CN110525400A - 汽车防撞系统智能控制器 - Google Patents

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CN110525400A CN201910804135.6A CN201910804135A CN110525400A CN 110525400 A CN110525400 A CN 110525400A CN 201910804135 A CN201910804135 A CN 201910804135A CN 110525400 A CN110525400 A CN 110525400A
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宗群
杨震洲
鲁瀚辰
王悦
张秀云
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Abstract

本发明涉及汽车安全领域、高级驾驶辅助领域，为提出处理速度快、可靠性高，并能进行分级保护的汽车防撞系统，能够实现汽车周围环境信息的获取、汽车动力学建模、汽车安全状态判断。为此，本发明，汽车防撞系统智能控制器，包括：信号采集单元、控制器单元、语音报警及显示单元和刹车执行单元，其中控制器单元与显示报警单元之间采用控制器局域网络CAN总线通信，信号采集单元采集进来的信号输入到控制器单元，信号经过处理和判断将重要信息通过显示报警单元呈现给驾驶员，在出现危险情况且驾驶员没有及时采取措施时，处理器会通过控制刹车电机的转动来辅助驾驶人员刹车，避免事故的发生。本发明主要应用于设计制造场合。

Description

汽车防撞系统智能控制器
技术领域
本发明涉及汽车安全领域、高级驾驶辅助领域、嵌入式系统领域，设计实现了汽车防撞系统的控制器硬件、软件及其智能控制方法，解决了汽车驾驶过程中的纵向避碰问题。
背景技术
随着经济生活的提高，汽车已经成为人们生产生活中不可或缺的一部分。到目前为止，汽车仍然是人们中短途出行的主要选择方式，在运输、旅游及城市交通等方面发挥着重要作用。
我国汽车工业最近发展迅猛，在汽车保有量迅速增长的情况下，交通安全事故发生率也逐年提高。从我国统计局发布的最新数据来看，2014年我国汽车保有量1.5亿辆，较去年同比增长12.8％，因交通而死亡的总人数相比前一年增幅高达为8.5％；2015年我国汽车保有量同比增长11.4％，总计达1.7亿辆，全年安全事故死亡人数为66182人，其中交通事故死亡人数已经占到总事故死亡人数的54％，比前一年增加了1887人，增幅高达5.5％；到2016年底，我国汽车的保有量比前一年增加了1787万辆，增长率高达11.5％，在交通事故中死亡人数达6万余人；截至2017年，中国机动车辆数量已达3亿辆，已有3.85亿人成为机动车驾驶人，较上一年新增2200多万驾驶员。从以上数据来看，我国汽车持有量逐年递增，但是由于交通安全教育的普及和道路基础设施的建设无法适应汽车数量的迅速增长，因交通事故致死的人数居高不下。由此可见，汽车保有量的增长导致了严重的交通安全问题。因此，保障汽车行驶安全性问题亟待解决。
交通事故发生的原因有很多，既有驾驶员和行人等主观原因，也有车辆本身故障和天气路况等客观原因。据统计，有超过80％的汽车交通碰撞事故是由于人为驾驶误操作或车辆设备的故障引起的。因此，为了防止交通事故的发生，减少人们生命安全损失，国内外研究机构和汽车制造企业都对汽车安全问题进行了深入的研究。防撞技术可分为两个方面，被动防撞技术和主动防撞技术。被动防撞技术主要是：安全气囊，安全带，保险杠等。这些被动防撞技术目前已经非常成熟，但是被动防撞技术不能从根本上解决碰撞的发生，只能减小碰撞发生后造成的生命财产安全损失。所以，要想从根本上解决汽车安全性问题我们还应该从主动防撞技术上找方法，这也使得主动防撞技术成为汽车安全领域的研究重点。
根据德国的统计数据，如果在有危险的状况下，能够让驾驶员提前0.5秒做出刹车动作或其他反应，就能够使追尾事故减少大约65％的发生概率；如果能够让驾驶员提前1秒做出反应，那么追尾的概率将减少大约90％。瑞典沃尔沃汽车公司通过一系列的测试表明，如果发生追尾时的碰撞速度从60km/h减小到50km/h，这样驾驶员所承受的碰撞力会减少大约30％。
同时，良好的制动性能是保护驾驶员安全的必要条件。现阶段制动操作主要使用刹车盘的摩擦来实现刹车功能，刹车性能降低严重影响机动车的正常行驶，具有很大的安全隐患。因此，为解决由于刹车片老化或摩擦变薄导致刹车不到位的问题，设计一种能够智能学习并智能调节刹车力度的系统具有重要意义。
