本發(fā)明屬于汽車防撞技術領域，特別是涉及一種基于激光測距的汽車自動防撞系統(tǒng)。

背景技術：

從傳統(tǒng)上說，汽車安全的可以從兩個方向進行研究：一是主動式安全技術，即防止事故的發(fā)生，該種方式是目前汽車安全研究的最終目的；二是被動式安全技術，即事故發(fā)生后的乘員保護。目前汽車安全領域被動安全研究較多，主要從安全氣囊、ABS(防抱死系統(tǒng))和懸架等方面著手，以保證駕乘人員的安全。從經濟性和安全性兩方面來說，這些被動安全措施是在事故發(fā)生時刻對車輛和人員進行保護，有很大的局限性。在二十世紀90年代，由于借助了日趨成熟的電子技術和計算機技術，汽車主動防撞技術就被應用到大批量生產的汽車上，例如，在乘用車上裝備了安全眼、車尾反射板、測距雷達系統(tǒng)等，以加強防撞安全措施，提高汽車的主動安全性。在德國，維爾德黑布呂格公司光學傳感器分部研制了MEAR系統(tǒng)。這種激光測距系統(tǒng)由三部分組成：一臺傳感器頭(包括測距傳感器和電視攝像機)，一臺數(shù)據(jù)記錄器和控制單元，以及一臺儀表板顯示單元，位于車頭前的這種激光測距系統(tǒng)可向司機提供與其它車輛和目標物之間的距離及相對速度數(shù)據(jù)，還可提供視頻圖像。為了探測車頭正前方以外區(qū)域的目標物，美國通用汽車公司正在研究一種稱之為“視覺控制雷達”的安全告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺電視攝像機來測定道路邊界和曲度，再根據(jù)電視攝像機所獲得的信息來控制激光雷達，這時激光雷達就可隨著汽車的實際路線來調整探的方向，增加有效作用距離，實現(xiàn)對目標物的最佳測量.

我國的智能汽車系統(tǒng)的研究發(fā)展較晚，且與國外機構的高投入系統(tǒng)性的研發(fā)相比，國內的研發(fā)機構雖然多，但相對分散，而且國內的研發(fā)機構大都以自己的研發(fā)為主，缺乏聯(lián)系溝通。清華大學侯德藻在博士畢業(yè)論文中，以車輛動力學及控制理論為基礎，對實現(xiàn)汽車縱向主動防撞系統(tǒng)功能所涉及的車輛動力學建模與控制、行車安全距離模型、實際交通環(huán)境中目標車輛識別及運動信息獲取、實車實驗平臺的開發(fā)等進行了研究，實現(xiàn)了縱向主動防撞的系統(tǒng)功能。重慶大學柴毅在博士論文中，針對汽車行駛中的安全問題,以汽車主動安全系統(tǒng)為研究對象,采用信息處理技術和智能化技術對信息的表示、行 駛安全的動態(tài)模型、系統(tǒng)的構成和建模、信息的實時獲取、行駛防撞等進行了較系統(tǒng)的研究.從汽車安全的角度,概括敘述了汽車及其安全性的有關問題,討論了智能汽車系統(tǒng)以及汽車防撞安全系統(tǒng),對汽車主動安全系統(tǒng)的研究內容進行了的分析。

雖然已經有相應的試驗產品問世。但是到目前為止，并沒有實用化規(guī)模化的車用防撞系統(tǒng)正式生產并投放市場，除了成本方面的因素外，技術上存在虛警率較高的問題，即防撞系統(tǒng)在并無危險狀況的時候錯誤地判斷出了危險狀況的概率較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光測距的汽車主動防撞系統(tǒng)，引入了方向盤傳感器、測速傳感器、車身俯仰傳感器來聯(lián)合判別汽車的運動狀態(tài)，虛警率低，能夠在適當時候給出合理的報警及控制信號。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于激光測距的汽車主動防撞系統(tǒng)，包括激光測距模塊、汽車轉向測量模塊、測速模塊、激光器姿態(tài)調整模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；激光測距模塊包括三路激光器，所述三路激光器均布在汽車前端，用于測量汽車與障礙物的距離；汽車轉向測量模塊用于測量當前轉彎半徑；測速模塊用于采集汽車當前速度；激光器姿態(tài)調整模塊根據(jù)汽車的載重將所述主駕激光器和副駕激光器的光路調整至水平姿態(tài)；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)前述模塊獲得的數(shù)據(jù)給出報警、減速或者剎車信號。

