專利名稱：車輛主動防撞定位導航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本裝置是在車輛行駛過程中采集周圍車輛情況并分析，在有緊急情況時能自動啟
用保護方案，避免追尾等交通事故發(fā)生的電子產(chǎn)品。
二背景技術(shù)：
目前的汽車產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展的階段，但交通事故發(fā)生率也隨之增長，要解決 汽車行駛中的安全問題除了加大安全意識的宣傳外，加裝安全防護裝置也是很有效的方 法，早在10年前，美國、德國、日本等一些先進發(fā)達國家已經(jīng)開始了對車輛主動防撞安全裝 置的研究與開發(fā)，但由于技術(shù)封鎖和壟斷，目前我國類似產(chǎn)品還很少且大部分為被動防御 裝置。 在測距方式上超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要 直接接觸等優(yōu)點，被作為測距的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精 度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。
三
發(fā)明內(nèi)容
為解決以上問題，本發(fā)明設(shè)計了一種通過超聲波測距，GPS定位相結(jié)合的主動式車 輛安全保障裝置。 本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的 —種車輛主動防撞定位導航裝置，該裝置由超聲波測距模塊、GPS定位導航模塊、 主控單元模塊、安全報警模塊，LCD顯示模塊、無線通信模塊和車輛安全控制模塊構(gòu)成，所 述主控單元包括通過接口互相通信的單片機A和單片機B，安全報警模塊、無線通信模塊和 LCD顯示模塊與單片機A連接，超聲波測距模塊與單片機B連接，GPS定位導航模塊以及車 輛安全控制模塊也與單片機B連接。 車輛安全控制模塊包括一個電機，該電機的轉(zhuǎn)軸與汽車腳剎之間設(shè)有連動部件， 該電機的啟動開關(guān)與單片機B的控制端連接。 該裝置還設(shè)有溫度傳感器，該溫度傳感器通過串口與單片機A連接。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點 在車輛行駛過程中，對超聲波測距模塊得到的數(shù)據(jù)，用溫度傳感器進行聲波傳播 速度的補償后可以實時提供己車前方車輛的距離和相對速度，并做出預測，GPS定位導航模 塊提供數(shù)據(jù)用單片機測出自身的位置和速度，通過無線設(shè)備發(fā)射給周圍可以接收的設(shè)備， 周圍有相兼容的裝置時，可以接受到這個信息，通過計算得出360°的周邊車輛情況，在本 裝置未大量推廣使用時，GPS輔助超聲波測距，來避讓周圍車輛。當本裝置得到推廣之后， 超聲波測距裝置輔助GPS，實現(xiàn)將要發(fā)生危險時的預警提示，及在緊急情況下啟動剎車，而 不是像傳統(tǒng)的在事故發(fā)生時才采取措施，從而有效的減少了交通事故的發(fā)生概率，保障車 內(nèi)成員和車輛本身的安全。該裝置理論上可達毫米級測量精度。 超聲波是指震動振動頻率在20KHZ以上的機械波，超聲波不僅波長短、方向性好、能夠呈射線定向傳播，而且碰到界面就會有顯著反射。這些特性有利于選用超聲波做媒體，測定物體的位置、距離甚至形狀等。超聲波測距儀一般整個系統(tǒng)的硬件由發(fā)送部分、接收處理部分、溫度檢測部分，語音部分和距離顯示及聲光報警部分組成。超聲波測距的基本原理是超聲波發(fā)射器不斷地發(fā)射出.40kHz超聲波，遇到障礙物后反射回反射波，超聲波接收器接收到反射波信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。測出發(fā)射和接收回波的時間差T，然后求出距離S。在已知速度C的情況下，不難得出 S-丄CT2 式中C一一超聲波音速由于超聲波也是聲波，故C即為音速。音速為 C =如/pb 式中Y —一氣體的絕熱體積系數(shù)(空氣為1. 4) p——氣體的氣壓可(海平面為1. 013xl06Pa) 0—一氣體密度(空氣為1. 29kg/m3，) 對于lmol空氣，質(zhì)量為m，體積為v，則密度P。二m/v，故 C =如//70 =如v/w
對于理想的氣體，有pV = RT，
式中R —一摩爾氣體常熟
T——絕對溫度
