CN101726743A

CN101726743A - 车辆主动防撞定位导航装置

Info

Publication number: CN101726743A
Application number: CN201010017260A
Authority: CN
Inventors: 解令广; 朱天楠; 张珺; 赵树迪; 朱海涛
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2010-06-09

Abstract

本发明公开一种车辆主动防撞定位导航装置，该装置由超声波测距模块、GPS定位导航模块、主控单元模块、安全报警模块，LCD显示模块和车辆安全控制模块构成，所述主控单元包括通过接口互相通信的单片机A和单片机B，安全报警模块和LCD显示模块与单片机A连接，超声波测距模块、GPS定位导航模块和车辆安全控制模与单片机B连接。该装置在紧急情况下启动刹车，从而有效的减少了交通事故的发生概率，保障车内成员和车辆本身的安全。

Description

车辆主动防撞定位导航装置

一、技术领域：

本装置是在车辆行驶过程中采集周围车辆情况并分析，在有紧急情况时能自动启用保护方案，避免追尾等交通事故发生的电子产品。

二、背景技术：

目前的汽车产业进入了高速发展的阶段，但交通事故发生率也随之增长，要解决汽车行驶中的安全问题除了加大安全意识的宣传外，加装安全防护装置也是很有效的方法，早在10年前，美国、德国、日本等一些先进发达国家已经开始了对车辆主动防撞安全装置的研究与开发，但由于技术封锁和垄断，目前我国类似产品还很少且大部分为被动防御装置。

在测距方式上超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触等优点，被作为测距的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。

三、发明内容：

为解决以上问题，本发明设计了一种通过超声波测距，GPS定位相结合的主动式车辆安全保障装置。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种车辆主动防撞定位导航装置，该装置由超声波测距模块、GPS定位导航模块、主控单元模块、安全报警模块，LCD显示模块、无线通信模块和车辆安全控制模块构成，所述主控单元包括通过接口互相通信的单片机A和单片机B，安全报警模块、无线通信模块和LCD显示模块与单片机A连接，超声波测距模块与单片机B连接，GPS定位导航模块以及车辆安全控制模块也与单片机B连接。

车辆安全控制模块包括一个电机，该电机的转轴与汽车脚刹之间设有连动部件，该电机的启动开关与单片机B的控制端连接。

该装置还设有温度传感器，该温度传感器通过串口与单片机A连接。

本发明相比现有技术具有如下优点：

在车辆行驶过程中，对超声波测距模块得到的数据，用温度传感器进行声波传播速度的补偿后可以实时提供己车前方车辆的距离和相对速度，并做出预测，GPS定位导航模块提供数据用单片机测出自身的位置和速度，通过无线设备发射给周围可以接收的设备，周围有相兼容的装置时，可以接受到这个信息，通过计算得出360°的周边车辆情况，在本装置未大量推广使用时，GPS辅助超声波测距，来避让周围车辆。当本装置得到推广之后，超声波测距装置辅助GPS，实现将要发生危险时的预警提示，及在紧急情况下启动刹车，而不是像传统的在事故发生时才采取措施，从而有效的减少了交通事故的发生概率，保障车内成员和车辆本身的安全。该装置理论上可达毫米级测量精度。

超声波是指震动振动频率在20KHZ以上的机械波，超声波不仅波长短、方向性好、能够呈射线定向传播，而且碰到界面就会有显著反射。这些特性有利于选用超声波做媒体，测定物体的位置、距离甚至形状等。超声波测距仪一般整个***的硬件由发送部分、接收处理部分、温度检测部分，语音部分和距离显示及声光报警部分组成。超声波测距的基本原理是超声波发射器不断地发射出.40kHz超声波，遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S。在已知速度C的情况下，不难得出：

S = \frac{1}{2} CT

式中C一一超声波音速由于超声波也是声波，故C即为音速。音速为：

C = \sqrt{rp / ρ_{o}}

式中γ一一气体的绝热体积系数(空气为1.4)

p一一气体的气压可(海平面为1.013x10⁶Pa)

