CN202213552U - 防追尾车载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种防追尾车载装置，包括单片机、测距模块、加速度探测模块、测速模块和报警模块，所述超声波测距模块、加速度探测模块、测速模块和报警模块分别连接所述单片机，其中测距模块用于测量自车和前车的距离，加速度探测模块用于检测自车的加速度，测速模块用于检测自车的速度。本实用新型防追尾车载装置参数容易获得、准确率高，考虑了驾驶员的主观感受，能有效预防追尾事故发生，且性价比高。

Description

防追尾车载装置

技术领域

本实用新型属于汽车主动安全技术领域，尤其涉及一种防追尾车载装置。

背景技术

道路运输以其适应范围广、方便快捷、通达性好等优势，在交通运输领域占据了最为显著的地位。道路交通在促进社会经济发展的同时，也带来了严重的安全问题。在众多的道路交通事故中，由汽车追尾引起的事故所占比例最高，占到了30％～40％，追尾事故所造成的财产损失和人员伤亡更是占到了总损伤的60％。为降低追尾事故率，提高交通安全，世界各国普遍意识到研发高性能的防追尾装置已刻不容缓。目前，美、英、德、日等国家的不少汽车公司(如德国奔驰，日本三菱、马自达、日产等)都开展了高速公路车载毫米波雷达防追尾碰撞预警系统的研究。在我国，清华大学、浙江大学、上海交通大学、吉林大学等高校和部分研究所正在进行车辆主动防撞报警、辅助驾驶系统等相关技术的研究。例如，上海交通大学研发了“人-车-路”综合环境下主动安全性模拟系统。虽然国内外对于该项技术的研究已经进行了近四十年，但研究成果并没有得到普及。尤其在我国，这方面技术还相对落后，虚警率高、性价比低等诸多问题需要进一步解决。此外，目前关于车辆安全距离的模型主要有基于车辆制动过程运动学分析的安全距离模型、基于车间时距的安全距离模型等，这些模型在应用于车辆防追尾时存在准确性低、参数不易获得、对驾驶员主观感受考虑不周全等问题。

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种有效预防追尾事故发生的防追尾车载装置。

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种防追尾车载装置，包括单片机、测距模块、加速度探测模块、测速模块和报警模块，所述超声波测距模块、加速度探测模块、测速模块和报警模块分别连接所述单片机，其中测距模块用于测量自车和前车的距离，加速度探测模块用于检测自车的加速度，测速模块用于检测自车的速度。

还可包括连接所述单片机的显示模块。

所述单片机可为飞思卡尔单片机。所述测距模块为超声波测距模块。所述加速度探测模块可为加速度传感器MMA7260。

有益效果：本实用新型防追尾车载装置参数容易获得、准确率高，考虑了驾驶员的主观感受，能有效预防追尾事故发生，且性价比高。

附图说明

图1为驾驶行为过程示意图；

图2为追尾事故成因分析示意图；

图3为车辆追尾模型示意图；

图4为单片机的引脚电路图；

图5为本实用新型电路总图；

图6为本实用新型结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

3.1 设计原理

3.1.1 设计思路

本实用新型首先对驾驶行为过程进行分析，并在此基础上分析车辆追尾事故的成因。再从成因入手，明确智能化防追尾装置的设计要求。依据该要求，运用交通工程学的专业知识与电子信息技术，建立车辆防追尾数学模型，开发防追尾车载装置。

