CN1569524A - 智能控制机动车安全行驶系统 - Google Patents

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Abstract

一种智能控制机动车安全行驶系统，由前视雷达，侧视雷达及天线，探测“安全距离”范围内是否有障碍物，探测的远近由车速、车重，路面气象条件、车身纵向倾斜确定，接受到的反射波信号，经比较器鉴别，障碍物信号送滤波整形，放大计数到执行器电路，实施减油门或制动，为提高电信号输送可靠性，单片机也同步处理雷达接收的信号，单片机还读取车速、车重、气象条件、车身纵向倾斜等参数查表或计算“安全距离”。该系统可以杜绝碰撞、车辆追尾、坠崖、挤压等事故发生，不受驾驶员技能限制，符合交通法规及驾驶习惯，适用于各种车型，节油、减少污染物排放，经济、社会效益显著。

Description

智能控制机动车安全行驶系统
                              技术领域
本发明涉及交通运输领域，机动车行驶中对障碍的识别，及车速的智能控制，确保车辆行驶时不发生碰撞、追尾、挤压、坠崖，该系统不受驾驶员的技能、状态的影响，符合驾驶习惯和法规。
                              背景技术
目前，所有的机动车辆都没有主动防撞系统，只有一些被动的保护措施，如安全带、防撞气囊、头盔，都不能从根本上解决交通事故的发生。
据报道有的国家正在研究汽车自动导航、电脑导航、智能车辆公路系统(IVHS)，丰田的AXV-III型，用激光定位车距防止追尾碰撞，美国的驾驶雷达系统，它是通过探测前方障碍物达到危险程度时，用声、光向驾驶员报警，由驾驶员采取措施。日本开展的研究是；在公路上埋设信号发生装置。还有的国家设想用卫星定位系统，(注1)以上技术还在研究阶段。
                              发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，为机动车辆提供一种能够探测到行驶方向“安全距离”范围有无障碍物，确定是否控制减速或实施制动的安全系统，避免事故发生，实现车辆安全行驶，并实现功率输出的自动转换。
本发明的目的是这样实现的：一种智能控制机动车安全行驶系统，由前视雷达(电雷达、光雷达)及天线、侧视雷达及天线，探测、收集在“安全距离”范围内是否有反射波信号，将正差频信号分别送入单片机和片外电路；整形、放大、计数最后到执行器电路中，执行器能完成电信号控制下的机械位移，单片机系统通过数据线与车速传感器、车重传感器、车在位置路面气象条件传感器、车身纵向倾斜传感器连接，按程序指令读取数据，查表或计算“安全距离”，并用这个数值控制雷达发射功率或天线的俯仰角，改变探测距离，智控系统还含有背景噪声接受器，它的调谐电路由车速控制，无背景噪声电压时控制刹车，游动开关可以使侧视雷达及转向指示灯，随方向盘转向同步启动。
前视雷达、侧视雷达由微波振荡器、微波传输带、天线组成。天线被绝缘固定在屏蔽金属筒中心，在封死的前端面中心开有一孔洞，可以辐射具有指向性的波束场，辐射的场强(探测距离)，是由车速、车重、路面气象条件、车身纵向倾斜等参数确定的。前视、侧视雷达，扫视行驶方向是否有障碍信号。
单片机系统含有中央处理器(CPU)存储器、数据线及接口，计时/计数器，中断和指令程序，单片机通过数据线与各传感器连接，根据传感器送来的车速、车重、气象条件、纵向倾斜数据到存储器中查表找到相应的“安全距离”，或由单片机根据数据按设定的公式计算“安全距离”，再由单片机用“安全距离”值控制雷达发射功率或拖动雷达天线改变俯仰角，实现雷达探测距离的改变。前视雷达天线正差频信号，送单片机内的计时/计数器，在频率子程序控制下，判断信号频率单位时间内的增加值，把这个值送入油门执行器和制动执行器的电路中，控制减速或实施制动。制动力度的大小、动作的快慢，由频率的增高值和单位时间的增加量决定。障碍物信号消失时，由单片机向执行器发出复位指令或由机械弹簧复位。