進一步，所述數(shù)據(jù)處理模塊對位于轉彎半徑之外的距離信號予以屏蔽。

進一步，所述測速模塊計算汽車速度v_T的方法如下式所示，

其中，T為汽車碼表上的速度信號的當前周期，T₀和v₀是先驗值，T₀是將汽車以固定的速度v₀行駛時測量獲得的其對應的汽車碼表上速度信號的周期。

進一步，測量汽車碼表上速度信號連續(xù)N個周期長度，然后依次去掉其中最大的和最小的各s個周期長度，對剩下的N-2s個周期長度求平均獲得所述當前周期。

進一步，所述激光器姿態(tài)調整模塊包含汽車俯仰傳感器、汽車探測雷達俯仰自動調整裝置和單片機；單片機根據(jù)汽車載重控制汽車探測雷達俯仰自動調整裝置將主駕和副駕的激光器的光路調整到最佳探測位置。

進一步，數(shù)據(jù)處理模塊給出的報警、減速或者剎車信號的方法為：

假設主駕激光器的報警、減速、剎車信號分別為Alarm_z,Slow_z,Brake_z，中駕激光器的報警、減速、剎車信號分別為Alarm_o,Slow_o,Brake_o，副駕激光器的報警、減速、剎車信號分別為Alarm_f,Slow_f,Brake_f，系統(tǒng)最終做決策的報警、減速、剎車信號分別為Alarm,Slow,Brake，前述信號等于1代表有效，等于0代表無效；

如果Alarm_z+Alarm_o+Alarm_f≥2,那么Alarm＝1,否則Alarm＝0；

如果Slow_z+Slow_o+Slow_f≥2,那么Slow＝1,否則Slow＝0；

如果Brake_z+Brake_o+Brake_f≥2,那么Brake＝1,否則Brake＝0。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于：(1)采用位于汽車底盤前方的主駕、中駕、副駕三路激光器來測量汽車與前方障礙物的距離，通過激光器兩兩聯(lián)合的方式來提高目標識別的穩(wěn)定性，降低虛警率；(2)采用方向盤傳感器來測量汽車是否處于轉彎狀態(tài)，以及轉彎的大小，并根據(jù)方向盤的角度大小獲得對應的安全距離，在這個安全距離之外的障礙物可以不予考慮，從而屏蔽掉由于轉彎時激光器探測到不具有危險性的障礙物時產生的虛假報警；(3)引入測速傳感器測量汽車的絕對速度，由于在低速行駛或者汽車靜止的狀態(tài)下，潛在的危險性非常小，所以即使系統(tǒng)探測到了在危險距離之內的障礙物也無需發(fā)送報警、減速、剎車信號，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(4)引入激光器姿態(tài)調整模塊，由于汽車載重的變化，激光器會引入很大的傾斜誤差，導致激光器相對于水平面的探測角度發(fā)生改變，不能探測到障礙物，而激光器姿態(tài)調整模塊可以根據(jù)汽車載重的變化實時調整激光器與水平面的夾角，使得激光器處于最佳探測姿態(tài)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于激光測距的汽車主動防撞系統(tǒng)構成示意圖。

具體實施方式

容易理解，依據(jù)本發(fā)明的技術方案，在不變更本發(fā)明的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想象出本發(fā)明基于激光測距的汽車主動防撞系統(tǒng)的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發(fā)明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術方案的限制或限定。