综上所述，汽车数量的增多及道路交通事故造成的生命及财产威胁，都使得车辆安全技术成为全球各国关注的焦点，研究一种安全、可靠、智能有效的汽车防撞系统对减少事故的发生和维护人民生命及财产安全有着很大的现实意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一款基于ARM处理器，处理速度快、可靠性高，并能进行分级保护的汽车防撞系统。系统能够实现汽车周围环境信息的获取、汽车动力学建模、汽车安全状态判断、根据危险等级实现相应辅助驾驶功能、智能学习并智能调节刹车力度，旨在出现危险情况时，为驾驶员提供可靠的保护，以满足人们对于行车安全的需求。为此，本发明采取的技术方案是，汽车防撞系统智能控制器，包括：信号采集单元、控制器单元、语音报警及显示单元和刹车执行单元，其中控制器单元与显示报警单元之间采用控制器局域网络CAN(Controller Area Network)总线通信，信号采集单元采集进来的信号输入到控制器单元，信号经过处理和判断将重要信息通过显示报警单元呈现给驾驶员，在出现危险情况且驾驶员没有及时采取措施时，处理器会通过控制刹车电机的转动来辅助驾驶人员刹车，避免事故的发生。
信号采集单元包括：激光雷达传感器、磁电式速度传感器、陀螺仪、加速度计、全球定位系统GPS(Global Positioning System)/北斗导航；激光雷达用于实时获取到障碍物距离雷达的距离信息；GPS/北斗导航用于识别汽车所在位置并掌握道路信息；加速度计采集汽车的加速、匀速或减速运行状况；磁电式测速传感器对汽车的速度进行实时监控；通过陀螺仪判断汽车是否处在上坡、下坡或转弯运动；
显示报警单元：显示报警单元主要是液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)，将车辆行驶过程中的一些重要信息显示出来。显示器中信息有车速，车距，电压，显示器具有触屏功能，可以通过显示器对控制器中的参数进行设定，显示器还包含了喇叭，通过语音提示驾驶员雷达、电机是否正常，车辆是否超速，前方车速较低。其中显示报警单元与控制器单元之间采用CAN总线通信；
刹车执行单元：处理器辅助刹车通过该单元实现，刹车执行单元由一个直流电机、变速箱和传动杆组成，其中，电机用作动力输出；变速箱电机高转速低扭矩的转动输出转化为低速高扭矩的平动输出；传动杆和刹车踏板连接，利用所述平动输出执行最终的刹车动作；其中刹车力度通过控制器单元根据当前车速信息、车距信息智能调节刹车力度，防止由于刹车片老化变薄或其他刹车不到位而发生危险的情况；
控制器单元：控制器单元主要是将信号采集单元采集到的信号，通过编写好的算法进行计算，判断出当前情况下是否有危险发生，并根据危险等级对相应执行相应的辅助刹车动作和声光报警。此外，控制器单元接收通过相应雷达及速度信号智能调节刹车杆力度进而控制刹车执行单元动作。
汽车安全状态的判断即安全距离逻辑算法，主要通过对控制器进行软件编程来实现。在正常行驶条件下，通过激光雷达获取的距离信息及车速传感器获得的速度信息，通过安全距离逻辑算法构建报警及制动的最小安全距离。通过判断实际障碍物距离是否小于最小安全距离，控制系统进行相应的报警或刹车操作，从而避免与前方车辆发生碰撞。
智能刹车力度调节通过激光雷达及磁电式车速传感器实现。当出现危险情况时，控制器可根据当前车速信息、车距信息自动智能计算刹车力度，并通过刹车执行单元实现刹车操作，之后根据速度减小情况智能调节刹车力度，保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，从而确保系统辅助刹车效果安全可靠。
汽车刹车运动控制任务主要实现汽车危险情况下的刹车动作。当系统检测到刹车标志位置高，控制器通过电机驱动模块控制电机实现正向转动；当系统检测到刹车标志位置低，控制器通过电机驱动模块控制电机实现反向转动。其中刹车力度根据当前车速信息、车距信息通过智能算法计算，并通过判断速度是否降低至标准值进行智能刹车力度调节，既能保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，从而确保系统辅助刹车效果安全可靠。智能刹车调节流程图如图8所示。
本发明的特点及有益效果是：
(1)系统辅助驾驶员进行前向避碰。
(2)能够实现智能刹车调节。
(3)将环境信息及危险信息直观全面的呈现在屏幕上。
(4)能够自发调整报警情况。
(5)同时具有视觉和听觉报警功能。
(6)系统具有自动诊断功能。