车在位置路面气象条件传感器，是指示车辆行驶过程中任意瞬间所在道路，路面的干湿(雨、雪、冰)及空间的雾、沙尘等气象条件，它分别由湿度传感器、温度传感器、能见度传感器及各自的电路组成，他们输出信号通过逻辑值表述车在位置路面气象条件的好坏(表1)。能见度传感器是在一个蔽光、透气厢内，并列安装激光发射头、激光接受头，激光照射在厢内气体上，散射光的强弱，随厢内气体的透明度而改变，接受头感应后经光电放大电路处理，其电信号达到设定值时，表示能见度已小于某一距离，则该信号作为车辆限速行驶的条件之一。
车身纵向倾斜传感器，由固定在车身上的弧型管、管中两套电极，每套电极由一根导线、一根电阻丝、一个可以在管内滑滚的水银球组成。静止时水银球落在铅垂线的方向，与两套电极均不发生接触，即零信号。当车辆上下坡时，水银球沿弧型圆管滑向某一边，与其中一套电极接触，这样就有电阻，经模/数集成块变为数字输出，坡度大阻值数大。两套电极区分上坡、下坡及坡度值，参与“安全距离”的确定，上坡时控制换挡加油门，下坡时限速。
背景噪声接受器是接收雷达波与路面交汇后形成的散射波，背景噪声接受器，是由天线、调谐、功率放大组成的电路，其特征是：背景噪声接受器的电子调谐是由车速控制的，输出信号优先控制执行器。
执行器由驱动电路、电机、机械传动件、复位弹簧组成，实现电信号控制下的机械位移，用位移量控制油门、制动、换挡(离合)等动作。电信号消失后电机扭距消失，弹簧拉动复位或给于电信号复位。
游动开关是控制车辆转向时，使转向方侧视雷达及转向指示灯工作的器件。
                          附图说明
图1为本发明原理框图
图2为本发明程序框图
图3为本发明的各传感器与单片机连接原理图
图4为本发明电路原理图
图5为本发明侧视雷达及转向指示灯与游动开关电路图
图6为本发明激光雷达发射、接受电路示意图
图7为本发明背景噪声接受器电调谐器图
图8为本发明游动开关结构图
图中：车速传感器及电路1，车重传感器及电路2，气象条件传感器3(湿度传感器3a、湿度传感器3c、能见度传感器3b)，车身纵向倾斜传感器4，单片机系统5，天线6，雷达7，频率比较器8，摸拟开关9，低通放大整型电路10，计数二-十进制电路11，油门执行器12，复位电路13，制动执行器14，反向器15，背景噪声接受器16，左、右侧视雷达17，18，游动开关19，左，右转向指示灯20，换挡、离合执行器21。
                        具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：在雷达7(图4中)BG2为微波振荡管，基极有一块微波传输带，BG2集电极接放大器IC1，放大量受“安全距离”ABCD控制并通过微波传输带偶合至天线及二极管D的正极，向目标发射脉冲，只有在安全距离范围的障碍物才能反射回来信号，并由同一天线拾取与D送来的原始信号混频，差频出现BG1基极，放大后输出送到摸拟开关9(IC5CD4006)，是否向后级传送要经比较器8确定，根据多普勒效应，障碍物靠近时频率增高。只有从障碍物反射回来频率高于原始发射频率的信号才是危险的。原始发射频率是固定的，对应有一个电压，反射波频率高于原始发射频率则对应电压也高。比较器8取原始频率电压，与反射波频率电压比较设正电压输出时，导通9，使E端差频信号到F，送10(低通滤波器U1-d，放大U1-C高通滤波器U1-a、到U1-b放大，U2-d和U2-a整形)送入计数器11(U4-b计个位数，进位后到U4-a计十位数)，个位计数控制油门，十位计数控制制动器，当有障碍物信号时个位数脉冲送到U5、U8、U9减油门到怠速使车速下降，雷达探测距离缩短，此时如果障碍物未在雷达探测的距离之内，无进位脉冲，则制动器不工作，相反障碍物信号未消失个位数进位后使十位脉冲计数，U6、U11、U12工作，电机拖动制动器实施制动。动作的快慢、力度的大小与差频大小及单位时间内增加量一致，个位进位信号还使油门执行器保持原状态，障碍物信号消失比较器输出为“0”，两个执行器中的电机力矩消失，在弹簧拉力下复位，也可用此信号控制图4中复位电路13的K、W，使K得到反转脉冲W使晶振及U5、U6产生反序列脉冲，使电机反转复位。
