车辆速度与安全距离的MATLAB模拟毕业论文.docx

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车辆速度与安全距离的MATLAB模拟毕业论文

本科生毕业论文（设计）

题目车辆速度与安全距离的MATLAB模拟

姓名

专业

年级、班级

系、部（院）

指导教师姓名

专业技术职务

2017年6月10日

摘要

因为公路上行驶的车辆的在不断增多，交通拥挤等问题随之也出现，交通事故也在增加，其中由于天气等周围环境影响，驾驶员由于刹车不及时造成的汽车追尾，侧面擦碰等事情在交通事故中所占比率增加，汽车防撞技术成为了全国性的热点研究话题。

可以看出保持距离，及时报警来进行刹车很重要，而两车间的距离和刹车距离在发展防撞技术中是不容忽视的考虑因素，所以本实验对两者进行了研究。

在其他人研究基础上，对比了一些测量距离的传感器的优缺点，并且考虑了多种因素，本论文决定采用激光来求出车辆间的距离，在其小于刹车距离时进行及时报警。

对乘用车、铰链客车、其他车辆，针对它们在空载、满载、、超载条件下的刹车距离不同研究，用MATLAB软件模拟刹车距离和速度的关系，通过本次的研究工作，可以让我们进一步了解刹车距离，得知保持车辆间距离并及时刹车的重要性，在发展防撞系统时对于刹车距离也是重要的考虑因素，可以尽量避免驾驶员因不及时刹车造成事故的发生。

关键词：

激光；刹车距离；MATLAB；防撞技术

Abstract

Withtheincreasingnumberofvehiclesonloaddaybyday,andbringsomeproblems,suchastrafficjam.Theincidenceoftrafficaccidentsisincreasing.Becauseoftheweatherandsoon,thedriverhasnotstoppedintime,andcausedacollisionandvehicleasscratches.Thiseventisgettinghigherandhigher.Traffichasbecomeahottopicforhumanbeing.Thedistanceofthetwocarsandbrakingdistancedonotbeignoredinthepreventiontechnology,sothepaperstudiesthetwo.

Onthebasisofotherpeople’sresearchandcomparingtheadvantagesanddisadvantagesofsomesensors,andconsidermultiplefactors,sothispaperisadoptedlaser.Thispapertakesadvantageoflaserwhichtestingthesurroundinghazardsandestimatewhetherornotlessthansafedistance.Onthisbasic,remindingdriverstotakemeasures,suchasspeedingcut.Passengercar,articulatedbusandothercars,theybrakingdistancehascarriedonresearchinanemptystateandfullyloaded.Weneedtoestablishaconnectiontothedistanceandspeedofsecurity,theundertheMATLABcircumstances,havinganexam.Throughthisstudy,letuslearnthedistanceofthetwocarsanddistance.Developinganti-collisiontechnologyneedstothinkaboutthebrakingdistance.Itcanreducelossoflifeandpersonalinjuryandtrafficaccident,andimprovetrafficsafety.

Keywords:

Laser;Brakingdistance;MATLAB;Anti-collisiontechnology

引言

在当今，虽然世界各地区都有了四通八达的公路，但交通事故的发生越来越多，不仅造成人们的伤亡，也造成我国经济的缺失。

如果驾驶员能够在任何情况下及时给出反应，就可减少碰撞，降低死亡，可见刹车距离和车间距的控制很重要，如果在紧急情况下能准确迅速的测出车辆之间的距离，并且通过自动算法，来实现安全智能车间距离，一些不必要事故也会减少，发展一些刹车设备也不错，在复杂的交通环境下对于不同汽车有良好的检测效果，在交通管理等相关工作中，也具有部分的参考以及借鉴意义。

我国对于机动车辆的刹车装置使用的是机械式动力，但是这种制动方式有些缺点，会因为制动设备的接触条件不好，还有一些载荷的分布不均匀等因素，会造成刹车效果不好，制动设备寿命缩短等问题，提高制动技术，完善制动器，是我国乃至全世界在发展防碰撞技术中最大的问题。

在吴闯的论文中提到了为了避免两车追尾事件的发生，提出车距安全距离智能控制与自刹车模拟系统，该系统运用超声波测量距离，然后通过单片机分析可见数据，探测出周围车辆的运动情况，然后自身车辆调整自己的运动车速，来实现保持安全距离[1]。