一一气体密度(空气为1.29kg/m³，)

对于1mol空气，质量为m，体积为v，则密度ρ₀＝m/v，故

C = \sqrt{rp / ρ_{0}} = \sqrt{rpv / m}

对于理想的气体，有pV＝RT，

式中R一一摩尔气体常熟

T一一绝对温度

因此：

由于γ、R、m均为已知常数，故声速C仅与温度T有关，.若温度不变，则声音在空气中速率与压强无关。在0℃的空气中，C0＝331.5m/s。

对于任意温度下，有

即

通过对上式实际分析可得，温度每升高1℃，声速增加为0.607m/s，故

可以得出声速与现场环境温度θ的经验公式是：

C＝331.5+0.607θ

这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差T以及现场环境温度，就可以精确计算出从发射点到障碍物之间的距离。

超声波传感器安装在汽车的前部，其接收和发射传感器距离较近，之间容易有较强的干扰信号。为防止误测现象，在软件上采用延迟接收技术，一次提高***的抗干扰能力。

***初始化，首先完成对温度的采集，确定该温度下的超声波速度；若控制键被按下，发射出超声波，同时T0计数器进行计数，收到反射波后T0停止计数，以此计算出发射和接收超声波的时间间隔；最后通过数值处理程序计算出被测的距离，送LCD显示器显示。

本发明装置在现有的刹车技术之上加入了一些新的功能作用，包括安全预警提示和自动紧急刹车，让汽车真正实现智能化和人性化，更好地减少交通事故的发生，保障司机的人身安全和车辆的安全。

安全报警模块：当车辆在直道公路上行驶时，前后两车的距离可以由测距模块测量，然后装置***将对测得的车距进行判断。若出现了危险状况，即根据车速、车距计算后判断车据小于最小安全预警距离时，装置***将立即作出相应指示，警示灯亮起，提醒车主做出相应减速措施。

车辆安全控制模块：在经过人的正常反应时(0.7秒-1间秒)后，装置***再次判断是否有减速措施，若经判断仍处于危险状况，***将做出紧急刹车命令，发出信号，由车辆安全控制模块完成减速、制动。

GPS定位导航模块通过搜索卫星，接受各卫星自身数据，如位置、发射时间等。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X，Y，Z)。导航可以外加一个falsh存储芯片把地图存储在芯片里，需要时可以直接将计算出来的位置在地图上显示即可。

国内对车辆主动安全***的研究范围比较窄，局限性相对比较大，而我们所研发的车辆主动防撞定位导航装置，从技术和防护效果层面上来看，可以说是国内车辆安全主动保护领域的一次技术革新。

四、附图说明：

图1是本装置的原理框图；

图2为本装置的电原理图；

图3为车辆安全控制模块的示意图；

图4是多车辆间的示意图；

图5为两车间间距较大属于安全范围的示意图；

图6为两车间间距较小有危险隐患，A车发出警报示意图；

图7为两车间间距很小有危险，A车自动进入制动环节示意图；

图8为两车交换信息示意图；

图9为本发明的软件运行流程图。

五、具体实施方式：

如图1中：(1)为单片机A，(2)为单片机B，单片机A和单片机B的型号均为STC89C52；(3)为LCD显示模块；(4)为安全报警模块；(5)为无线通信模块；(6)为超声波测距模块；(7)GPS定位导航模块；(8)车辆安全控制模块。

图3中：M为齿轮；N为电机；H为踏板；G为拉杆。

各模块相互连接：

1.在单片机原理图中，单片机A的P2.0-P2.7与单片机B的P1.0-P1.7上均用CON1-CON7标注，表示物理上相连接，两片单片机通过这组接口相互通信(单片机为stc的89c52)。