(7)系统具有不同模式，提供不同环境下的避碰策略。
附图说明：
附图1汽车防撞系统硬件架构图。
附图2汽车防撞系统智能控制器硬件结构图。
附图3控制器电源部分结构图。
附图4汽车防撞系统智能控制器实物图。
附图5汽车防撞系统显示界面。
附图6 CAN总线通信工作原理。
附图7汽车防撞系统控制流程图。
附图8智能刹车调节流程图。
具体实施方式
针对上述问题，本发明旨在提供一款基于ARM处理器，处理速度快、可靠性高，并能进行分级保护的汽车防撞系统。系统能够实现汽车周围环境信息的获取、汽车动力学建模、汽车安全状态判断、根据危险等级实现相应辅助驾驶功能、智能学习并智能调节刹车力度，旨在出现危险情况时，为驾驶员提供可靠的保护，以满足人们对于行车安全的需求。
环境信息获取。主要通过GPS/北斗导航识别汽车所在位置，通过激光雷达实时准确的获取到障碍物点的距离。
汽车动力学建模。主要对汽车进行动力学分析，通过加速度计，判断汽车的加速、匀速或减速运行状况。通过磁电式测速传感器，对汽车的速度进行实时监控。通过陀螺仪，判断汽车是否处在上坡、下坡或转弯运动。通过控制刹车节气门阀的压力和开度或刹车杆踩下的长度，来改变汽车运行状态。
汽车安全状态判断。即通过安全距离逻辑算法，在正常行驶条件下，构建汽车进行报警及制动的最小安全距离。通过判断实际障碍物距离是否小于最小安全距离，控制系统进行相应的报警或刹车操作，从而避免与前方车辆发生碰撞。
根据危险等级实现相应辅助驾驶功能。控制器单元连接电机驱动模块、显示触控模块及语音模块。当与前车实际距离小于安全距离，控制器首先控制显示模块进行视觉报警，语音模块进行语音报警，提醒驾驶员减速慢行或变换车道。当距离继续减小，控制器控制刹车电机运转，带动刹车杆下移，进而使汽车减速，直至汽车与前车距离大于安全距离。当电机电压及系统电压出现异常，控制器控制显示模块进行报警提示。
智能刹车力度调节。当出现危险情况时，控制器可根据当前车速信息、车距信息自动智能计算刹车力度，并通过刹车执行单元实现刹车操作，之后判断速度是否减小至标准值，若速度未减速至标准值，则对刹车力度进行智能调节。防止汽车由于刹车过猛导致侧滑，同时杜绝了因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，保证系统辅助刹车效果安全可靠。
技术方案主要分为四个部分，分别对汽车防撞系统智能控制器的整体架构，智能控制器所实现的功能，智能控制器的硬件设计及智能控制器的软件设计进行说明。
a)整体架构
汽车防撞系统智能控制器的整体架构如图1所示，主要包括：信号采集单元、控制器单元、语音报警及显示单元和刹车执行单元。其中控制器单元与显示报警单元之间采用CAN总线通信。信号采集单元采集进来的信号，经过外围接口电路输入到控制器，数据经过处理和判断将重要信息通过显示报警单元呈现给驾驶员，在出现危险情况且驾驶员没有及时采取措施时，处理器会通过控制刹车电机的转动来辅助驾驶人员刹车，避免事故的发生。
信号采集单元主要包括：激光雷达传感器、磁电式速度传感器、陀螺仪、加速度计、GPS/北斗导航、制动信号等。该部分主要是收集控制器所需要的信息，通过这些信息，控制器就可以了解到当前车辆行驶的安全程度。
显示报警单元：显示报警单元主要是液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)，将车辆行驶过程中的一些重要信息显示出来。显示器中主要信息有车速，车距，电压等。显示器具有触屏功能，可以通过显示器对控制器中的参数进行设定，显示器还包含了喇叭，可以通过语音提示驾驶员雷达、电机是否正常，车辆是否超速，前方车速较低等。其中显示报警单元与控制器单元之间采用CAN总线通信，CAN总线工作原理如图6所示。
刹车执行单元：刹车执行单元是汽车防撞器最主要的执行单元，他主要是由一个直流电机、变速箱和传动杆组成。其中，电机的工作电压为12V，作为动力输出；变速箱主要是将电机高转速低扭矩的转动输出转化为低速高扭矩的平动输出；传动杆主要是和刹车踏板连接，执行最终的刹车动作。其中刹车力度通过控制器单元根据当前车速信息、车距信息智能调节刹车力度，防止由于刹车片老化变薄或其他刹车不到位而发生危险的情况。
控制器单元：控制器单元主要是将信号采集单元采集到的信号，通过编写好的算法进行计算，判断出当前情况下是否有危险发生，并根据危险等级对相应执行相应的辅助刹车动作和声光报警。此外，控制器单元接收通过相应雷达及速度信号智能调节刹车杆力度进而控制刹车执行单元动作。
b)系统功能