在徐永智的论文中提到了一种技术，考虑刹车设备的原理和材料等多种因素，将磁场加入到刹车装备中，有效的改善和弥补了传统刹车设备中的一些不足和缺点[2]。

在当前计算两车之间距离的方法有超声波测量、毫米波雷达测量、激光测量[3]等。

此论文讨论了车辆间的距离的测量方法，利用MATLAB模拟不同情况下的刹车距离和车速的关系，还有一些刹车距离的影响因素，通过结果可以看出，车距和刹车距离很重要，除了关注车辆与周围物体之间的距离，如果防撞系统中有一些性能高的刹车装置，也可以减少死亡的降临。

提高制动技术，改善安装在汽车中制动器成为发展防撞技术的一个重要考虑因素。

正文

1实验平台概述

1.1MATLAB概述

MATLAB（矩阵实验室）是matrix和laboratory两个英文单词的组合，由MathWorks公司开发的一款教学软件，可实现算法的开发、数据的高效率解析和计算[4]。

在数值剖析与计算、工程与科学画图、控制系统的设计与仿真、数字信号和图像处置、通讯系统设计与仿真、财政与金融工程等各行各业中应用广泛[5]。

绝大部分的功能都能通过后缀为.m的文本文件实现的，是一个开放的编程体系。

1.1.1MATLAB特点

用户可以很快的完成函数、算法等的调试，操作起来也方便。

也可用于复杂的计算、大量编程等。

编程效率高，执行方面也比其他软件强。

该算法功能强大，具有多种数学功能。

1.1.2常用基本数学函数

sqrt（x）：

开平方

real（z）：

复数z的实部

conj（z）：

复数z的共轭复数

angle（z）：

复数z的相角（Phaseangle）

imag（z）：

复数z的虚部。

1.1.3常用运算符号

关系运算符[6]：

＜（小于）、＜=（小于等于）、＞=（大于等于）、==（等于）、~=（不等于）

逻辑运算符：

&（逻辑与）、|（逻辑或）、~（逻辑非）

1.2刹车距离

刹车距离是当开车人员在某一临时速度快要遇到碰撞伤害时，从开始反应去刹车直到车子完全停止的这段距离，在这里面包括了反映间隔和制动间隔。

当司机处于清醒状态下，在这种状况下，当驾驶员察觉到危险的时候，从反应开始，然后开始刹车，这个过程需要0.5~1秒的时间。

但是当驾驶者在听音乐，或者感觉到疲惫等不清醒时，身体的反应就会变得很迟钝。

反应距离就会变长，危险性就会上升。

如果在下雨或者下雪天，路面就会变得很湿很滑，这时的刹车间隔也会变更长。

在这些情况下，都会导致刹车距离变长，如果开车的人没有意识到这些，对这些没有概念，车辆之间的距离还是和原先保持的一样，那么就会出现碰撞危险。

所以不同情况下，车与车之间的距离的保持也是有差异的。

1.2.1国家刹车距离标准

（1）对于不多于九个座位的载客车，当初速率为50km/h，不允许高于19m；

（2）对于其它车辆，例如总重量不高于4.5吨的车辆，在速度为50km/h时，不允许高于21m；

（3）汽车及列车等其他车辆，在速率为30km/h时，不容许高于9m。

1.2.2刹车距离的影响因素

（1）轮胎与地表的摩擦系数，在地表湿滑状态下，刹车距离会变长[7]。

（2）开车司机本身的反应时间是主要因素，在饮酒，或者神志不清时，反应会变迟钝，刹车距离加大，危险性增大。

（3）制动系统本身，车本身自带的刹车设备是否完善等。

（4）轮胎的使用情况等。

（5）汽车行驶的速度。

1.3几种测距方法对比

1.3.1激光测量距离（laserdistancemeasuring）

使用激光对测量物体的距离进行准确测量，即在它工作的时候向待测物体发射出来一缕很细的激光波，等光电元件接到目标物体反射回来的激光波，利用计算时间的器件来计算出激光波从发射到反射回来所用的时间差[8]。

再利用时间计算出自身到被测量物体的距离[9]。

有两种方法测算间距，一类是相位式的，还有一类脉冲式的。

1.3.2超声波测量距离（Ultrasonicmeasurementdistance）

超声波向外发射，在遇到障碍物时反射回来。

波形接收器用于计算该波从发射到反射回来所用的时间，然后来测算出距离[10]。

但超声波传播速度容易受周围环境影响，回波信号也会因为距离太远，出现衰减现象，所以超声波只适合测量近距离物体[11]。

1.3.3毫米波雷达测量距离（Millimeterwaveradarranging）

汽车在公路上行驶时，毫米波雷达就会发射调频连续被信号，对物体发射并接收回来，计算出此过程用的时间，通过电磁波速度来计算物体距离的，由频率大小求出相对速度，将距离和速度引入到危险时间函数的数字模型中[12]，就会算出危险时间，通过计算分析，来进行不同程度的报警，采取刹车等措施[13]。