因此C = 7^7^ 由于Y、R、m均為已知常數(shù)，故聲速C僅與溫度T有關(guān)，.若溫度不變，則聲音在空
氣中速率與壓強無關(guān)。在0t:的空氣中，CO = 331. 5m/s。對于任意溫度下，有G/Co = V^/V^I ,即G = 331.5 V^/V^J 通過對上式實際分析可得，溫度每升高rC，聲速增加為0. 607m/s，故 可以得出聲速與現(xiàn)場環(huán)境溫度9的經(jīng)驗公式是 C = 331. 5+0. 607 e 這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差T以及現(xiàn)場環(huán)境溫度，就可以精確計算出從發(fā)射點到障礙物之間的距離。 超聲波傳感器安裝在汽車的前部，其接收和發(fā)射傳感器距離較近，之間容易有較強的干擾信號。為防止誤測現(xiàn)象，在軟件上采用延遲接收技術(shù)，一次提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 系統(tǒng)初始化，首先完成對溫度的采集，確定該溫度下的超聲波速度；若控制鍵被按下，發(fā)射出超聲波，同時TO計數(shù)器進行計數(shù)，收到反射波后TO停止計數(shù)，以此計算出發(fā)射和接收超聲波的時間間隔；最后通過數(shù)值處理程序計算出被測的距離，送LCD顯示器顯示。
本發(fā)明裝置在現(xiàn)有的剎車技術(shù)之上加入了一些新的功能作用，包括安全預警提示和自動緊急剎車，讓汽車真正實現(xiàn)智能化和人性化，更好地減少交通事故的發(fā)生，保障司機的人身安全和車輛的安全。 安全報警模塊當車輛在直道公路上行駛時，前后兩車的距離可以由測距模塊測量，然后裝置系統(tǒng)將對測得的車距進行判斷。若出現(xiàn)了危險狀況，即根據(jù)車速、車距計算后判斷車據(jù)小于最小安全預警距離時，裝置系統(tǒng)將立即作出相應指示，警示燈亮起，提醒車主 做出相應減速措施。 車輛安全控制模塊在經(jīng)過人的正常反應時(0. 7秒-1間秒)后，裝置系統(tǒng)再次判 斷是否有減速措施，若經(jīng)判斷仍處于危險狀況，系統(tǒng)將做出緊急剎車命令，發(fā)出信號，由車 輛安全控制模塊完成減速、制動。 GPS定位導航模塊通過搜索衛(wèi)星，接受各衛(wèi)星自身數(shù)據(jù)，如位置、發(fā)射時間等。由于 衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的 距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X， Y， Z)。導航可以 外加一個falsh存儲芯片把地圖存儲在芯片里，需要時可以直接將計算出來的位置在地圖 上顯示即可。 國內(nèi)對車輛主動安全系統(tǒng)的研究范圍比較窄，局限性相對比較大，而我們所研發(fā) 的車輛主動防撞定位導航裝置，從技術(shù)和防護效果層面上來看，可以說是國內(nèi)車輛安全主 動保護領(lǐng)域的一次技術(shù)革新。
四

圖1是本裝置的原理框圖； 圖2為本裝置的電原理圖； 圖3為車輛安全控制模塊的示意圖； 圖4是多車輛間的示意圖； 圖5為兩車間間距較大屬于安全范圍的示意圖； 圖6為兩車間間距較小有危險隱患，A車發(fā)出警報示意圖； 圖7為兩車間間距很小有危險，A車自動進入制動環(huán)節(jié)示意圖； 圖8為兩車交換信息示意圖； 圖9為本發(fā)明的軟件運行流程圖。
五具體實施例方式
如圖1中(l)為單片機A， (2)為單片機B，單片機A和單片機B的型號均為 STC89C52 ; (3)為LCD顯示模塊；(4)為安全報警模塊；(5)為無線通信模塊；(6)為超聲波 測距模塊；(7)GPS定位導航模塊；(8)車輛安全控制模塊。
圖3中M為齒輪；N為電機；H為踏板；G為拉桿。 各模塊相互連接 1.在單片機原理圖中，單片機A的P2. 0-P2. 7與單片機B的P1.0-P1.7上均用
C0N1-C0N7標注，表示物理上相連接，兩片單片機通過這組接口相互通信(單片機為stc的 89c52)。 2. LCD顯示模塊通過一片單片機A的Pl 口 (8位數(shù)據(jù)口 )與單片機A連接；因為 本產(chǎn)品并不需要過多的顯示界面，故普通的16*2的液晶屏即可(如紅太陽1602系列)；