結合圖1，基于激光測距的汽車主動防撞系統(tǒng)包括激光測距模塊、汽車轉向測量模塊、測速模塊、激光器姿態(tài)調整模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；汽車車門開啟的時候，激光器姿態(tài)調整模塊根據(jù)汽車的載重情況將激光測距模塊中的主、中、副三路激光器的光路調整至水平姿態(tài)，此時激光測距模塊中的激光器開始工作，不斷地向汽車前方發(fā)出激光脈沖進行測距，激光測距模塊將測得的距離數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；測速模塊將在汽車表盤上采集到的速度信號送至數(shù)據(jù)處理模塊；汽車轉向測量模塊將測得的當前方向盤的角度對應的轉彎半徑送至數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊結合前述各個模塊送來的數(shù)據(jù)進行分析計算，給出當前狀況下系統(tǒng)應當采取的報警、減速、剎車等合適措施的信號。整個系統(tǒng)模塊詳細說明如下：

1、激光測距模塊

激光測距模塊用于實時測量汽車與前方障礙物之間的距離值，主要由發(fā)射單元、接收單元、高精度的計時模塊和單片機構成。激光測距模塊的工作原理為：發(fā)射單元中的發(fā)光二極管通過發(fā)射光學系統(tǒng)發(fā)射一個激光脈沖，脈沖以光速通過空間傳播照射在前方的障礙物上，經反射后被接收單元的接收光學系統(tǒng)收集，并且聚焦在接收單元的光電二極管上，光電二極管將光脈沖轉化為電脈沖，通過高精度的計時模塊測量發(fā)射脈沖與接受脈沖之間的時間間隔，從而得出障礙物與汽車之間的距離，由于激光測距模塊存在一定的誤差，所以得到的原始距離數(shù)據(jù)需要經過一定的校準算法校準使誤差盡可能的減小。此外，為了避免由于數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包而引起算法不穩(wěn)定的現(xiàn)象，還要將原始數(shù)據(jù)封裝成合理的數(shù)據(jù)幀格式，校準過程和數(shù)據(jù)封裝過程在單片機中實現(xiàn)。

為了應對汽車在上下坡、變道、靠邊停車等情況產生的虛警率，激光測距模塊包括三路激光器，即在汽車前端均勻分布三個激光器，第一個激光器安裝在主駕駛位前方，稱為主駕激光器；第二個激光器安裝在副駕駛位的前方，稱為副駕激光器；第三個激光器安裝在主架和副駕的中間，稱為中架激光器。主駕和副駕兩路激光器的激光光路與汽車底盤平行，而中駕激光器的激光光路則向上傾斜一個小角度β，即中駕激光器的激光光路與汽車底盤之間存在一個夾角β。

2、汽車轉向測量模塊

由于汽車在轉彎時，雖然位于轉彎半徑之外的物體能夠被激光測距模塊探測到，但是不會對汽車的行駛構成威脅，汽車轉向測量模塊用于提供汽車當前轉向角度大小，汽車轉向測量模塊中的汽車轉向傳感器通過測量汽車方向盤轉過的角度大小，可以獲得汽 車當時的轉彎半徑R的大小，數(shù)據(jù)處理模塊對位于轉彎半徑R之外的距離信號予以屏蔽。這樣就可以大大減小虛警率的發(fā)生，增強系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。汽車轉向測量模塊把轉彎半徑R的大小數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理模塊進行后續(xù)處理。

3、測速模塊

測速模塊是獲得汽車絕對速度的裝置，主要由信號處理電路、電平轉換電路以及FPGA中的數(shù)據(jù)處理程序構成。由于汽車在高速行駛時不能采取急剎車措施，在低速行駛時人完全可以反應過來也不需要減速剎車措施，所以在本發(fā)明主動防撞系統(tǒng)中需要考慮汽車的絕對速度。本發(fā)明直接采用汽車碼表上的速度信號，該信號為一個方波信號，方波的周期和車速成反比關系，所以可以預先求出這個函數(shù)關系式，然后通過測定信號的周期來確定對應的汽車速度。由于信號質量不能滿足測量要求，所以要經過信號處理電路，由此得到的信號再通過合適的電平轉換電路輸入至FPGA內部進行數(shù)據(jù)的進一步處理。

考慮到進入FPGA的信號可能會有噪聲干擾，所以對方波信號的連續(xù)N個周期的周期長度進行測量，然后對周期大小進行一個排序，去掉最大的和最小的各s(s的值可由實際情況自行確定)個值，對剩下的N-2s的數(shù)據(jù)求平均值，將這個平均值作為當前車速信號的周期大小。即：