通过以上系统架构，系统能够实现汽车周围环境信息的获取、汽车动力学建模、汽车安全状态判断、根据危险等级实现相应辅助驾驶功能、智能刹车力度调节等功能。
环境信息获取主要通过系统外设的激光雷达、GPS及北斗导航模块来实现。激光雷达用于实时准确的获取到障碍物距离雷达的距离信息；GPS/北斗导航用于识别汽车所在位置并掌握道路信息。
汽车动力学建模主要通过磁电式车速传感器、加速度计、陀螺仪进行汽车运行状态判断，通过电机驱动模块及刹车电机控制汽车的运行状态。其中，系统通过加速度计，判断汽车的加速、匀速或减速运行状况；通过磁电式测速传感器，对汽车的速度进行实时监控；通过陀螺仪，判断汽车是否处在上坡、下坡或转弯运动。此外，系统通过电机驱动模块来带动刹车电机，进而控制刹车节气门阀的压力和开度或刹车杆踩下的长度，来改变汽车运行状态。
汽车安全状态的判断即安全距离逻辑算法，主要通过对控制器进行软件编程来实现。在正常行驶条件下，通过激光雷达获取的距离信息及车速传感器获得的速度信息，通过安全距离逻辑算法构建报警及制动的最小安全距离。通过判断实际障碍物距离是否小于最小安全距离，控制系统进行相应的报警或刹车操作，从而避免与前方车辆发生碰撞。
根据危险等级实现相应辅助驾驶功能通过显示模块、语音模块、电机驱动模块及刹车电机实现。控制器单元连接电机驱动模块、显示触控模块及语音模块。当与前车实际距离小于安全距离，控制器首先控制显示及语音模块进行报警，提醒驾驶员减速慢行或变换车道。当距离继续减小，控制器通过电机驱动模块控制刹车电机运转，带动刹车杆下移，进而使汽车减速，直至汽车脱离危险。当电机电压及系统电压出现异常，控制器控制显示模块进行报警提示。
智能刹车力度调节通过激光雷达及磁电式车速传感器实现。当出现危险情况时，控制器可根据当前车速信息、车距信息自动智能计算刹车力度，并通过刹车执行单元实现刹车操作，之后根据速度减小情况智能调节刹车力度，保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，从而确保系统辅助刹车效果安全可靠。
c)硬件设计
汽车防撞系统智能控制器设计包括硬件设计和软件设计两部分。
控制器核心硬件电路如图2所示，可以分为如下几个部分：
电源模块、电机驱动模块、接口模块、控制模块、调试接口。
电源模块只要实现对整个控制器的电源保护和器件供电，通过控制芯片可以实现对各个部分电路的控制。
接口模块主要实现对信号采集单元采集进来的信号进行转换，再将这些信号提供给控制器。
控制模块主要是ARM处理器，实现最终的信号处理、计算和命令的输出。
调试模块主要是JTAG和串口，实现控制器程序的烧录和调试功能。
d)软件设计
汽车防撞系统智能控制器软件设计主要对ARM处理器部分进行编程。应用多任务、分时操作系统，采用时间片轮换调度的方式，可以实现宏观上的多个线程同时工作。运行任务主要包括雷达数据预处理、车辆运行状态判断、汽车危险状态判断、汽车刹车运动控制、系统状态监测、显示报警通信等六个部分，其中智能力度刹车调节功能包含在汽车刹车运动控制任务中。软件设计流程图如图7所示。
雷达数据预处理任务主要对激光雷达返回的雷达信号进行解码，并计算得到前方障碍物实际距离数据。
汽车运行状态判断任务主要对磁电式车速传感器返回的信号进行滤波并计算得出车辆速度数据；对GPS/北斗导航获取的经纬度信息进行处理，得到车辆的位置信息；对陀螺仪获取的角速度信号进行处理，得到汽车的转向及上下坡信息。
汽车危险状态判断任务主要通过得到的雷达距离信息和速度信息，根据安全距离逻辑算法得到汽车危险等级。系统将车辆运行情况设定为安全、危险、刹车三个等级，并对三个等级设定相应的标志位。系统实时监测前方障碍物位置和自身速度信息，通过前方障碍物距离的改变情况得到本车与前方障碍物的相对速度，并通过系统自身车速得到前方障碍物运行状态。当车辆速度大于40km/h，根据自身车速、雷达信息最小距离、相对距离变化和相对速度变化规律逐步增加危险等级。当前方障碍物距离小于报警距离，系统将标志位置为报警状态，控制器通过总线发送报警信息给语音模块，芯片发出警报声；当前方障碍物距离小于刹车距离，系统将标志位置为刹车状态，直至降至离开危险等级，系统将标志位置为安全状态。当汽车运行速度在系统未起作用的情况下小于40km/h，系统为防止低速状态下及车辆启动时误刹车，系统将标志位置为安全状态；当系统正常运行，且前方车距大于危险车距，系统将标志位置为安全状态；当汽车主动处于转向状态、或驾驶员已主动踩下刹车的情况时，系统判断车辆正在转向或驾驶员已注意到危险情况，此时系统会屏蔽刹车状态。当车速大于120km/h，控制器发送超速信息给语音模块，语音模块提示减速慢行。