3.無線通信模塊連接一片單片機A的串口，無線通信模塊TXD連接單片機A的 RXD，無線通信模塊RXD連接單片機A的TXD ;無線通信模塊支持串口即可(如zigbee系列 的產(chǎn)品)
5
4.安全報警模塊(型號ZJ22B)的報警由聲音，光線組成，當兩根狀態(tài)線為00時不產(chǎn)生反應喇叭，燈泡不工作，Ol時燈泡發(fā)光示意要降速或加速，10時燈泡發(fā)光，喇叭發(fā)出聲響，示意情況緊急，ll時燈泡頻閃，喇叭發(fā)出聲響，示意啟動車輛安全控制模塊；
5. GPS定位導航模塊通過串口連接到單片機B的串口 ； (GPS模塊TXD連接單片機A的RXD， GPS模塊RXD連接單片機B的TXD) GPS即市面上的帶串口的GPS (如長天H0LUX)，通過過串口實時將位置信息傳給單片機。 6.超聲波測距模塊(型號CJ1)用一根線連接到單片機B的一個口，此模塊在發(fā)射時給單片機B產(chǎn)生中斷，單片機B開始計時，接收到反射信號時，再次給單片機B—個中斷信號，停止計時。超聲波模塊由超聲波發(fā)射端，超聲波接收端組成，發(fā)射端發(fā)出超聲波信號，接收端用于接受返回的反射波。 7.溫度傳感器(型號DS18B20)用一根線連接單片機B，采集外界環(huán)境的溫度。 8.車輛安全控制模塊以一根線連接到單片機一個輸出口，當要制動時向此口產(chǎn)生
電平跳變產(chǎn)生一個下降沿給制動，接到剎車信號時通過剎車使汽車制動。 如圖3所示，車輛安全控制模塊在原剎車踏板處安裝一個拉桿，齒輪和電機，電機
由主控單元的信號控制，拉桿一側(cè)設(shè)有外齒與齒輪配合，齒輪安裝在電機的輸出軸上或經(jīng)
減速器安裝在電機軸上。當主控單元發(fā)出緊急剎車信號時，電機轉(zhuǎn)動，電機帶動齒輪，齒輪
帶動拉桿，沿踏板制動方向拉下踏板，完成緊急剎車的動作。當信號解除時，踏板自動彈回。 如圖4所示，多車輛間的示意圖 (1)為無線傳輸 (2)為超聲波反射示意圖 圖5為兩車間間距較大屬于安全范圍的示意圖
Va為A車的車速；
Vb為B車的車速； 圖6為兩車間間距較小有危險隱患，A車發(fā)出警報示意 Va為A車的車速；
Vb為B車的車速； 圖7為兩車間間距很小有危險，A車自動進入制動環(huán)節(jié)； Ws:為自動制動警報； Vb:為B車車速； 圖8為兩車交換信息； 圖9為整套裝置的軟件運行流程圖。
本發(fā)明車輛主動防撞定位導航裝置的工作過程 圖1中 首先通過超聲波測距模塊測出脈沖發(fā)射和接受的時間差，通過溫度傳感器，得到
車外的溫度，利用經(jīng)驗公式 C = 331. 5+0. 607 9式中c為聲速e為溫度 測距的公式表示為L = CXT 式中L為測量的距離長度；
C為超聲波在空氣中的傳播速度； T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。 得出當前環(huán)境下的聲速，進而通過公式 Vc = L/td ; Vc為相對車速； L為兩車距離； Td:為時間間隔； 得出與前方障礙物的距離，再取兩次結(jié)果之差得出與障礙物的相對速度，而GPS
通過定位得出當前位置通過兩次數(shù)據(jù)利用公式 Vx = (Sxl-Sx2)/td ; Vy = (Syl-Sy2)/td ; Vx :為自身在緯度方向上的速度； Vy :為自身在經(jīng)度方向上的速度； Sx:為自身緯度方向上的位置； Sy :為自身在經(jīng)度方向上的位置； 得出當前車速和方向并用無線通信模塊向外傳播，當有相兼容的設(shè)備只收到時可 以通過自己GPS得到的位置與速度與接收到的數(shù)據(jù)比較得出兩車間的距離相對速度，當本 裝置檢測到周圍的兼容設(shè)備不多時，以GPS輔助超聲波工作，反之，但有做夠多的兼容設(shè)備 時，使用超聲波輔助GPS的方式工作，可以得出周邊360度范圍內(nèi)車輛的行駛情況，通過無 線通信模塊進行各車輛間的相互協(xié)調(diào)，可以預防并制止可能出現(xiàn)的危險情況。
圖5中 超聲波測距模塊檢測到A車和B車在安全間距范圍內(nèi)行駛，且GPS發(fā)給單片機的 數(shù)據(jù)通過計算后得出速度正常，不發(fā)出任何警告；
圖6中 超聲波測距模塊檢測到A車和B車間距太小但GPS發(fā)給單片機的數(shù)據(jù)通過計算后 得速度正常，發(fā)出距離太近警報；
圖7中 超聲波測距模塊檢測到兩車之間間距達到危險程度，而GPS發(fā)給單片機的數(shù)據(jù)通
過計算后得車速沒有下降的趨勢，本裝置自動強迫汽車進行制動降速；