對方波信號連續(xù)測量其N個周期的周期長度，為：

T₁,T₂,T₃,…,T_n-2,T_n-1,T_n

其中，下標1到n為連續(xù)測量到的N個周期長度的順序。

對這個數(shù)列進行從小到大的排序，得：

其中，下標i₁到i_n為排序后N個周期長度的順序。

去掉其首尾個s個值，對剩下的數(shù)據(jù)求算術平均值：

此時，T即為當前汽車速度信號的周期。

車速信號的周期T和汽車絕對速度v_T的乘積為常數(shù)K，即具有如下關系：

Tv_T＝K (5)

為了得到這個常數(shù)K，將汽車以固定的速度v₀行駛，測量其對應的速度信號的周期為T₀，則K＝v₀T₀。

那么可以獲得不同周期長度下汽車速度的解析式：

最終把汽車絕對速度v_T傳送至數(shù)據(jù)處理模塊。

4、激光器姿態(tài)調整模塊

激光器姿態(tài)調整模塊，用來消除由于汽車載重變化所引起的激光器姿態(tài)的偏移。激光器姿態(tài)調整模塊包含汽車俯仰傳感器、汽車探測雷達俯仰自動調整裝置和單片機。由于汽車載重變化，會引起汽車底盤與水平面會呈一定的夾角，使主架和副駕激光器不處于水平的姿態(tài)。導致激光器會打到地面或者天空而捕捉不到有效目標，所以本發(fā)明配備了一個俯仰傳感器來檢測汽車載重的變化，單片機控制汽車探測雷達俯仰自動調整裝置通過汽車測量載重情況將激光器的姿態(tài)角度調整到最佳探測位置。其工作原理如下：

對不同的載重m_i，汽車俯仰傳感器輸出對應著的電壓V_i；同時，在激光器不同的姿態(tài)角度下，汽車探測雷達俯仰自動調整裝置也會給出一個電壓V_o。將電壓V_i傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機系統(tǒng)通過公式(7)計算出能使主架和副駕激光器姿態(tài)保持水平所對應的電壓V_o。

V_o＝kV_i+b (7)

其中，k、b為和汽車屬性有關的常數(shù)，可自行實驗擬合得到。

然后單片機控制汽車探測雷達俯仰自動調整裝置將激光器姿態(tài)調整到V_o所對應的位置即可。這樣主架和副駕激光器的姿態(tài)就會處于水平狀態(tài)。

5、數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要是實現(xiàn)三路激光器以及各種傳感器數(shù)據(jù)的處理分析，給出特定條件下的報警、減速、剎車信號。

首先，假設主駕激光器的報警、減速、剎車信號分別為Alarm_z,Slow_z,Brake_z，中駕 激光器的報警、減速、剎車信號分別為Alarm_o,Slow_o,Brake_o，副駕激光器的報警、減速、剎車信號分別為Alarm_f,Slow_f,Brake_f，這些信號等于1代表有效，等于0代表無效。

數(shù)據(jù)處理模塊為每一路激光器距離數(shù)據(jù)設置一個長度L的FIFO(先進先出)隊列。以主架激光器為例，激光器每秒測100次距離并把得到的距離數(shù)據(jù)存進隊列中，每進來一個新的距離數(shù)據(jù)就把隊列的每一個數(shù)據(jù)往后挪一個，然后把最新的數(shù)據(jù)放在最前面的位置，假設主駕激光器的數(shù)據(jù)FIFO隊列內的數(shù)據(jù)為：

D₁,D₂,D₃,…D_L-1,D_L

那么每次加入最新的數(shù)據(jù)D₀時，D₀就會出現(xiàn)在隊列首端，其他數(shù)據(jù)依次向后挪一個位置，原先隊列尾端的D_L則丟掉，隊列變?yōu)椋?/p>

D₀,D₁,D₂,D₃,…D_L-1

再對隊列進行中值濾波，數(shù)據(jù)變?yōu)椋?/p>

其中，下標i₀到i_L為下標0到L-1重新排序后的順序

濾波完成之后，舍去隊列首端和尾端的兩個數(shù)據(jù)，進行差分平均估計汽車與前方障礙物的相對速度，即：

式中，v為汽車與前方障礙物的相對速度。

然后結合報警、減速、剎車時間計算出主駕激光器報警、減速、剎車安全距離：

D_za＝S_z+vτ_a (11)

