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1、基于超声测距雷达的汽车智能防碰撞预警算法设计 摘要：针对汽车行驶中的碰撞追尾事故，利用超声波实现无接触测距，同时配备语音报警功能。 关键词：测距雷达，超声波，单片机，减速。1. 汽车智能防碰撞系统结构和测距工作原理超声波测距主要是利用超声波的反射特性进行测距。超声波发射器不断的产生超声波， 超声波通过介质到达物体表面，遇到障碍物后形成反射波， 反射波再经介质传播返回到接收器，由超声波接收器把声波信号转换成电信号，传入测距系统。系统由超声测距模块、51单片机、减速电路、报警电路组成。如图1所示：障碍物超声测距模块51单片机减速电路语音报警电路图1 系统结构1.1超声测距模块模块测距的时序如图2所
2、示：图2 测距时序图图2表明：只需要输入一个10s以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信后，通过Echo管脚输出。根据Echo管脚输出高电平的持续时间可以计算距离值。距离值为s=(高电平时间*340m/s)/2。1.2减速电路单片机检测到距离小于当前车速下允许的最短距离的90%则通过继电器关闭汽车的火花塞，待距离增至最短距离时再重新启动火花塞。1.3报警电路单片机检测到距离小于当前车速下允许的最短距离则启动语音报警电路，发出报警音。2. 算法设计 算法由滤波算法、判定算法两部分组成。2.1.滤波算法采样频率为200HZ，即每5ms输入一组距离和车
3、速值。由于外界环境造成脉冲干扰，所以需要滤波算法。采用中位值平均滤波算法。该算法融合了中位值滤波法和算数平均滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由其引起的采样值偏差。对周期干扰有良好的抑制作用，平滑度高。每5个车速和距离值为一组（对实时性要求比较高，一组数据不宜过多）。分别记为S1、S2、S3、S4、S5和V1、V2、V3、V4、V5.去掉五个数中的最大值和最小值，剩余3组值的平均值即为本组数据滤波后的值。2.2判定算法针对如何确定一定车速所对应的安全距离，首先建立了车速与安全距离之间的数学模型。汽车在道路上行驶，如遇前车紧急制动，安全距离需要保证汽车驾驶员能在正常反应时间内紧急制动
4、而不致与前车追尾。考虑最坏情况：前车突然停止，或前方突然出现障碍物，此时的安全距离则为反应距离(驾驶员反应时间内汽车行驶距离)和制动距离之和。(1) 反应距离Sf、反应时间与驾驶员的灵敏程度、技术熟练状况有直接关系。通常的反应时间为0.75s1s. 本算法取反应时间为1s，则反应距离为1s车速v.(2) 制动距离Sz制动距离的长短与行驶的速度、制动力、附着系数有关。行驶速度越高，制动距离越长。制动力是指驾驶员踩下制动踏板后，阻碍并促使车轮停止转动的力。制动力的大小，除与踩下制动踏板的行程有关外，还取决于车轮与地面的附着系数，道路越光滑（如结冰路面），附着系数越小，制动距离越长。紧急制动时，制动
5、踏板踩到底，制动力主要取决于轮胎与地面之间的摩擦力。紧急制动时的轮胎处于临近抱死阶段，滚动摩擦可以忽略不计，若只考虑滑动摩擦。从能量守恒定律可以得到：摩擦力对物体做的功等于物体动能的变化量：NSz=12mv2其中N是车对地面的压力，是车跟地面的摩擦系数，Sz是制动距离，m是车的质量，v是车的速度，其中N=mg（g=9.8m/s2）所以得到mgSz=12mv2，则 Sz=v2/2g. 即制动距离近似与车速的二次方成正比。下表为黑龙江省五常市公安局交警大队退休干部根据资料摘抄整理的各种道路汽车制动距离。汽车行驶速度公里/小时各 种 道 路 制 动 距 离 （米）结冰路浮雪路泥土及有水木板路碎石、煤
6、渣及有水沥青路砾石、木板潮湿沥青路沥青、砂砖路潮湿水泥路水泥、砖路粗糙沥青路附着系数0.1附着系数0.2附着系数0.3附着系数0.4附着系数0.5附着系数0.6附着系数0.7汽车行驶速度汽车行驶速度50.980.490.330.250.190.160.14103.941.971.310.980.780.660.14158.854.432.952.211.771.481.262015.747.875.253.943.152.622.252524.612.38.26.154.924.13.513035.4217.7111.818.857.085.95.063548.2124.116.0712.05
7、9.68.036.894062.9731.482115.7412.5910.4994579.739.8526.5619.9215.9413.2811.385098.3949.1932.824.619.6816.414.0655119.0559.5239.6829.7623.8119.841760141.6870.8447.2335.4228.3423.6120.2465166.2782.1455.4241.5733.2527.7123.7570192.8496.4264.2848.2138.5732.1427.5575221.37110.6873.7955.3444.2736.931.6280
8、251.88125.9383.9662.9750.4423685284.34142.1794.7471.0856.8747.440.6290318.77159.39106.3679.6963.7553.145.5495355.18177.59118.488.7971.0459.250.74100393.55196.77131.1898.3978.7165.656.32取表中附着系数0.7、0.4、0.1的三种情况分别用excel拟合结冰路面，积水路面和干燥路面汽车安全距离与车速的关系曲线。X代表车速（km/h）,y代表制动距离(m).附着系数0.7附着系数0.4附着系数0.1综上所述，汽车在车
9、速v下的安全距离S的计算公式为：S=Sf+Sz.附着系数0.7S=0.0056v2+0.2818v-0.1369附着系数0.4S=0.0098v2+0.2778v+0.0001附着系数0.1S=0.0394v2+0.2779v+0.00233.算法实现在VS 2010的平台上对上述算法进行一个模拟。程序的主要任务是从键盘读入距离s和车速v（采样频率为200HZ），再经过滤波处理，修正计算出实际距离和车速。程序采用模块化设计，由主函数、输入函数、滤波函数、判定函数组成。程序运行截图每组数据中均出现了波动，但经过滤波处理，不影响最后结果。4.总结基于超声测距模块的汽车防碰撞系统在现实生活中有着广泛
10、的应用。附：源代码.#include #define N 5using namespace std;float speedN;float disN;void Input()for(int i=0;iN;i+)cout请输入第i+1speedidisi;float filter(float a) /中位值平均滤波float temp;int i,j;for(int i=1;i=0&tempaj)aj+1=aj-;aj+1=temp;temp=0;for(i=1;i=standard)cout正常行驶endl;if(y=0.9*standard)cout报警endl;if(y0.9*standar
11、d)cout制动endl;void main()int i;while(1)Input();couti; if(i=4)break;switch(i) case 1:judge(7);break; case 2: judge(4); break; case 3: judge(1); break; default: cout输入不合法;模块测距的时序如图6.1所示：图6.1：US-015测距时序图图6.1表明：只需要在Trig管脚输入一个10US以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信后，通过Echo管脚输出。根据Echo管脚输出高电平的持续时间可以计算距离值。即距离值为：(高电平时间*340m/s)/2。作业人员在生产作业时必须按规定穿符合生产作业要求的工作服，袖口与腰带必须牢牢扎紧，不得穿破损工作服，以免在机器运行或设备旋转时受到伤害