3.1.2 追尾事故分析与装置设计要求

对应于人行为的“刺激--机体--反应”经典模式，驾驶行为可分为三个阶段，即感知阶段、判断决策阶段和执行阶段，如图1所示。感知阶段主要通过视觉和听觉来获得车辆运行信息，包括速度、加速度、车间距离等。判断决策阶段是驾驶员在感知信息的基础上，结合驾驶经验做出判断，确定有利于安全行驶的措施。执行阶段是指驾驶员依据判断决策所做出的实际行动，如加速、制动、转向等。驾驶行为就是感知、判断决策和执行三个阶段的连锁反应。如图2，基于驾驶行为的三阶段，我们对车辆追尾事故进行如下分析：对于感知阶段，驾驶员在高速驾驶条件下生理特征会发生变化，如动体视力下降、视野变窄等。由于这些原因，驾驶员对车辆速度和距离等信息掌握不足，从而引发追尾事故；对于判断决策阶段，驾驶员根据所获得的距离、速度等信息，把当前两车距离与经验的安全跟车距离作比较，从而做出决策。但高速公路、城市快速路等道路具有长时间行车的单调性，易使驾驶员分散注意力，对危险情况的判断不敏感，如果驾驶员经验不足将会发出错误的决策信号，从而引发追尾事故；对于执行阶段，如果驾驶员操作失误或在紧急情况下操作不及时，就不能达到预期效果，从而引发追尾事故。

汇总以上三点，各阶段产生错误与追尾事故发生是一种逻辑“或”的关系。反言之，只有在感知、判断决策和执行三个阶段都不出现错误或失误的情况下，车辆才能确保安全行驶。任何一个阶段出现问题都会导致追尾事故的发生。

在以上三个阶段引起的追尾事故的原因中，前两个原因占主题地位，由于第三个阶段操作失误引起的追尾事故所占比例很小。综合以上对车辆追尾事故原因的分析可知，高性能防追尾车载装置的设计具体要求有以下两个主要方面：①使用性能优良的传感器等设备获取外界道路交通情况，增强人感知的范围与准确度；②建立科学而实用的车辆防追尾数学模型，运用中央处理器分析行车状况，及时发出相应的报警信息，从而减少由人的主观经验判断引起的失误。

3.2 车辆防追尾数学模型

本项目在借鉴大量防追尾理论研究成果的基础上，运用交通工程学知识，建立了一套车辆防追尾数学模型。装置就是运用该模型来判断车辆行驶状态的安全与否。

3.2.1 模型假设：①车辆在直道上行驶；②路面摩擦系数与坡度不发生突变；③车辆的刹车性能相差不大。

3.2.2 模型建立：

在模型假设的基础上，运用跟驰理论等知识，依据装置的功能特点，绘制如图3所示的模型示意图。

根据图3，为防止追尾事故的发生，在整个行车过程中，需满足如下不等式：

l_反应+l_后制+l_安全-l_前制≤S       (1)

其中，l_反应是反应时间内后车行驶的距离，l_后制是后车的制动距离，l_安全是预留的安全距离，l_前制是前车的制动距离，S是后车车头与前车车尾的间距。l_反应+l_后制+l_安全-l_前制即为避免相撞的最小车距S_min。

本项目研发的新型智能化防追尾车载装置作用于后车(自车)，能够实时测定前车速度v_前、后车速度v_后、前车加速度a_前、后车加速度a_后、后车车头与前车车尾的间距S以及后车的牵引力F_牵引。同时，装置的存储器内存有诸多数据，如后车刹车时所能够产生的制动力F_制动、后车的满载质量m等。该装置根据这些数据来实时进行判定：若某一时刻(1)式成立，说明车辆处于安全行驶状态；反之，车辆处于非安全行驶状态，如果不及时采取制动措施，就很有可能发生追尾事故。在判定过程中，系统会根据实时的前后车行驶状况，分如下两种情况进行模型运算。

3.2.2.1 前车减速行驶

当某一时刻测定前车为减速行驶时，(1)式中的变量按如下方式确定：

①l_反应--l_反应＝v_后·t_反应。其中t_反应是存储器中存有的数据。它是以下两部分之和：一是该装置判定车辆所处安全状态并给出判定结果所需的时间，该时间很短，可忽略不计；二是装置判定车辆处于非安全行驶状态发出警告后给驾驶员预留的操作前的反应时间(可根据需求设定，一般不低于0.5s，本装置取1.0s)。