汽车刹车运动控制任务主要实现汽车危险情况下的刹车动作。当系统检测到刹车标志位置高，控制器通过电机驱动模块控制电机实现正向转动；当系统检测到刹车标志位置低，控制器通过电机驱动模块控制电机实现反向转动。其中刹车力度根据当前车速信息、车距信息通过智能算法计算，并通过判断速度是否降低至标准值进行智能刹车力度调节，既能保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，从而确保系统辅助刹车效果安全可靠。智能刹车调节流程图如图8所示。
系统状态监测任务主要通过控制器对各项信号、系统电压及电机电压进行监测。当控制器监测雷达信号、GPS/北斗导航信号、陀螺仪信号、加速度计信号一段时间缺失，系统将通过显示模块进行报警。
显示及报警通信任务本身不单独作为一个任务，当有需要发送给显示器的数据，直接从信息获取的任务中发送数据给显示器。控制器通过CAN总线向显示模块发送距离、速度、转向等信息和危险等级并将其显示在显示模块上。当系统需要显示某些警告信息或语音提示，控制器向CAN总线接口传输相应信号，显示模块及语音模块接收相对应的数据即完成相应显示或语音报警功能。
(1)系统辅助驾驶员进行前向避碰。该系统通过检测前方障碍物与本车的距离和相对速度，通过一系列算法，如果系统判定为有危险，就会发出报警，如果驾驶员没有做出相应的刹车动作，并且危险等级达到既定的阈值时，系统会主动辅助驾驶员通过踩刹车的形式来降低车速，直至危险解除，避免追尾或其他碰撞事故的发生，以此来保证驾驶员的生命财产安全。
(2)能够实现智能刹车调节。依托于优秀的算法和高速处理芯片，当出现危险情况时，该系统可根据当前车速信息、车距信息通过智能算法智能自动调节刹车力度，既能保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，保证系统辅助刹车效果安全可靠。
(3)将环境信息及危险信息直观全面的呈现在屏幕上。显示器中主要有车速信息，车距信息，系统各部分电压等。显示器具有触屏功能，可以通过显示器对控制器中的参数进行设定，显示器还包含了喇叭，可以通过语音提示驾驶员雷达、电机是否正常，车辆是否超速，前方车速较低等。显示报警部分中的液晶显示器能将车辆行驶过程中的一些重要信息显示出来。其中包括：
1.车距信息
2.安全等级条
3.超速、报警、刹车提示和语音报警
4.模式信息(标准和补偿)
5.各部件(雷达、电机、GPS/北斗导航、陀螺仪、加速度计等)工作状态提示和语音报警
6.车速实时显示
7.电瓶电压实时显示
8.转向信号提示
(4)能够自发调整报警情况。系统在检测到与前车障碍物距离危险情况下通过显示模块对驾驶员进行提醒，同时通过语音模块进行听觉报警。通过视觉报警及听觉报警的组合使报警操作更为可靠。语音报警音量可调，且可选择进行提示音报警或语音提示对应危险情况。
(5)同时具有视觉和听觉报警功能。系统的危险情况具有多个等级，随着危险等级的提升，听觉提示音报警由缓慢变至急促，提醒驾驶员危险等级的攀升。当系统出现工作故障例如雷达信号异常等，驾驶员可选择打开或关闭语音提示。
(6)系统具有自动诊断功能。系统开始工作阶段，首先需要对系统各个部分进行检查。首次检查分别检查系统电压是否异常、刹车电机是否堵转、CAN模块通信是否异常。之后系统持续运行阶段会每隔固定时间检测系统电压、电机电压、雷达信号、GPS/北斗导航、加速度计信号、陀螺仪信号。当上述数据出现问题，控制器控制显示模块报警。
(7)系统具有不同模式，提供不同环境下的避碰策略。提供应对高速情况下和低速情况下的两种刹车方式。当汽车处于高速情况下，系统采取多次轻踩刹车措施，直到汽车脱离危险距离，防止汽车出现侧滑危险；当汽车处于低速情况下，系统采取一次性重刹，保证汽车脱离危险。同时，系统能够检测出前方障碍物状态，针对前方障碍物静止、减速或匀速具有不同的危险距离。
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图1所示是汽车防撞系统硬件架构图。汽车防撞系统智能控制器的整体架构主要包括：信号采集单元、控制器单元、语音报警及显示单元和刹车执行单元。其中控制器单元与显示报警单元之间采用CAN总线通信。信号采集单元采集进来的信号，经过外围接口电路输入到控制器，数据经过处理和判断将重要信息通过显示报警单元呈现给驾驶员，在出现危险情况且驾驶员没有及时采取措施时，处理器会通过控制刹车电机的转动来辅助驾驶人员刹车，避免事故的发生。