但安装在汽车上的毫米波雷达仍然摆脱不了抗干扰性能弱，在汽车转弯等情况下检测会受到限制。

1.3.4视觉测量距离（Visionmeasurement）

视觉测量距离技术是在计算机视觉研究的前提下成长起来的，它是在汽车两边的两个反光镜下安装内置摄像头，将后面的盲区反馈到本车的计算机系统里，通过车载雷达来获得数据信息，进一步获得后面车辆的位置和速度[14]。

CCD摄像机的优势为体积较小，功耗低，质量相比其他型号轻，计算精确，噪声也小。

但是成本高，对外界环境的要求较高，所以这种方法在很多的场合都无法实现应用。

1.3.5红外线测量距离（Infraredrayrange）

红外线的波长比较长，我们肉眼寻不到。

对于红外、激光和超声这三种测算距离技术在理论上基本没差异，三者都是通过传递波与反射波之间的间隔差来计算周围车辆等危险物的距离[15]。

所有物体无论在什么时候都会向外发射红外线，它有明显的热效应和较强的穿透能力[16]。

红外线测量距离在技术上容易实现，成本也比较低，在倒车雷达中也有应用，但是在测距过程中响应时间过长，不能达到恶劣天气和远距离测距的汽车防撞要求。

综上所述，因为激光测量具有测量时间短，测量的距离远，测量的误差值小等特点，加上实验条件有限，所以本论文采取激光测量车距离的方法，利用激光对汽车周围的车等危险物进行测量，在小于刹车距离发生危险前进行报警并及时采取一些措施，通过利用MATLAB软件对车速和刹车距离的关系进行模拟实验，来让人们重视刹车距离，避免不必要的碰撞。

虽然也存在不足，但我相信人们对于刹车距离的重视感会更加的强，刹车设施完善的防撞技术在以后也会具有很大的市场前景。

2实验设计

2.1激光测距图

图1激光测距仪。

图（a）是原理示意图；图（b）是脉冲方框图；图（c）是特定的波形图。

利用激光发射出光脉冲波，经过光到电转换形成电脉冲，触发器会从发射波到返回来的波这段距离内产生脉冲宽度为t的定时脉冲波[17]。

从该脉冲波持续时间里由频率f=1/△T时钟脉冲填充计算数，设计数值为N，则脉冲延续时间：

t=N×△T=N/f，得D=c×t/2=N×（c/2f）=KN，在式子中，K为测量距离的单位，表示单位内计数脉冲波的被测量的距离，根据该式可求距离[17]。

由于在汽车行驶时需要不断测距离，为了使测距系统准确测出离汽车距离短的危险物，电路中应用了信号锁定的方法。

测出两车之间的距离后，再与刹车距离比较大小，然后发出警告，让司机早点做出反应。

2.2生活中处处存在的超载现象

图2生活中出现的超载现象

在我们日常生活中，超载现象随处可见，坐客车时，能挤则挤，货车运输货物时，能多装就多装，摩托车载人也是一样，这些都超过了乘载量，为了各自的利益，他们却不以为然，觉得无所谓，可是万一出了事后悔也来不及。

后面两幅图就是超载带来的恶果，轻则钱财丧失，重则家破人亡，人们并不知道是他们不了解刹车距离和车间距的重要性，继而有了这种结果。

所以要严禁超载。

2.2.1货车超载标准及相关处罚

货车超载标准[18]：

表1各类货车轴数及允许装载货物重量标准

货车车轴数

其车装载货物总重量

二轴

三轴

四轴

五轴

六轴和六轴以上

≤18t

≤25t

≤31t

≤43t

≤49t

由表1可知，货车轴数不同，所允许承载的货物重量也有差异。

国家规定，所有装载车辆不得逾越上述规定的标准，没有违规上述超载标准，但车辆质量不得高出核定车辆质量[19]。

为此，国家还制定了一些惩罚性措施，超过承载能力但不足30%的，罚款200元以下；超过承载能力大于30%，但不足50%，罚款500元以下；超过50%的承受能力不足100%的，处以1000元以下的罚款；超过100%的承受能力，罚款2000元；对触犯交通规则的旅客处以2000元罚款。