为了提高信号传递的可靠性，经比较器8鉴别出的高于原始频率信号经模拟门9送入单片机，令单片机T0为定时方式，T1为计数方式并同时设为“1”，用频率测试的子程序在单片机内硬件上完成频率的计数，并送到执行器电路中(图中给出的是使用步进电机的结构、用普通直流电机则将执行器中的电路改用D/A)。
单片机的另一个作用是根据车速、车重(含负荷)路面气象条件，车身纵向倾斜，查表或计算“安全距离”。在车速低于0.7米/秒雷达盲探。把一些实测数据写入单片机的存储器中，就可根据车速、车重、路面气象条件车辆纵向倾斜去查表找到当前条件下的“安全距离”，单片机用“安全距离”值控制雷达7的发射功率或控制雷达天线6的俯仰，使雷达探测距离等于安全距离。因此雷达天线有高于辐射频率的差频信号就表示“安全距离”上有障碍物车辆就要减速或制动。
“安全距离”是把“保持车距”的概念数量化了，安全距离＝制动距离+车速降为零的位置到障碍物的一段距离N，N值是由车在位置路面气象条件和车身纵向倾斜度确定的。
车在位置路面气象条件传感器3，在图3中由相对湿度(3C)路面温度(3a)能见度(3b)传感器及它们各自电路组成，电路中各自的传感器、SA、SB、SC在温度、湿度、能见度的影响下呈现出不同的阻值影响振荡频率和振荡波形的占空比，在到达设定值时翻转，输出“1”或“0”，用来表达与行驶有直接关系的重要天气特征，设温度在负4摄氏度以上输出为“1”否则为“0”，相对湿度大于95％输出“1”否则“0”，能见度100米以上输出为“1”否则“0”，如“1011为四位二进制码表述正常行驶条件见表1
温度传感器输出值 湿度传感器输出值 能见度传感器输出值 空位补值 路面气象条件 安全距离
1  0  1  1 正常 正常
1  1  1  1 路面有水(小雨小雾) 增加
1  1  0  1 路面有水(大雨大雾) 增大
0  1  0  1 路面有冰雪(大雪) 加倍限速
车身纵向传感器4在图3中3d是用来感知路面坡度的装置，当车辆行驶在有坡度路面时水银球滑向其中的一套电极，设上坡滑向S段弧型管，水银球使电极变为通路，IC6有阻值输出，坡度越大阻值越大，并进入单片机的接口，当下坡则水银球1、2都同时滑向H段，由水银球2导通使单片机得到一个符号位脉冲，区分车辆是处于上坡或下坡及大小，由程序判定上坡加油门、换档，当车辆下坡时，坡度、时速过大则限速。
背景噪声接受器16，是接受雷达7辐射到地面后产生的散射波，辐射源的频率是固定的，由于车辆行驶的速度不断变化，所以散射波的频率也不断变化，用车速值控制电子调谐电路，达到与散射频率共振的目的，再经放大电路输出；有散射波被接受到就有电压输出，在没有散射波或极弱时，说明路面异常，“0”输出通过反相器15变为高电位，控制制动器，这样在有雷电或太阳离子爆发时也可避免干扰。车速传感器1、车重车重传感器2已有多种型号产品，这里只给出部分电路与单片机的连接。
游动开关19，在图8中方向盘轴(2)转动时通过减速轮(16)带动拨叉(8)，拨叉中间有一个绝缘体(6)，两侧各有一个电极(12.15)、通过绝缘体与滑道腔内(9)的上下开口电极环(4)、(7)连接，并被上下电极环夹持，只有拨叉转动力推动下可以顺、逆时针滑动，在图8中开口(10)是正前方位置，向右转时(顺时针)拨叉(8)的G边推动并压迫游动开关电极(12)与拨叉接触，通过上环型电极(4)导通车右侧侧视雷达及转向灯，方向盘向左转(逆时针)，则拨叉H边推动并压迫电极(15)，通过下环型电极使左侧视雷达及左转向灯工作，当车辆恢复到直线行使时，拨叉及游动开关回到正前方开口(10)位置，此时游动开关左右电极与上下环型电极都不导通，实现侧视雷达和转向灯与方向盘转向同时启动。