信号采集单元主要包括：激光雷达传感器、磁电式速度传感器、陀螺仪、加速度计、GPS/北斗导航、制动信号等。该部分主要是收集控制器所需要的信息，通过这些信息，控制器就可以了解到当前车辆行驶的安全程度。
显示报警单元：显示报警部分主要是液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)，将车辆行驶过程中的一些重要信息显示出来。显示器中主要信息有车速，车距，电压等。显示器具有触屏功能，可以通过显示器对控制器中的参数进行设定，显示器还包含了喇叭，可以通过语音提示驾驶员雷达、电机是否正常，车辆是否超速，前方车速较低等。其中显示报警单元与控制器单元之间采用CAN总线通信。
刹车执行单元：刹车执行单元是汽车防撞器最主要的执行单元，他主要是由一个直流电机、变速箱和传动杆组成。其中，电机的工作电压为12V，作为动力输出；变速箱主要是将电机高转速低扭矩的转动输出转化为低速高扭矩的平动输出；传动杆主要是和刹车踏板连接，执行最终的刹车动作。其中刹车力度通过控制器单元根据当前车速信息、车距信息智能调节刹车力度，防止由于刹车片老化变薄或其他刹车不到位而发生危险的情况。
控制器单元：控制器单元主要是将信号采集单元采集到的信号，通过编写好的算法进行计算，判断出当前情况下是否有危险发生，并根据危险等级对相应执行相应的辅助刹车动作和声光报警。此外，控制器单元接收通过相应雷达及速度信号智能调节刹车杆力度进而控制刹车执行单元动作。
通过以上系统架构，系统能够实现汽车周围环境信息的获取、汽车动力学建模、汽车安全状态判断、根据危险等级实现相应辅助驾驶功能、智能刹车力度调节等功能。
图2所示是汽车防撞系统智能控制器硬件结构图，控制器硬件电路大致可以分为电源模块、电机驱动模块、接口模块、控制模块、调试接口。
电源模块主要实现对整个控制器的电源保护和器件供电，保证控制器整个电路能够安全稳定的工作，不发生电源故障和危险。电源部分也要为电机驱动部分提供足够的功率，以保证刹车电机能够正常运行。电源模块受控于控制模块，通过程序可是实现对系统各个部分电源的控制。
接口模块主要实现对信号采集单元采集进来的信号进行转换，转换成控制器可接收的信号，再将这些信号提供给控制芯片。既能够起到信号转换功能也可以为控制器提供可靠地保护，防止信号电压过高烧毁控制芯片。
控制模块主要是ARM处理器，实现最终的信号处理、计算和命令的输出。该芯片最高频率为72MHz，代码的执行速度在0等待存储器访问性能的情况下为1.25DMIPS/MHz(Dhrystone 2.1)；256Kb闪存，64KbSRAM；供电电压和i/o口电压支持2.0V到3.6V宽电压；3个12bit的A/D转换；两个12bit的D/A转化；支持SWD和JTAG两种接口的调试；112个快速I/O端口；高达11个计时器；13个通信接口，包含5个串口，CAN接口，USB2.0等。
调试模块主要是JTAG和串口，他们的主要作用是实现上位机对芯片进行程序的烧录、实时的仿真和调试工作。通过JTAG接口，我们可以访问芯片每部的闪存和寄存器。串口可以实现程序的烧录和调试功能。
图3所示为控制器电源部分结构图，电源部分是控制器最重要的一部分，下面详细说明。
首先，电源部分供电采用的是10V到14V宽电压直流电源，目的是与汽车电瓶电压相匹配，并且保证电瓶电压过高或者过低时系统也能正常开机。12V电源首先经过的是电源保护芯片，该芯片具有防浪涌、防反接、过流保护、过压保护、输出电压钳位等功能，为后续电路提供可靠地保护。电源保护芯后的开关芯片主要控制其后的电机驱动芯片，该开关芯片受控与控制芯片，通过程序可以实现对该部分电路通断的控制。电机驱动芯片主要实现对直流电机的控制，该芯片通过调节输出的平均电压，来控制直流电机的转速，通过调节电压的正反，来控制电机的转向，该芯片受控于控制芯片，通过调节输入的PWM波占空比和转向引脚电压来控制电机的转速和转向。
滤波网络主要实现对电源保护芯片输出电压的滤波，为后续电路提供平稳的电压。其后经过一个开关芯片，该芯片主要是实现对后续电路的控制，该芯片受控于自锁信号芯片。自锁信号芯片可以输出一个自锁信号，信号为高时，开关芯片接通，信号为低时，开关芯片断开，自锁信号芯片受控于显示器上的开关，按下显示器开关，芯片输出为高，再按下开关，芯片输出为低，以此来实现控制器的软启动。
电压转换芯片主要功能是将12V直流电压转换成3.3V直流电压，为控制器以及其他芯片供电，除了电压转换功能外，该芯片也具有过流保护和过压保护，以及输出钳位等功能。