②l_后制--l_后制＝v_后 ²/2a_后制。其中，a_后制表示后车采取制动措施时所具有的加速度。其求解过程如下：在采取刹车措施前，有以下等式成立：

F_牵引-(μ±i)mg＝ma_后    (2)

在采取刹车措施时，有以下等式成立：F_制动+(μ±i)mg＝ma_后制(3)

其中，μ，i分别表示摩擦系数和坡度。把(2)(3)两个等式相加，得到如下等式：F_牵引+F_制动＝ma_后+ma_后制，由此可得a_后制＝(F_牵引+F_制动)/m-a_后。其中，F_制动和m是存储器内的数据，由后车本身的性能指标确定。

③l_安全--l_安全＝4m。④S--实时测定的车距。

⑤l_前制--l_前制＝v_前 ²/2a_前

3.2.2.2 前车匀速或加速行驶

当某一时刻测定前车为匀速或加速行驶时，由于在车辆密度比较大、容易发生追尾事故的路段，车辆不可能以较大的加速度进行加速或长时间处于加速状态。因此，为确保安全性，同时减少计算量，缩短系统的运算时间，本项目对该模型进行简化，将前车匀速、加速两类状态合二为一，统一按匀速行驶的状态进行计算。当v_后≤v_前时，车辆处于安全行驶状态；反之，如果后车减速到与前车速度相等时，后车与前车之间仍保持安全距离，则为安全行驶状态，这种情况下仍可以用(1)式进行判别，只是这时前后车不会停车，l_后制表示后车从开始制动至减速到与前车相同速度这一过程中所驶过的距离，l_前制表示在反应时间和后车减速时间内前车所驶过的距离。

其中，l_后制＝(v_后 ²-v_前 ²)/2a_后制，l_前制＝[(v_后-v_前)/a_后制+t_反应]·v_前。其余变量同3.2.2.1。

3.3 系统设计与开发

3.3.1 功能论述

本实用新型通过车辆防追尾数学模型，准确判断行驶状态安全与否，并发出相应的声光报警信号，从而提醒驾驶员采取相应的措施或自动制动。这是一种主动式安全系统，它能最大限度地减小驾驶员在感知阶段、判断决策阶段、执行阶段的失误，从而有效避免汽车追尾碰撞事故的发生。

3.3.2 主要功能

1)车辆行驶信息获取——避免感知阶段失误

①自车(安装本实用新型的车辆)信息探测：通过速度传感器实时获取自车速度v_后，加速度传感器实时获取自车加速度a_后。

②距离探测：利用超声波传感器实时获取自车车头与前车车尾之间的距离S。

③前车速度与加速度获取：通过实时获得的自车速度v_后、加速度a_后，以及车距S，通过单片机内的程序得到前车速度v_前，加速度a_前。原理：超声波传感器实时测定两车间距，设连续四个时刻测得的车距为Sⁱ、Sⁱ⁺¹、Sⁱ⁺²、Sⁱ⁺³，相邻时刻的间隔为Δt(毫秒数量级，具体数值由传感器本身性能决定)。则i+1至i+2时刻之间的时段和i+2至i+3时刻之间的时段内前车的速度分别为vⁱ⁺¹ _前＝(Sⁱ⁺¹-Sⁱ)/Δt+vⁱ⁺¹ _后和vⁱ⁺² _前＝(Sⁱ⁺²-Sⁱ⁺¹)/Δt+vⁱ⁺² _后。从而得i+2至i+3时刻之间的时段内前车加速度aⁱ⁺² _前＝(vⁱ⁺² _前-vⁱ⁺¹ _前)/Δt。由于Δt极小，因此可以把从i至i+3时刻之间的时段看成一个瞬时。