圖8為兩車間無線通信； 圖9中第二步主要將各個參數(shù)清零；第三步和第四步中的Tl， T2通過單片機內(nèi)部 的定時/計數(shù)器得到；第五步中的V由圖1的說明中給出的公式得出；第八步中的Sn由 |Pn-Pl| Z (Pn-Pl)得到；第九步中N為預先設(shè)定的值，通過試驗統(tǒng)計得出；程序執(zhí)行完一 遍后返回，執(zhí)行第三步構(gòu)成一個循環(huán)；
本發(fā)明的工作過程包括以下步驟
步驟1. 首先裝置通電后開啟GPS、超聲波模塊，溫度檢測模塊并初始化各個參數(shù)， 步驟2.當單片機B接受到超聲波測距模塊通過T1 口發(fā)來的第一個中斷時，打開
單片機B的定時器，當前時間Tl記為0，讀取溫度傳感器的值記為tem，定時時間一到變量
7T加l(用來記錄單片機時間) 步驟3.當?shù)诙谓邮艿匠暡K發(fā)來的中斷時，單片機讀取變量T存為T2
通過公式S = (3315+0. 6*tem) * (T2-T1) /2
計算出兩車間的距離Sw 步驟4.然后通過單片機B的串口讀取GPS發(fā)來的數(shù)據(jù)計算得出當前汽車自身所處位置坐標Pl ; 步驟5.打開無線傳輸模塊，單片機A通過無線向周圍發(fā)送請求，接收到的內(nèi)容通過P0RT2 口傳給單片機B的P0RT1 口 ，單片機B通過接收到的內(nèi)容中的識別碼區(qū)分各輛汽車，并統(tǒng)計接受到的車輛個數(shù)n及他們各自所在位置坐標P2、 P3、 P4……Pn分別于自己位置Pl矢量相減得出相對距離S2、 S3.....Sn。 步驟6.將n與N(用戶自己設(shè)定的值)比較當n大于N是認為周邊大部分車都有與本裝置相兼容設(shè)備通過超聲波測距模塊得到的距離來修正無線通信模塊和GPS模塊得出的S2到Sn中正對自己的車的距離，若n不大于N則通過無線通信模塊和GPS模塊得出S2到Sn中正對自己的車的距離來修正超聲波測距模塊得到的距離，得出正前方車的距離S ; 步驟7.S與前次采集到的S'之比較得出兩車間的相對移動速度v，將S和v通過單片機A用1206的液晶屏顯示出來； 步驟8.單片機B通過v和S得出危險指數(shù)W用P0RT1 口傳給單片機A的P0RT2口 ，當單片機A接受到危險指數(shù)時比較它與參考值的大小當發(fā)現(xiàn)w大于Ws時單片機B給車輛安全控制模塊發(fā)制動信號，若w大于W2小于Ws通過單片機A向安全警報模塊發(fā)聲光警報信號，若w大于W3小于W2，單片機A向安全警報模塊發(fā)光警報信號，返回到步驟2構(gòu)成循環(huán)。
權(quán)利要求
一種車輛主動防撞定位導航裝置，該裝置由超聲波測距模塊、GPS定位導航模塊、主控單元模塊、安全報警模塊，LCD顯示模塊、無線通信模塊和車輛安全控制模塊構(gòu)成，所述主控單元包括通過接口互相通信的單片機A和單片機B，安全報警模塊、無線通信模塊和LCD顯示模塊與單片機A連接，超聲波測距模塊與單片機B連接，GPS定位導航模塊以及車輛安全控制模塊也與單片機B連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的車輛主動防撞定位導航裝置，其特征是所述車輛安全控制 模塊包括一個電機，該電機的轉(zhuǎn)軸與汽車腳剎之間設(shè)有連動部件，該電機的啟動開關(guān)與單 片機B的控制端連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的車輛主動防撞定位導航裝置，其特征是該裝置還設(shè)有 溫度傳感器，該溫度傳感器通過串口與單片機A連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種車輛主動防撞定位導航裝置，該裝置由超聲波測距模塊、GPS定位導航模塊、主控單元模塊、安全報警模塊，LCD顯示模塊和車輛安全控制模塊構(gòu)成，所述主控單元包括通過接口互相通信的單片機A和單片機B，安全報警模塊和LCD顯示模塊與單片機A連接，超聲波測距模塊、GPS定位導航模塊和車輛安全控制模與單片機B連接。該裝置在緊急情況下啟動剎車，從而有效的減少了交通事故的發(fā)生概率，保障車內(nèi)成員和車輛本身的安全。
文檔編號G01S17/93GK101726743SQ201010017260
公開日2010年6月9日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者張珺, 朱天楠, 朱海濤, 解令廣, 趙樹迪 申請人:南京信息工程大學