最后一个开关芯片主要用来控制激光雷达、GPS/北斗导航等传感器的通断，以及过流保护，过压保护和输出钳位等功能。该芯片也受控于控制芯片。
图4所示为汽车防撞系统智能控制器实物图
图5为汽车防撞系统显示界面。可直观的呈现前方汽车距离信息，自身车速、转向信息。
图6所示为CAN总线通信工作原理，CAN总线通信协议的模型结构只有3层，分别是应用层、物理层、数据链路层。正是因为拥有这样的通信协议，才保证了数据的无差错稳定传输。
CAN总线上只有两种互补逻辑值，分别是“0”和“1”。为了表示这两种逻辑值，总线上的信号采用差分传输。其中，CAN_H和CAN_L是CAN总线收发器和总线相连接的两个引脚，当发送信号为隐性信号即“0”时，CAN_H和CAN_L两个引脚的电平都维持在2.5V左右的平均电压附近，电压差为0。当发送信号为显性信号即“1”时，CAN_H引脚的电平会被拉高到4V左右，而CAN_L引脚的电平会被拉低到都1V左右，这是两个引脚之间就会出现电压差。在总线上，显性电平具有优先权，只要总线上有一个部件发送显性信号，总线上就为显性信号。只有所有部件都是隐性信号时，总线上才是隐性信号。在CAN总线的两端都配有120欧姆的电阻，目的是进行阻抗匹配，减少回波反射。控制器与显示器通信硬件结构如图6所示。
当总线空闲的时候，总线上所有的成员都可以发送消息，如果两个或两个以上成员同时发送消息的时候，要根据各自的标识符确定谁具有优先发送权。这种标识符我们称其为ID，这里的ID并不是指发送数据的目的地址，而是表示访问总线优先级的高低。当两个部件同时发送消息时，会对他们发送消息的ID进行逐位比较，胜出者具有继续发送消息的权利，而失败者立即停止发送消息，而转入到接收消息的状态。
图7为汽车防撞系统控制流程图，通过操作系统UCOS III实现宏观上的多个线程同时工作。运行任务主要包括雷达数据预处理、车辆运行状态判断、汽车危险状态判断、汽车刹车运动控制、系统状态监测、显示报警通信等六个部分。
雷达数据预处理任务主要对激光雷达信号进行采集，对返回的多个激光雷达的RS232信号进行检查，并进行解码，计算得到前方障碍物实际距离数据，综合多个激光雷达有效距离数据判断前方障碍物实际距离。
汽车运行状态判断任务主要对磁电式车速传感器返回的信号进行滤波并计算得出车辆速度数据；对GPS/北斗导航获取的经纬度信息进行处理，得到车辆的位置信息；对陀螺仪获取的角速度信号进行处理，得到汽车的转向及上下坡信息。
汽车危险状态判断任务主要通过得到的雷达距离信息和速度信息，根据安全距离逻辑算法得到汽车危险等级。系统将车辆运行情况设定为安全、危险、刹车三个等级，并对三个等级设定相应的标志位。系统实时监测前方障碍物位置和自身速度信息，通过前方障碍物距离的改变情况得到本车与前方障碍物的相对速度，并通过系统自身车速得到前方障碍物运行状态。当车辆速度大于40km/h，根据自身车速、雷达信息最小距离、相对距离变化和相对速度变化规律逐步增加危险等级。当前方障碍物距离小于报警距离，系统将标志位置为报警状态，控制器通过总线发送报警信息给语音模块，芯片发出警报声；当前方障碍物距离小于刹车距离，系统将标志位置为刹车状态，直至降至离开危险等级，系统将标志位置为安全状态。当汽车运行速度在系统未起作用的情况下小于40km/h，系统为防止低速状态下及车辆启动时误刹车，系统将标志位置为安全状态；当系统正常运行，且前方车距大于危险车距，系统将标志位置为安全状态；当汽车主动处于转向状态、或驾驶员已主动踩下刹车的情况时，系统判断车辆正在转向或驾驶员已注意到危险情况，此时系统会屏蔽刹车状态。当车速大于120km/h，控制器发送超速信息给语音模块，语音模块提示减速慢行。
汽车刹车运动控制任务主要实现汽车危险情况下的刹车动作。当系统检测到刹车标志位置高，控制器通过电机驱动模块控制电机实现正向转动；当系统检测到刹车标志位置低，控制器通过电机驱动模块控制电机实现反向转动。其中具体刹车情况根据当前车速信息、车距信息通过智能算法智能自动调节刹车力度，既能保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，保证系统辅助刹车效果安全可靠。
系统状态监测任务主要通过控制器对各项信号、系统电压及电机电压进行监测。信号进入控制器时会记录此时系统时间，若较长时间为检测到系统时间改变，系统判断相对应雷达信号、GPS/北斗导航信号、陀螺仪信号、加速度计信号缺失，系统将通过显示模块进行报警。