注1：《世界科技大博览》下册1069页“未来的汽车和汽车技术”，精华出版社2001年1月。

Claims (8)

1.一种智能控制机动车安全行驶系统，由前视雷达(电雷达、光雷达)及天线、侧视雷达及天线，探测、收集在“安全距离”范围内是否有反射波信号，将正差频信号分别送入单片机和片外电路；整形、放大、计数最后到执行器电路中，执行器能完成电信号控制下的机械位移，单片机系统通过数据线与车速传感器、车重传感器、车在位置路面气象条件传感器、车身纵向倾斜传感器连接，按程序指令读取数据、查表或计算“安全距离”，并用这个数值控制雷达发射功率或天线的俯仰角，改变探测距离，智控系统还含有背景噪声接受器，它的调谐电路由车速控制，无背景噪声电压时控制刹车，游动开关可以使侧视雷达及转向指示灯，随方向盘转向同步启动。
2.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”的前视雷达、侧视雷达由微波震荡器、微波传输带、天线组成，天线被绝缘固定在屏蔽金属筒中心，在封死的前端面中心开有一孔洞，可以辐射具有指向性的波束磁场，探测距离的远近由车速、车重、路面气象条件、车身纵向倾斜数据确定。
3.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”中的单片机系统，含有处理器(CPU)存储器、数据线及接口，记时/计数器、中断和指令程序、单片机通过数据线与各传感器连接，根据传感器送来的车速、车重、气象条件、车身纵向倾斜数据到存储器中查表或计算“安全距离”，用“安全距离”控制雷达发射功率或拖动雷达天线改变俯仰角。有障碍信号时由单片机内的计时/计数器判断信号频率比“发射频率”高多少和单位时间内的增加值控制减速或实施制动，，障碍信号消失由单片机向执行器发出复位指令。
4.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”中的车在位置路面气象条件传感器、是指示车辆行驶过程中任意瞬间所在道路，路面的干湿(雨、雪、冰)及空间的雾、沙尘等气象条件，它分别由湿度传感器、温度传感器、能见度传感器及各自的电路组成，他们输出的信号通过逻辑值表述车在位置路面气象条件的好坏，参与安全距离的运算，也是限速行驶的条件之一，
5.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”中的车身纵向传感器，由固定在车身上的弧型管、管中两套电极，每套电极有一根导线与一根电阻丝和一个可以在管内滑滚的水银球组成，静止时水银球落在铅垂线的方向，与两套电极均不发生接触，即零信号，当车辆上下坡时，水银球沿弧型圆管滑向某一边，与其中一套电极接触，这样就有电阻经模/数集成块变为数字输出，两套电极区分上坡、下坡，及坡度值，上坡时控制换挡加油，油门大小由坡度值决定，下坡时限速。
6.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”的背景噪声接受器是接收雷达波与路面交汇后形成的散射波的电波，背景噪声接受器，是由天线、检波、调谐、功率放大组成的电路，其特征是：背景噪声接受器的电子调谐是由车速控制的，输出信号优先控制执行器。
7.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”中的游动开关，方向盘轴转动时通过减速轮带动拨叉，拨叉中间有一个绝缘体，并被上下电极环夹持两侧各有一个电极、通过绝缘体与滑道腔内的上下开口电极环连接，，只有拨叉转动力推动下才能顺、逆时针滑动，实现侧视雷达、转向灯与方向盘转向同时启动。
8.根据权利要求书1所述的“智能控制机动车安全行驶系统”中的“安全距离”是把“保持车距”的概念数量化了，安全距离等于制动距离加上车速降为零的位置到障碍物的一段距离。
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