CN103568948A - 一种车辆驾驶安全控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的控制系统为微控制器同时对防撞预警测距单元和车道偏移监测单元的反馈信息对车辆行驶状态进行判断，并且连接报警单元。由于采用上述的结构，本发明的优点在于：1、将视觉技术和雷达技术结合，取长补短，提高产品的鲁棒性和适应性；2、通过视觉系统的车道线识别，增加目标车辆车道分配的准确度，提高弯道下的障碍目标选择的精确性；3、同时根据车道线识别，可以提前目标车辆的切入和切出；4、增加系统的环境适应性，即使在恶劣天气下也可正常工作；5、采用现有成熟的电子元件，生产成本较低。

Description

一种车辆驾驶安全控制系统

技术领域

本发明涉及汽车行驶的安全控制领域，特别涉及一种车辆驾驶安全控制系统。

背景技术

近年来，随着驾驶辅助系统（DAS）技术的日益成熟，越来越多的DAS被应用于量产汽车中，如自动巡航控制系统（ACC）、车道偏离预警系统（LDW）、前碰撞预警系统（FCW）等。行驶环境检测作为DAS系统的一项关键技术，在雷达、红外和图像等传感器的基础上得到深入研究。其中，基于图像的行驶环境检测系统具有信息丰富、成本低廉等特点，不但可以检测车道线、车辆、行人等障碍物信息，也能获取道路导向、车流密度、车辆限速等交通信息，近年来应用日益广泛。

目前主动安全系统的传感器主要采用基于可见光、红外光的摄像头和毫米波、激光雷达等，采用视觉技术具有分辨率高，信息量丰富，成本低廉，但是其对环境适应性相对较弱，而技术雷达技术受外界环境影响较小，并且可以精确地获取障碍物的物理位置信息等，但是其成本较高，基于单一传感器的主动安全产品，都不能很好地解决安全辅助驾驶技术可靠性和环境适应能力的要求。

针对上述的问题，提供一种新型的安全控制系统，将视觉技术和雷达技术结合，取长补短，提高产品的鲁棒性和适应性，更好辅助车辆安全行驶是现有技术需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种车辆驾驶安全控制系统，将视觉技术和雷达技术结合，取长补短，提高产品的鲁棒性和适应性，以达到更好辅助车辆安全行驶的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的控制系统为微控制器同时对防撞预警测距单元和车道偏移监测单元的反馈信息对车辆行驶状态进行判断，并且连接报警单元。当车辆偏移车道或者快要与前方障碍物碰撞时，本发明及时发出报警提示驾驶员注意。

所述的车道偏移监测单元为视频采集模块将采集到的视频信息经过视频处理与控制模块处理后将反馈信息传递给微控制器。

所述的车道偏移监测单元在车辆行驶时通过视频采集模块采集车辆两边的车道线，视频处理与控制模块对采集图像处理后计算出车辆与车道线之间的距离并反馈给微处理器。

所述的防撞预警测距单元为微处理器依次通过功率放大电路、发射电路驱动发射探头发出超声波监测前方障碍物；接收探头接收反射回来的超声波后依次通过低通滤波电路、一级放大电路、二级自动增益可调放大电路后反馈给微处理器。

所述的功率放大电路采用CD4096的4个反向器够成推挽放大电路。

所述的防撞预警测距单元在用于短距离测量距离时，超声波发射端采用间断多脉冲发射。

所述的微处理器连接温度检测电路。

所述的微处理器根据温度检测电路检测到的实时温度对超声波的声速进行及时修正，声速为C=(331.4+0.607T)m/s，其中C为空气中的声速，T为车外的实时温度。