2.LCD显示模块通过一片单片机A的P1口(8位数据口)与单片机A连接；因为本产品并不需要过多的显示界面，故普通的16*2的液晶屏即可(如红太阳1602系列)；

3.无线通信模块连接一片单片机A的串口，无线通信模块TXD连接单片机A的RXD，无线通信模块RXD连接单片机A的TXD；无线通信模块支持串口即可(如zigbee系列的产品)

4.安全报警模块(型号ZJ22B)的报警由声音，光线组成，当两根状态线为00时不产生反应喇叭，灯泡不工作，01时灯泡发光示意要降速或加速，10时灯泡发光，喇叭发出声响，示意情况紧急，11时灯泡频闪，喇叭发出声响，示意启动车辆安全控制模块；

5.GPS定位导航模块通过串口连接到单片机B的串口；(GPS模块TXD连接单片机A的RXD，GPS模块RXD连接单片机B的TXD)GPS即市面上的带串口的GPS(如长天HOLUX)，通过过串口实时将位置信息传给单片机。

6.超声波测距模块(型号CJ1)用一根线连接到单片机B的一个口，此模块在发射时给单片机B产生中断，单片机B开始计时，接收到反射信号时，再次给单片机B一个中断信号，停止计时。超声波模块由超声波发射端，超声波接收端组成，发射端发出超声波信号，接收端用于接受返回的反射波。

7.温度传感器(型号DS18B20)用一根线连接单片机B，采集外界环境的温度。

8.车辆安全控制模块以一根线连接到单片机一个输出口，当要制动时向此口产生电平跳变产生一个下降沿给制动，接到刹车信号时通过刹车使汽车制动。

如图3所示，车辆安全控制模块在原刹车踏板处安装一个拉杆，齿轮和电机，电机由主控单元的信号控制，拉杆一侧设有外齿与齿轮配合，齿轮安装在电机的输出轴上或经减速器安装在电机轴上。当主控单元发出紧急刹车信号时，电机转动，电机带动齿轮，齿轮带动拉杆，沿踏板制动方向拉下踏板，完成紧急刹车的动作。当信号解除时，踏板自动弹回。

如图4所示，多车辆间的示意图：

(1)为无线传输

(2)为超声波反射示意图

图5为两车间间距较大属于安全范围的示意图

Va为A车的车速；

Vb为B车的车速；

图6为两车间间距较小有危险隐患，A车发出警报示意图；

Va为A车的车速；

Vb为B车的车速；

图7为两车间间距很小有危险，A车自动进入制动环节；

Ws：为自动制动警报；

Vb：为B车车速；

图8为两车交换信息；

图9为整套装置的软件运行流程图。

本发明车辆主动防撞定位导航装置的工作过程：

图1中：

首先通过超声波测距模块测出脉冲发射和接受的时间差，通过温度传感器，得到车外的温度，利用经验公式

C＝331.5+0.607θ

式中C为声速θ为温度

测距的公式表示为：L＝C×T

式中L为测量的距离长度；

C为超声波在空气中的传播速度；

T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

得出当前环境下的声速，进而通过公式

Vc＝L/td；

Vc为相对车速；

L为两车距离；

Td：为时间间隔；

得出与前方障碍物的距离，再取两次结果之差得出与障碍物的相对速度，而GPS通过定位得出当前位置通过两次数据利用公式：

Vx＝(Sx1-Sx2)/td；

Vy＝(Sy1-Sy2)/td；

Vx：为自身在纬度方向上的速度；

Vy：为自身在经度方向上的速度；

Sx：为自身纬度方向上的位置；

Sy：为自身在经度方向上的位置；

得出当前车速和方向并用无线通信模块向外传播，当有相兼容的设备只收到时可以通过自己GPS得到的位置与速度与接收到的数据比较得出两车间的距离相对速度，当本装置检测到周围的兼容设备不多时，以GPS辅助超声波工作，反之，但有做够多的兼容设备时，使用超声波辅助GPS的方式工作，可以得出周边360度范围内车辆的行驶情况，通过无线通信模块进行各车辆间的相互协调，可以预防并制止可能出现的危险情况。

