一种汽车防撞红外线测距系统的方案设计

1　引言
    　　随着经济的发展，交通运输业日益繁荣，但由于道路状态、交通管理等硬件难以跟上，加上驾驶超车、出车开小差、错误估计车距等主观的原理，使相互碰撞的交通事故频频发生。解决这个问题的根本措施在于给行进中的汽车安装能自动跟踪测距，在危险距离内自动刹车的装置。
    　　由于电子技术的发展，先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在前车上的反射镜（汽车尾部）反射回来的激光束探测两车距离。由于受恶劣的天气、汽车激烈的振动，反射镜表面磨损，污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少1/2～1/3，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性-反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。
    　　当前测距系统所用的测距基本原理都是建立在测量时间差的基础上，而测量时间的方法主要有“脉冲方式”和“调频2连续波方式”。这两种测量方式都是以模拟电路来实现，由于器件延时的影响，使测量精度大大下降。本文采用“计数”方式，通过单片机处理，使测量准确度有了很大提高。
    　　因此，本文研究的红外测距系统成本较低，机体尺寸小，而且利用一种新的测距原理结合单片机技术的处理，使测量精度有了较大提高；同时把这种测距系统应用于汽车防撞系统中，并进行了装车防撞试验。试验结果表面，这种系统能探测的距离大于40m，且分析判断险情的速度快，准确性较高。
    2　红外线测距基本原理及其系统的建立
    　　2.1　基本原理
    　　红外线发射器不断发射出频率为40kHz的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差t，即可求出距离s：
    　　
    　　式中，c为光速度，一般取3×108m/s。
    　　本文采用“计数”方式，通过单片机处理进行测量，其基本原理是：红外线发射器始终处于发射红外线的状态，当红外接收器第一次接收到障碍物反射回的红外线时，经电路处理单片机给出一个计数启动信号，单片机的计数器开始以一定频率计数；当红外线接收器第二次接收到反射回的红外线时，经电路处理单片机给出一个停止计数脉冲，计数器停止计数。通过编程，单片机自动处理，用脉冲的周期T乘以脉冲数n就得到发射红外线到接收红外线的时间差t，即：
    　　
    　　（2）式代入（1）式就得测量距离。
    　　2.2　系统的建立
    　　根据以上的测距原理，设计出系统的基本框图如图1。
      
    　　
    　　图1　红外线测距系统基本框图
    　　红外发射电路发射出40kHz频率的红外线，当遇到障碍物红外线发生漫反射，红外线接收电路第一次接收到反射的红外线时，给单片机一个信号脉冲，启动单片机内的计数器，计数器置位进入计数状态；当接收电路第二次接收到反射器的红外线时，经单片机处理给出一个信号脉冲，使计数器停止计数，数据被锁存，然后经单片机处理，将测量的距离显示在显示器上。
    3　红外线测距在汽车防撞系统的应用
    　　3.1　基本特点
    　　本文研究的汽车红外防撞系统吸收了国内外各种测距仪的部分特点，结合我国汽车电子工业发展方向和现有电子技术基础上而设计出来的，具有以下特点：
    　　1）汽车在行进中能自动连续跟踪显示障碍物的距离；
    　　2）在交通量较大的高速公路的车间距离一般为30～50m，本装置设置极限安全距离为30m，当探测的车间距为30m时，发出警告声提醒驾驶员注意刹车；
    　　3）探测的车间距为20m时，给出自动刹车信号；若装有自动刹车装置，则自动刹车减速。
    　　3.2　汽车红外防撞系统
    　　汽车红外防撞系统的电路原理框图如图2所示。
      
    　　
    　　图2　汽车红外防撞系统的电路原理框图
    　　本系统由发射部分、接收部分、单片机、译码显示电路、报警部分及自动刹车减速装置六部分组成。
    　　发射部分：由40kHz振荡器，恒流发射发路和发射探头等组成，振荡器产生占空比非常小的窄脉冲，采用恒流源提供20mA左右的电流，这样减小了功耗，提高了发射功率，最后红外线由发射探头聚焦，以散射角小于2°发射。
    　　接收部分：由红外线接收头、第1级放大电路、第2级放大电路、整形、AGC控制增益等电路组成，红外线接收头接收信号后经第1级与第2级放大电路放大，由施密特触发器电路整形，送入单片机处理。其中AGC控制接收电路的增益，保证恒幅输出。
    　　单片机：由时钟振荡器和单片机组成，经过编程，单片机实现自动计数、计算时间t和测量距离s，并将测量距离连续输出给显示装置，同时在车间距离为30m时产生报警信号和车间距为20m时，产生自动刹车减速信号。
    　　译码显示电路：由译码电路、显示器组成，单片机输出的距离信号经译码器译码，通过显示器显示出来。
    　　可动态显示车与障碍物的距离。
    　　报警部分：由触发器、驱动电路和小喇叭组成。当车间距为30m时单片机给触发器一个信号，使触发器置位产生一组脉冲，通过驱动电路，使小喇叭发出报警声，当大于30m时，触发器复位，停止产生脉冲。
    　　自动刹车减速装置：由开关K和自动刹车减速装置组成，当司机认为必要用到自动刹车减速装置时，闭合开关K。当车间距小于20m时，单片机提供一个信号，启动自动刹车减速装置，防止碰撞。
    4　汽车红外防撞系统性能评价
    　　为了评价汽车红外防撞系统的性能，包括探测障碍物距和相对速度的性能，采用静物距离探测和在高速公路上行驶时动态探测两种试验。
    　　4.1　静物距离探测试验
    　　将普通汽车放在装有红外防撞系统的试验汽车前面，试验车从100m远处以30km/h的速度向普通汽车开来。当距离大于40m时，显示0;距离小于40m时，显示器显示的数据连续变化；当车间距为30m时，报警器开始报警。实验结果表明，符合实际车间距离，探测结果准确。实验结果如图3所示。
      
    　　
    　　图3　静物距离探测实验结果
    　　4.2　高速公路上行驶动态实验
    　　试验车与普通车在高速公路上同时向同一个方向行驶，开车前两车保持100m的距离。试验车向普通汽车发射红外线，探测两车距和相对速度，其实验结果如图4所示。
      
    　　
    　　图4　高速公路上进行的动态实验结果
    5　结语
    　　本文采用一种新的测距原理建立了红外测距系统，并研究了红外测距系统在汽车防撞系统的运用。
    　　为使测量的时间差t准确，采取两种方法提高精确度：
    　　1）计数脉冲的周期T应取得非常小。达微秒数量级；
    　　2）计数N个接收到的红外线周期的计数脉冲，利用公式t=nT/N计算时间差t，则精确度提高到大约原来的N倍。
    　　当然，为了使汽车红外防撞系统实用化还需解决如下几个问题：
    　　1）怎样防止旁道上行驶时，因道路两旁物体，临车道上的车辆产生错觉问题；
    　　2）单片机的防振能力差，影响工作可靠性的问题；
    　　3）发出什么样的报警信号才能使司机不造成紧张不安的情绪；
    　　4）如何进一步提高单片机计数工作频率，减少误差；
    　　5）探测距离受恶劣天气影响，红外线损失较大；
    　　6）动态探测距离有待进一步提高。
    　　这些问题有待进一步研究、探讨。相信随着器件的改进和实验条件的改善，这些问题会得到圆满解决。
    　　总之，由于本系统成本低、精确度较高、功能多、具有广阔的市场。