所述的二级自动增益可调放大电路在LM358放大的基础上采用数字控制电位器x9313w来调整放大倍数。

所述的微控制器的型号为AT89S51；发射探头的型号为CSB40T；接收探头的型号为CSB40R；一级放大电路采用LM358运放。

一种车辆驾驶安全控制系统，由于采用上述的结构，本发明的优点在于：1、将视觉技术和雷达技术结合，取长补短，提高产品的鲁棒性和适应性；2、通过视觉系统的车道线识别，增加目标车辆车道分配的准确度，提高弯道下的障碍目标选择的精确性；3、同时根据车道线识别，可以提前目标车辆的切入和切出；4、增加系统的环境适应性，即使在恶劣天气下也可正常工作；5、采用现有成熟的电子元件，生产成本较低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明一种车辆驾驶安全控制系统结构示意图；

图2为本发明一种车辆驾驶安全控制系统中车道偏移监测单元的结构示意图；

图3为本发明一种车辆驾驶安全控制系统中防撞预警测距单元的结构示意图；

图4为本发明一种车辆驾驶安全控制系统中发射电路的电路图；

图5为本发明一种车辆驾驶安全控制系统中接收超声波的电路图；

图6为本发明一种车辆驾驶安全控制系统中报警单元的电路图；

在图1-3中，1、微控制器；2、防撞预警测距单元；3、车道偏移监测单元；4、报警单元；5、温度检测电路；6、视频采集模块；7、视频处理与控制模块；8、功率放大电路；9、发射电路；10、发射探头；11、障碍物；12、接收探头；13、低通滤波电路；14、一级放大电路；15、二级自动增益可调放大电路。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明为微控制器1同时对防撞预警测距单元2和车道偏移监测单元3的反馈信息对车辆行驶状态进行判断，并且连接报警单元4。当车辆偏移车道或者快要与前方障碍物碰撞时，本发明及时发出报警提示驾驶员注意。

车道偏移监测单元3为视频采集模块6将采集到的视频信息经过视频处理与控制模块7处理后将反馈信息传递给微控制器1；车道偏移监测单元3在车辆行驶时通过视频采集模块采集车辆两边的车道线，视频处理与控制模块对采集图像处理后计算出车辆与车道线之间的距离并反馈给微处理器1。

防撞预警测距单元2为微处理器1依次通过功率放大电路8、发射电路9驱动发射探头10发出超声波监测前方障碍物11；接收探头12接收反射回来的超声波后依次通过低通滤波电路13、一级放大电路14、二级自动增益可调放大电路15后反馈给微处理器1。

本发明以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。本设计超声波发射探头10选用CSB40T,可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好。单片机P1.0口发射1个脉冲，可驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中断，这时计数器T0、T1开始计时。超声波接收探头12必须采用与发射探头10对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用CSB40R否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。

检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即：

$S=\frac{1}{2}\mathrm{VT}$

即可计算得传感器与反射点之间的距离S，测量距离为：

$d=\sqrt{S^2-{\left(\frac{h}{2}\right)}^2}$

当S>>h时，则d≈S，即：

$d=\frac{1}{2}\mathrm{VT}$

在上式中，d为待测距离，V超声波的声速，T为往返时间。若要求测距误差小于0.01m，已知声速v=344m/s(20℃时)。显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阐值在比较器的输出端就会产生40KHz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。

本发明微控制器1采用的是AT89S51，AT89S51具有4K字节Flash闪速存储器，GFFFFF128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT）,两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

在本系统中，除单片机本身需要复位外，外部扩展的I/O接口电路等也需要复位，因此需要一个系统的同步复位信号；即单片机复位后，CPU开始工作时，外部的电路一定要同时复位好，以保证CPU有效地对外部电路进行初始化编程。

AT89S51的复位端是一个史密特触发输入，高电平有效，而系统中的时钟接口和CAN总线接口的复位信号都是低电平有效。在复位电路中，按一下复位开关就使在RST端出现一段时间的高电平，经过74LS14的一次反相整形，提供给单片机复位端。再经过一次反相整形，通过I/ORST端口提供给外部接口电路。外接12M晶振和两个20P电容组成系统的时钟电路。