2.3MATLAB模拟

表2不同车辆在空载满载的制动力和车重的关系

机动车类别

制动力总和与整车重量的百分比

空载满载

乗用车、重量小于或等于3500kg

的汽车≥60≥50

铰链客车、汽车列车≥55≥45

其他汽车≥60≥50

如表2所示，当空载时，车辆类型不同，制动力也不同；当车辆类型相同时，在空载和满载情况下也不同。

假设乘用车、铰链客车、其他车辆在空载时的自身质量分别为m1，m2，m3。

车速为v1，v2，v3，刹车力是F，刹车距离为S。

乘用车、铰链客车、其他车辆在空载时的制动力分别为0.6m1g、0.55m2g、0.6m3g，在满载时为0.5m1g、0.45m2g、0.5m3g。

由公式FS=1/2mv2可知，

乘用车：

空载：

0.6m1gS=1/2m1v2，即0.6gS=1/2v2；

满载：

0.5gS=1/2v2;同理可得其他两者车的刹车距离和速度的关系即：

其他车辆和铰链客车：

空载：

0.55gS=1/2v2;

满载：

0.45gS=1/2v2;

可见刹车距离和自身车速有着一定的联系。

在这个项目中，用MATLAB程序绘制二维图形，它的基本绘图命令:

plot（x,y）

其中，命令中的x和y是向量，x为横坐标，y为纵坐标。

Plot命令绘制它们之间的关系图。

由MATLAB对三种车型的汽车的刹车距离和速度的关系进行模拟

用MATLAB绘制二维图形如下图所示。

其中横坐标为速度，纵坐标为刹车距离。

1.乘用车在空载下的刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=1/2.*v.*v/76.2048;

plot（S）;

图3乘用车空载时刹车距离和速度的关系

2.乘用车在满载下的刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=1/2.*v.*v/63.504;

plot（S）;

图4乘用车满载时刹车距离和速度的关系

3.铰链客车在空载下的刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=1/2.*v.*v/69.8544;

plot（S）;

图5铰链客车在空载时刹车距离和速度的关系

4.铰链客车在满载下的刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=1/2.*v.*v/57.1536;

plot（S）;

图6铰链客车在满载时刹车距离和速度的关系

5.车辆超载过程中制动间距与速度的关系

假设制动力为0.6mg，质量超载2m，3m，4m时，代入公式FS=1/2mv2，即

0.6gS=v2，0.6gS=1.5v2，0.6gS=2v2

MATLAB模拟的分别的刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=1.*v.*v/76.2048;

plot（S）;

图7超载2m时刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=1.5.*v.*v/76.2048;

plot（S）;

图8超载3m时刹车距离和速度的关系

v=0:

1:

120;

S=2.*v.*v/76.2048;

plot（S）;

图9超载为4m时刹车距离和速度的关系

3实验结果与分析

两车之间的距离不仅可以用激光手段测算出，还可以通过好多种高科技手段求算出来，在现实生活中人们对于车间距离的直观距离却缺乏安全意识。

本文利用MATLAB软件进行理论模拟，可以从定量的角度分析车辆行驶安全距离的意义。

以上理论模拟结果显示，三种不同类型车辆的刹车距离与速度关系。

由MATLAB的模拟结果图像可以得到知道：

（1）车辆的刹车距离与其当时的车速成指数关系变化，而非线性关系变化。

车辆的刹车距离和速度的平方成正比关系。

理论模拟结果表明，在20km/h速度时，车辆的刹车距离在2.5m~3m的范围内。

当车辆行驶在40km/h速度时，车辆的刹车距离在10m~12m的范围内。

当车辆行驶在80km/h的速度时，车辆的刹车距离处于30m~40m的范围内。

结果表明，在城市交通范围内，任何车辆在安全行驶速度时，都应注意保持和前方物体（车辆或行人）的安全距离，以符合当前车速，以确保行车安全[20]。

（2）在车辆行驶超过80km/h时，车辆的刹车距离通常超过50m的长度。

在100km/h的速度情况下，车辆的刹车距离在65m~75m范围。

在120km/h的速度条件下，车辆的刹车距离往往超过100m的距离。

因此，从以上理论模拟结果显示，车辆行驶在高速公路区段时，尤其需要注意安全距离，此时的人眼对于超过百米的距离直观经验往往不准确。

在此种情况下，尤其需要具有激光或雷达等高科技技术手段的测距仪器辅助驾驶员进行距离判断。

（3）满载与空载条件下，车速处在不同状态下，刹车距离也有所差异，由图像可知，例如当车辆的速度为120km/h时，空载状态下，刹车距离在100m左右，而满载状态下，刹车距离又会在120m距离左右，比较说明刹车距离与车重、速度有密切关系，质量越大，刹车距离越远，速度越快，危险性也增大。