④车辆行驶信息显示：将获取的自车速度v_后、加速度a_后，前车速度v_前、加速度a_前和车距S实时动态地显示到液晶屏(即权利要求中的显示模块)上，使驾驶员实时获取车辆的行驶信息，从而有效避免由感知阶段信息获取失误而造成的追尾事故。

2)操作提示——避免判断决策阶段失误

①判断车辆所处的安全状态：装置通过单片机进行信息的综合处理，在实时获取的数据与系统储存的数据的基础上，运用2中的数学模型，实时计算出避免相撞所需的最小车距S_min。若实时的车距S大于或等于S_min，车辆处于安全行驶状态；反之，车辆处于非安全行驶状态。

②安全状态提示：当车辆处于安全行驶状态时，装置的屏幕上显示“车辆处于安全状态”字样；反之，装置的屏幕上显示“车辆处于危险状态”字样。

③声光报警：当车辆一旦进入非安全行驶状态时，装置响铃，并同时发光报警，提示驾驶员立即采取制动措施，从而有效避免由驾驶员判断决策失误引起的追尾事故。

特别地，以上功能均是实时的，即实时获取行驶信息，实时提示安全状态。根据实时的状况，装置同步判定是否需要采取制动措施。当采取制动措施后，装置再实时给出新的行驶信息，判定安全状态，并再次决定是否需采取制动措施。由此可见，该功能的实现是一个既连续又反馈循环的过程，这样确保了所获信息的时效性与操作过程的关联性，达到有效防追尾的目的。

3.3.3 辅助功能

1)模式选择功能：驾驶员可以根据不同的道路情况选择不同的模式

①高速公路模式：当车辆在高速公路、一级公路或城市快速路上行驶时，速度较高且变化较小，驾驶员容易放松警惕，对突发情况的反应相对迟缓，预警系统应以确保行驶安全为先。故在该模式下，当S_min≤S≤1.5S_min时，装置采取提前发光报警的措施，同时显示屏上出现“注意安全，可能发生追尾”字样，以提醒驾驶员谨慎慢行，从而减少由于驾驶员反应不及时而造成的操作失误。

②城市模式：当车辆在除快速路以外的城市道路、低等级公路或其它道路上行驶时，速度较低且变化较为频繁，驾驶员操作灵活，预警系统应尽量避免影响驾驶员正常驾驶的虚警。故在该模式下，装置不再提前发光报警，只在S＜S_min的情况下即时声光报警，以提醒驾驶员立即采取制动措施。

2)警示后车功能：当S＜S_min，即自车即将制动时，车尾的预警系统同时声光报警，以提醒后方跟随车辆的驾驶员减速行驶，预防跟随车辆与自车的追尾碰撞。

3.4 装置模块

本装置主要有以下模块：

1)单片机

本装置采用飞思卡尔系列单片机对各个模块，包括速度探测、加速度探测、测距等模块的输入输出信号采取集中控制与处理。本实用新型结构框图、单片机电路图、总电路图分别如图6、图4和图5所示。

2)测速模块：

本装置使用自制的速度传感器来实现自车速度的探测，电路连接见图5上方。

原理：在车辆的后轮轮轴上放置了一个码盘，一对光电管在两侧。码盘是一个带有32个均匀空隙的圆盘。当遇到空隙接受的管就接受一个脉冲，通过光电管来计数测量脉冲个数，如计数到32个信号则说明轮子转了一圈。所以，速度＝(每秒计数脉冲数/32)*后轮周长。

3)加速度探测模块：

本装置使用加速度传感器MMA7260来检测自车的加速度，电路连接见图5左下方。

原理：MMA7260系列传感器是数字输出3轴加速度传感器，具有数字输出(I2C和SPI)功能和XYZ(3轴灵敏度)。在2g时灵敏度为64LSB/g；10位模式下8g时为64LSB/g，可选的重力加速度有2g，4g或8g。其在待机模式时电流只需2.5uA，正常运行的时候电流为400uA，且具有低功耗和低电压(2.4V-3.6V)的特点。MMA7455L具有强大的设计，可抗强度达10,000g的冲击，可编程的阈值中断输出，可用于移动识别的水平检测和单击或双击识别。

