其特征是所述预警距离、警示距离和危险距离满足下面的公式要求：

其中：后车速度，单位m/s；：紧急制动时的制动减速度，单位m/s²；：驾驶员反应时间，单位s；：制动器协调时间，单位s；：制动减速度增长时间，单位s；X1：后车走过的距离，单位m；：相对安全间距，单位m；：危险距离，单位m；：警示距离，单位m；:预警距离，单位m。

4.根据权利要求3所述的智能刹车预警系统，其特征是：当路面是沥青/水泥干燥路面时，所述紧急制动时的制动减速度选取6.0m/s²；当路面是沥青/水泥湿路面时，所述紧急制动时的制动减速度选取5.0m/s²；当路面是冰雪路面时，所述紧急制动时的制动减速度选取2.85m/s²。

5.根据权利要求4所述的智能刹车预警系统，其特征是：驾驶员反应时间设为0.3秒～1.2秒。

6.根据权利要求4或5所述的智能刹车预警系统，其特征是：制动力协调时间和制动力增长时间的取值都为0.2秒。

7.根据权利要求4或5所述的智能刹车预警系统，其特征是相对安全间距选取2米-5米。

8.根据权利要求3中所述的智能刹车预警系统，其特征是：所述测距装置采用雷达测距或者摄像系统测距，当采用雷达测距时，所述雷达测距采用超声波雷达、激光雷达或者毫米波雷达。

9.一种智能刹车预警方法，其使用了权利要求1-8中任意一项的智能刹车预警系统，其特征是：

刹车预警系统开机时进行初始化设置，并且语音播报“欢迎使用智能刹车预警系统”内容；然后

用户通过人机交互装置手动输入天气状况；

信息采集装置采集本车速度和路况信息；

测距装置实时监测后方车辆与本车之间的距离和相对速度数据信号；

主控装置对人机交互装置、信息采集装置、测距装置收集来的数据进行分析处理判断，然后将指令信号传送到显示装置、声光报警装置，从而完成对整个智能刹车预警系统的控制。