防撞预警测距单元2的作用距离和分辨能力，不仅需要性能良好的传感器，也需要合理的驱动电路以及回波探测电路。只有这样才能保证发射时的声功率和波形的重复性以及接收时的灵敏性。对发射来说，为了要使电能到机械能的转换效益最大，最佳的工作点必须取在反共振频率处，在传感器系统中，发射部分的共振频率要与接收部分的反共振频率相匹配。驱动电路和回波探测电路的性能对整个测试系统有重要的作用。

发射部分：发射电路9采用单片机P1.0端口编程输出40KHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器T0。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路8。

接收部分：从接收探头12传来的超声回波很微弱(几十个mV级)，又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。超声波回波经超声波接收传感器，电容隔直滤波，一级放大；由于超声波回波信号随着被测距离的变化，其幅值变化也很大，必须经过增益控制，以满足整形电路的要求。所以本系统设计了二级自动增益可调放大电路15，最后回波信号进入比较器LMV331，这样在比较器的输出端将得到40KHz的方波进入单片机以产生中断用于计时。一级放大倍数为25左右，二级放大倍数范围大约为5～1175。温度检测电路5测量温度，对温度进行补偿，来减小温度变化对测量距离精度的影响。

发射电路9为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形良好的重复性；发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。通常发射电路按发射方式分为：单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动。此方法测试距离太近；本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。

发射探头10的电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为20vp-p，以及单片机正常工作输出最大电压5V，发射探头10的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近，所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。

本发明使用单电源供电的互补推挽电路。当有信号Vi输入时，在信号的负半周，T1导通，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，T2导通，则己充电的电容C起着电源-Vcc的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大(比信号的最长周期还大得多)，就可以认为用电容C和一个电源Vcc可代替原来的+Vcc和-Vcc两个电源的作用。采用一个电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的Vcc，而是Vcc/2(输出电压最大也只能达到约Vcc/2)，所有前面导出的计算公式，只要用Vcc/2代替其中的Vcc即可。

功率放大电路8采用CD4096的4个反向器够成推挽放大电路。

声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等影响超声波的声速，其中空气的温度对超声波声速影响最大。所以，为了减小误差，避免因环境温度而带来的偏差，必须对环境温度进行检测，并通过计算消除环境温度所引起的偏差。测量环境温度时，直接以“一线总线”的数字方式传输，可以大大提高系统的抗干扰性。为此，温度测量电路5采用了DS18B20温度传感器芯片检测环境温度。DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器，在其内部使用了在板(ON-BOARD)专利技术，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简单等优点。

超声波的回波检测是整个超声波测距系统的关键。困难在于回波信号小信号，高频，要将传感器输入的微弱信号进行放大、滤波等处理。增加放大倍数，干扰信号也会随之增加。根据传感器类型，为电路选择合适的运算放大器，是设计中经常面临的问题，同时为提高性能和降低成本的要求不断，选择和合理使用运算放大器己经成为系统设计的关键。

一级放大电路14中采用了LM358运放，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合，其单位增益频带约为1MHz。由于LM358本身都相当于一个低通滤波器，因此出于系统简洁性考虑，不需要再加入滤波电路了。

二级自动增益可调放大电路是在LM358放大的基础上采用数字控制电位器x9313w来调整放大倍数。

x9313w器件是数字控制电位计，器件主要由计数器、译码部分、电阻阵列、触点开关、控制部分、非挥发存贮器几部分组成。

当CS为低电平时，选中器件。在/INC下降沿时若U/D为低，则5位计数器减1，若/UD为高，则计数器加1。每来一个INC下降沿进行一次计数操作，并可将结果存进存贮器。电阻阵列由31个串连电阻元件和一个触点开关网络组成。每一个电阻元件的两端通过触点与滑动端Rw相连。RH、Rl相当于可调电阻的两端(选择型号为x9313w的数字控制电位计，其RH、R1两端电阻的阻值为10kΩ，Rw相当于可调电阻的滑头，通过编程改变Rw与RH、Rl间的电阻值，就像移动可调电阻的滑头使阻值改变一样。正常工作下5位计数器的译码输出用于驱动触点的闭合，从而使触点合上的位置与存贮器的值保持匹配，即当计数器加1时，触点合上的位置往上移动一位(原来合上的触点就放开了)。当INC在CS上升沿时保持低电平，触点在相应的位置闭合后存贮器将自动放弃存贮功能。