D_zs＝S_z (12)

其中，Δt為減速信號的持續(xù)時間，a_s減速時的減速度，a_b為剎車時的減速度，τ為系統(tǒng)延遲時間，τ_a為報警信號和減速信號之間的時間差，D₀為汽車在防撞系統(tǒng)的作用下停車后與障礙物之間的距離，D_za為報警安全距離，D_zs為減速安全距離，D_zb為剎車安全距離。

然后根據(jù)以上四式統(tǒng)計FIFO隊列中小于報警安全距離、減速安全距離、剎車安全距離的距離值的個數(shù)，分別為n_za，n_zs，n_zb。

給定三個閾值N_Ta,N_Ts,N_Tb，如果n_za，n_zs，n_zb超過了各自對應的計數(shù)閾值N_Ta,N_Ts,N_Tb，那么程序就給出相對應的信號，即如果n_za≥N_Ta，那么Alarm_z＝1，否則Alarm_z＝0；如果n_zs≥N_Ts，那么Slow_z＝1，否則Slow_z＝0；如果n_zb≥N_Tb，那么Brake_z＝1，否則Brake_z＝0。

如果當前得到的新的距離數(shù)據(jù)值D₀位于汽車轉向角度對應的轉彎半徑R之內(R為汽車轉向測量模塊傳來的汽車當前的轉彎半徑)，即滿足D₀＜R，那么主駕對應的報警減速剎車信號全部清零：Alarm_z＝0，Slow_z＝0，Brake_z＝0。

同理，中駕激光器數(shù)據(jù)對應的的報警、減速、剎車信號Alarm_o,Slow_o,Brake_o，以及副駕激光器數(shù)據(jù)對應的報警、減速、剎車信號Alarm_f,Slow_f,Brake_f可以按照類似主駕激光器數(shù)據(jù)的計算方法給出來。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將三路激光器得到的預信號兩兩聯(lián)合取與運算，即：

如果Alarm_z+Alarm_o+Alarm_f≥2,那么Alarm＝1,否則Alarm＝0；

如果Slow_z+Slow_o+Slow_f≥2,那么Slow＝1,否則Slow＝0；

如果Brake_z+Brake_o+Brake_f≥2,那么Brake＝1,否則Brake＝0；

其中，Alarm,Slow,Brake為總的(即最終做決策的)報警、減速、剎車信號。

如果汽車的絕對速度為小于一個閾值，或者汽車處于上下坡時不給出報警、減速、剎車信號；由于汽車的中架激光器向上傾斜一個小角度β，所以若前方是一個斜坡，中 架激光器測得距離會明顯大于其他兩路。汽車是否處于上下坡用中架激光器測得的距離與主架副駕作比較來得到，即：

如果或者D_o-D_z＞Δ_Slope,D_o-D_f＞Δ_Slope

那么Alarm＝0,Slow＝0,Brake＝0

其中，v_T為測速模塊傳來的汽車當前絕對速度，為需要系統(tǒng)執(zhí)行減速活剎車的最小絕對速度。D_o為中駕激光器當前測得的距離，D_z為主架激光器當前測得的距離，D_f為副駕激光器當前測得的距離，Δ_Slope為前方為坡時中架距離大于主架副駕的最小閾值。

再結合激光器打在路邊綠化帶上的數(shù)據(jù)特點，把虛警降低，當三路激光器打在路邊綠化帶上時，從主到副三路數(shù)據(jù)會呈現(xiàn)遞增或遞減的狀態(tài)，這個時候不執(zhí)行任何措施，即：

如果D_z-D_o＞Δ_Park并且D_o-D_f＞Δ_Park,或者D_f-D_o＞Δ_Park并且D_o-D_z＞Δ_Park，

那么Alarm＝0,Slow＝0,Brake＝0

其中，Δ_Park為遞增或遞減的最小閾值。

最終的報警、減速、剎車信號就可以輸出至汽車防撞減速制動與緊急剎車裝置。