4)测距模块：

本装置运用HC-SR04超声测距，包括超声波发射器，接收器与控制电路，电路连接见图5底端。

原理：采用IO口TRIG触发测距，至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回的话，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平车虚的时候就是超声波从发射到返回的时间。所以，测试距离＝(高电平时间*声速(340M/S)/2)。

5)报警模块及显示模块：

当测距模块检测到两车距离小于安全距离时，蜂鸣器会发出铃音给司机报警，二极管会发光报警，同时显示屏幕上也会有提示，显示屏接口电路图见图5最右侧。

原理：1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H)，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。利用此便可以在显示屏上输出我们所需要显示的所有文字及相关选项。

6)主要程序代码模块：

本装置由C语言编写程序代码，程序由单片机内的中央处理器运行。

①数模转换代码

②距离探测及数模转换显示模块代码

③液晶屏显示文字模块代码

7)各模块之间的联系

整个系统由飞思卡尔单片机进行总体的控制。测速模块、加速度探测模块、测距模块通过对相应的参量的测量将结果传入单片机，由单片机对这些传入的信号进行处理，然后根据得出的结果判断小车所处的安全状态，及时发出相应的声光报警，从而达到整体控制的目的。

3.5 创新特色

1)本实用新型从驾驶行为的三个基本阶段入手，剖析追尾事故的成因，并针对各阶段导致追尾的因素，进行防追尾车载装置的设计。这样既避免了以往防追尾装置设计的盲目性，又达到了全方位防追尾的目标。

2)实现了数据实时获取，安全状态实时判定，达到了全程防追尾的目标。特别地，借助于单片机内的程序，能够在超声波获取距离的同时获取前车的速度和加速度，一举多得。

3)装置可根据不同路况选取不同模式，更好地满足不同路况条件下的安全行车需求。

4)运用交通交通工程学的相关知识，建立了一套科学的车辆防追尾数学模型。特别地，与传统防追尾模型相比，该模型可通过运算把摩擦系数μ和坡度i抵消，这样就克服了无法实时测量路面状况或测量精度低下的难题，提高了安全状态判定的准确性。

5)装置的元件均为市面上的一般产品，没有借用特殊的高性能材料或高新技术，价格低廉。

3.6 装置应用

1)本装置的所有功能均可直接应用于现实车辆中。其中，车辆安全状态的判别需要自车牵引力的实时获取。在现实车辆中，牵引力依据公式F_牵＝P/v求得，其中v由本装置获取，P由仪表盘获取，运算过程由本装置的单片机实现。在应用过程中，只需将装置的各部分通过接口与车辆的对应部位进行配接即可。在用于不同的车辆时，可根据实际需求为本装置配备不同性能的零件，例如，可依据需要换用高灵敏度传感器。

2)这款智能化防追尾车载装置适用于直道上的各类车辆，可作为智能交通运输系统的重要组成部分。

3)本装置可以与GPS，刹车灯，转向灯，安全带等其他车载装置连锁使用。

Claims (5)

1.一种防追尾车载装置，包括单片机、测距模块、加速度探测模块、测速模块和报警模块，所述超声波测距模块、加速度探测模块、测速模块和报警模块分别连接所述单片机，其中测距模块用于测量自车和前车的距离，加速度探测模块用于检测自车的加速度，测速模块用于检测自车的速度。

2.根据权利要求1所述防追尾车载装置，其特征在于：还包括连接所述单片机的显示模块。

3.根据权利要求1所述防追尾车载装置，其特征在于：所述单片机为飞思卡尔单片机。

4.根据权利要求1所述防追尾车载装置，其特征在于：所述测距模块为超声波测距模块。

5.根据权利要求1所述防追尾车载装置，其特征在于：所述加速度探测模块为加速度传感器MMA7260。

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