图5中：

超声波测距模块检测到A车和B车在安全间距范围内行驶，且GPS发给单片机的数据通过计算后得出速度正常，不发出任何警告；

图6中：

超声波测距模块检测到A车和B车间距太小但GPS发给单片机的数据通过计算后得速度正常，发出距离太近警报；

图7中：

超声波测距模块检测到两车之间间距达到危险程度，而GPS发给单片机的数据通过计算后得车速没有下降的趋势，本装置自动强迫汽车进行制动降速；

图8为两车间无线通信；

图9中第二步主要将各个参数清零；第三步和第四步中的T1，T2通过单片机内部的定时/计数器得到；第五步中的V由图1的说明中给出的公式得出；第八步中的Sn由|Pn-P1|∠(Pn-P1)得到；第九步中N为预先设定的值，通过试验统计得出；程序执行完一遍后返回，执行第三步构成一个循环；

本发明的工作过程包括以下步骤：

步骤1.

首先装置通电后开启GPS、超声波模块，温度检测模块并初始化各个参数，

步骤2.当单片机B接受到超声波测距模块通过T1口发来的第一个中断时，打开单片机B的定时器，当前时间T1记为0，读取温度传感器的值记为tem，定时时间一到变量T加1(用来记录单片机时间)

步骤3.当第二次接受到超声波模块发来的中断时，单片机读取变量T存为T2

通过公式S＝(3315+0.6*tem)*(T2-T1)/2

计算出两车间的距离Sw

步骤4.然后通过单片机B的串口读取GPS发来的数据计算得出当前汽车自身所处位置坐标P1；

步骤5.打开无线传输模块，单片机A通过无线向周围发送请求，接收到的内容通过PORT2口传给单片机B的PORT1口，单片机B通过接收到的内容中的识别码区分各辆汽车，并统计接受到的车辆个数n及他们各自所在位置坐标P2、P3、P4.....Pn分别于自己位置P1矢量相减得出相对距离S2、S3.....Sn。

步骤6.将n与N(用户自己设定的值)比较当n大于N是认为周边大部分车都有与本装置相兼容设备通过超声波测距模块得到的距离来修正无线通信模块和GPS模块得出的S2到Sn中正对自己的车的距离，若n不大于N则通过无线通信模块和GPS模块得出S2到Sn中正对自己的车的距离来修正超声波测距模块得到的距离，得出正前方车的距离S；

步骤7.S与前次采集到的S′之比较得出两车间的相对移动速度v，将S和v通过单片机A用1206的液晶屏显示出来；

步骤8.单片机B通过v和S得出危险指数W用PORT1口传给单片机A的PORT2口，当单片机A接受到危险指数时比较它与参考值的大小当发现w大于Ws时单片机B给车辆安全控制模块发制动信号，若w大于W2小于Ws通过单片机A向安全警报模块发声光警报信号，若w大于W3小于W2，单片机A向安全警报模块发光警报信号，返回到步骤2构成循环。

Claims

1.一种车辆主动防撞定位导航装置，该装置由超声波测距模块、GPS定位导航模块、主控单元模块、安全报警模块，LCD显示模块、无线通信模块和车辆安全控制模块构成，所述主控单元包括通过接口互相通信的单片机A和单片机B，安全报警模块、无线通信模块和LCD显示模块与单片机A连接，超声波测距模块与单片机B连接，GPS定位导航模块以及车辆安全控制模块也与单片机B连接。

2.根据权利要求1所述的车辆主动防撞定位导航装置，其特征是：所述车辆安全控制模块包括一个电机，该电机的转轴与汽车脚刹之间设有连动部件，该电机的启动开关与单片机B的控制端连接。

3.根据权利要求1或2所述的车辆主动防撞定位导航装置，其特征是：该装置还设有温度传感器，该温度传感器通过串口与单片机A连接。