显示及报警通信任务本身不单独作为一个任务，当有需要发送给显示器的数据，直接从信息获取的任务中发送数据给显示器。控制器通过CAN总线向显示模块发送距离、速度、转向等信息和危险等级并将其显示在显示模块上。当系统需要显示某些警告信息或语音提示，控制器向CAN总线接口传输相应信号，显示模块及语音模块接收相对应的数据即完成相应显示或语音报警功能。
图8为智能刹车调节流程图，刹车的智能调节应用于系统检测到危险状态时的刹车操作。通过获取的雷达距离数据及车速数据，通过查表得到该状态下车速的期望值。依托于刹车杆踩下深度与汽车减速度之间的关系，及执行刹车动作后车速的期望值，首先计算出初始情况下的刹车深度，并通过电机驱动单元控制电机带动刹车杆实现刹车操作。刹车操作后检测此时自身车速，若未减速到车速期望值，则继续调节刹车力度，直至成功脱离危险状态或车速降至期望车速。

Claims (5)

1.一种汽车防撞系统智能控制器，其特征是，包括：信号采集单元、控制器单元、语音报警及显示单元和刹车执行单元，其中控制器单元与显示报警单元之间采用控制器局域网络CAN(Controller Area Network)总线通信，信号采集单元采集进来的信号输入到控制器单元，信号经过处理和判断将重要信息通过显示报警单元呈现给驾驶员，在出现危险情况且驾驶员没有及时采取措施时，处理器会通过控制刹车电机的转动来辅助驾驶人员刹车，避免事故的发生。
2.如权利要求1所述的汽车防撞系统智能控制器，其特征是，
信号采集单元包括：激光雷达传感器、磁电式速度传感器、陀螺仪、加速度计、全球定位系统GPS(Global Positioning System)/北斗导航；激光雷达用于实时获取到障碍物距离雷达的距离信息；GPS/北斗导航用于识别汽车所在位置并掌握道路信息；加速度计采集汽车的加速、匀速或减速运行状况；磁电式测速传感器对汽车的速度进行实时监控；通过陀螺仪判断汽车是否处在上坡、下坡或转弯运动；
显示报警单元：显示报警单元主要是液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)，将车辆行驶过程中的一些重要信息显示出来。显示器中信息有车速，车距，电压，显示器具有触屏功能，通过显示器对控制器中的参数进行设定，显示器还包含了喇叭，通过语音提示驾驶员雷达、电机是否正常，车辆是否超速，前方车速较低。其中显示报警单元与控制器单元之间采用CAN总线通信；
刹车执行单元：处理器辅助刹车通过该单元实现，刹车执行单元由一个直流电机、变速箱和传动杆组成，其中，电机用作动力输出；变速箱电机高转速低扭矩的转动输出转化为低速高扭矩的平动输出；传动杆和刹车踏板连接，利用所述平动输出执行最终的刹车动作；其中刹车力度通过控制器单元根据当前车速信息、车距信息智能调节刹车力度，防止由于刹车片老化变薄或其他刹车不到位而发生危险的情况；
控制器单元：控制器单元主要是将信号采集单元采集到的信号，通过编写好的算法进行计算，判断出当前情况下是否有危险发生，并根据危险等级对相应执行相应的辅助刹车动作和声光报警。此外，控制器单元接收通过相应雷达及速度信号智能调节刹车杆力度进而控制刹车执行单元动作。
3.如权利要求1所述的汽车防撞系统智能控制器，其特征是，汽车安全状态的判断即安全距离逻辑算法，是通过对控制器进行软件编程来实现，在正常行驶条件下，通过激光雷达获取的距离信息及车速传感器获得的速度信息，通过安全距离逻辑算法构建报警及制动的最小安全距离，通过判断实际障碍物距离是否小于最小安全距离，控制系统进行相应的报警或刹车操作，从而避免与前方车辆发生碰撞。
4.如权利要求2所述的汽车防撞系统智能控制器，其特征是，智能刹车力度调节通过激光雷达及磁电式车速传感器实现，当出现危险情况时，控制器可根据当前车速信息、车距信息自动智能计算刹车力度，并通过刹车执行单元实现刹车操作，之后根据速度减小情况智能调节刹车力度，保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，从而确保系统辅助刹车效果安全可靠。
5.如权利要求4所述的汽车防撞系统智能控制器，其特征是，汽车刹车运动控制任务主要实现汽车危险情况下的刹车动作，当系统检测到刹车标志位置高，控制器通过电机驱动模块控制电机实现正向转动；当系统检测到刹车标志位置低，控制器通过电机驱动模块控制电机实现反向转动，其中刹车力度根据当前车速信息、车距信息通过智能算法计算，并通过判断速度是否降低至标准值进行智能刹车力度调节，既能保证车辆不会因为刹车过猛而发生侧滑，又能防止因刹车片老化变薄而引起刹车不到位的情况发生，从而确保系统辅助刹车效果安全可靠。
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