Rw与R1输出到CCD驱动电路作为RC多谐振荡电路的数字可调电阻，用于改变振荡工作电路的频率。系统工作时，单片机根据A/D转换值进行调整，当峰值高了时，降低x9313w的等效电阻。反之，则加大。

本发明报警单元是由NE555电路、发光二极管、扬声器YSG组成，汽车与障碍物之间的距离大于其车速段的安全距离时。AT89S5l单片机的P2.2管脚输出高电平，经反相器到达NE555的4管脚时为低电平，NE555不工作，发光二极管不亮，扬声器YSG不发声。汽车与障碍物之间的距离小于其车速段的安全距离时.AT89S51单片机的P2.2管脚输出低电平，经反相器到达NE555的4管脚时为高电平.NE555开始振荡，发光二极管经三极管驱动点亮，同时，电容耦合滤除直流分量使扬声器YSG发出报警声音。

本发明的车道线识别率可达99%，白天的车辆识别率可达95%，夜间和雨天等光照条件不好的环境下，识别率在85%左右；车道偏离预警系统的漏警率可控制在3%以下，而碰撞预警系统的漏警率可控制在6%以下；车道偏离预警系统的误警率可控制在1%以下，而碰撞预警系统的漏警率可控制在5%以下

本发明可以减少由于疲劳驾驶或驾驶员疏忽造成的车辆偏离、追尾等事故。利用技术手段分析车道、周围车辆的状况等驾驶环境信息，一旦当驾驶员发生疲劳及精神分散、导致无意识的车间车距过近，存在追尾可能时，能够及时给予驾驶员主动预警，有效的减少公路交通事故。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的控制系统为微控制器（1）同时对防撞预警测距单元（2）和车道偏移监测单元（3）的反馈信息对车辆行驶状态进行判断，并且连接报警单元（4）。

2.根据权利要求1所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的车道偏移监测单元（2）为视频采集模块（6）将采集到的视频信息经过视频处理与控制模块（7）处理后将反馈信息传递给微控制器（1）。

3.根据权利要求2所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的车道偏移监测单元（2）在车辆行驶时通过视频采集模块（6）采集车辆两边的车道线，视频处理与控制模块（7）对采集图像处理后计算出车辆与车道线之间的距离并反馈给微处理器（1）。

4.根据权利要求1所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的防撞预警测距单元（2）为微处理器（1）依次通过功率放大电路（8）、发射电路（9）驱动发射探头（10）发出超声波监测前方障碍物（11）；接收探头（12）接收反射回来的超声波后依次通过低通滤波电路（13）、一级放大电路（14）、二级自动增益可调放大电路（5）后反馈给微处理器（1）。

5.根据权利要求4所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的功率放大电路（8）采用CD4096的4个反向器够成推挽放大电路。

6.根据权利要求1或4所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的防撞预警测距单元（2）在用于短距离测量距离时，超声波发射端采用间断多脉冲发射。

7.根据权利要求1所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的微处理器（1）连接温度检测电路（5）。

8.根据权利要求7所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的微处理器（1）根据温度检测电路（5）检测到的实时温度对超声波的声速进行及时修正，声速为C=(331.4+0.607T)m/s，其中C为空气中的声速，T为车外的实时温度。

9.根据权利要求4所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的二级自动增益可调放大电路（15）在LM358放大的基础上采用数字控制电位器x9313w来调整放大倍数。

10.根据权利要求1或4所述的一种车辆驾驶安全控制系统，其特征在于：所述的微控制器（1）的型号为AT89S51；发射探头（10）的型号为CSB40T；接收探头（12）的型号为CSB40R；一级放大电路（14）采用LM358运放。

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