（4）超载条件下，刹车距离也发生巨大变化，明显看出，超载状况下，曲线变得很陡峭。

当车辆行驶在80km/h速度时，超载分别为2m，3m，4m时的刹车距离大约为90m，120m，170m左右，比较说明，不同程度的超载，刹车距离也是难以想象，在这种情况下行驶的汽车，危险系数大幅度增高，所以司机要高度重视，不要超载上路。

通过结果可以看出，刹车距离和车间距的控制很重要，如果在紧急情况下能准确迅速的测出车辆之间的距离，并且通过自动算法，来实现安全智能车间距离，一些不必要事故也会减少。

我们除了关注与周围危险物的距离外，如果防撞系统中有一些性能高的刹车装置，也可以减少死亡的降临。

提高制动技术，改善安装在汽车中制动器成为发展防撞技术的一个重要考虑因素。

结论

由上述实验结果与分析得知，不同类型车辆在不同状态下的刹车距离与速度成指数关系变化，特殊情况下借助精准的测距仪器也很重要。

在车速允许的正常范围内，空载状态下有一定的刹车距离，刹车时间也挺充分，但也要注意保持与前方车辆或者行人的距离，以保证行驶安全。

如果前车减速，不要以为与前车的距离还远，就不用采取措施，等发现危险时再刹车就会来不及。

如果汽车处于满载状况时，刹车距离会比空载时的长，在这种情况下，为确保行驶安全，在保持车间距离的同时，更要以较低的速度行驶。

当汽车处于超载行驶时，尤其要注意安全，这时的刹车距离就会变得很远，人的肉眼无法目测与前方车辆保持的安全距离应为多远，这种情况下开车的危险性系数就会大幅度升高。

所以司机应该秉持的原则是：

保持车速正常，时刻注意车距，禁止超载上路等。

倘若每辆车上都配有精准的测距仪器和性能良好的刹车设备，这种危险性也会降低。

总之，无论车速如何，是否装载，都要注意周围环境，确保自己处于安全范围内。

参考文献

[1]吴闯,张雄,卢亚玲.车辆安全距离智能控制与自刹车系统[J].电子设计工程,2013.04.

[2]徐永智,尤向阳.磁场减摩减磨技术应用于刹车装置的可行性分析[J].安阳工学院学报,2010.08.

[3]杨炜,巩建强,魏朗.融合道路图像关键信息的车距视觉测量方法[J].计算机工程与应用,2015.12.

[4]李强.基于MATLAB的数字信号处理实验仿真系统的实现.实验技术与管理,2006.06.

[5]李辉.基于Black-Scholes模型的期权资产—价格的实时分析.2005.11.

[6]王文超.基于凯恩方法的麦弗逊悬架转向系统性能分析及优化研究[D].河北工业大学,2014.03.

[7]马琳.您爱车的刹车油更换了吗？

[J].驾驶园,2013,76-77.

[8]陈成.浅谈激光测距仪在起重机检验中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊）,2010.09.

[9]陈成.浅谈激光测距仪在起重机检验中的应用[J].中小企业管理与科技（下旬刊）,2010.09.

[10]姚旺.基于AT89S52单片机的超声波测距仪设计[J].中国科技纵横,2015,（7）:

70.

[11]李戈,孟祥杰.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学,2011.07.

[12]唐阳山,杨培菲,邱瑞,徐晓峰.基于AT89S52汽车倒车防撞预警系统的设计[J].辽宁工业大学学报（自然科学版）,2013.12.

[13]段斌.汽车自动防撞系统的研究[D].武汉理工大学,2007.04.

[14]舒新炜,杨波.基于双目立体视觉的低频振动测量[J].光学仪器,2016

（2）:

P95—P99,105.

[15]李伟.基于车载主动安全的交通预警研究[D].吉林大学,2015.05.

[16]冯聃.高速公路汽车防撞雷达信道的分析[D].重庆大学,2003.11.

[17]吕立波.激光测距技术在汽车防撞领域中的应用[J].警察技术,2005.03.

[18]6轴车不超49吨新疆榆树沟统一治超标准_中国卡车网.

[19]朱崧.治超的五大尴尬.中国公路,2009.