汽车车辆安全行驶速度智能控制系统的设计和实现本科生毕业论文.docx
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汽车车辆安全行驶速度智能控制系统的设计和实现本科生毕业论文
汽车车辆安全行驶速度智能控制
系统的设计和实现
摘要：
汽车车辆的安全行驶关系着整个交通业的可持续发展。
在汽车行驶过程中，车速过快是造成事故发生的主要因素。
在高速公路上行驶时，存在由于对行车视距判断不准确而导致的交通事故。
如果能够对车辆行驶的安全速度进行智能化的检测，并且根据检测结果对车速进行实时控制，则能够极大的提高汽车车辆的安全系数，减少事故发生。
传统的安全限速只是基于高速公路的道路设计速度，不能根据不同天气条件对车辆安全行驶速度做出实时性的智能判断。
本文基于不同天气条件下车辆行驶路段的能见度，对车辆的安全行驶速度进行自动检测和计算，并通过总线技术将结果传至车辆控制中心，与汽车实时速度进行比较，然后根据判断结果提示驾驶员车辆的安全状态，如果提示没有引起注意，就自动的控制汽车的油路，达到对车辆的安全行驶进行智能控制。
关键字:
安全行驶速度；行车视距；智能控制
Designandimplementationofintelligentcontrolsystemforautomotivevehiclesafetyspeed
Abstract:
Safedrivingofmotorvehiclesrelatedtothesustainabledevelopmentofthewholetransportindustry.Theexcessivespeedisthemajorfactoroftrafficaccidents.Onthehighway,thereisaresultoftrafficaccidentsduetoinaccuratejudgmentonthesightdistance.Ifwecanintellectivelydetectthesafetyspeedofthevehicle,controlthespeedofvehiclereal-timebasedontheresults,thiscangreatlyimprovetheautomotivevehiclesafetyandreducetheaccident.
Thetraditionalsafespeedlimitisonlybasedonroaddesignspeedofhighway,notthespeedunderdifferentweatherconditionsanditresulttocannotmakereal-timeintelligentjudgment.Thispaperisbasedonvisibilityofpresenttrafficsectionsunderdifferentweatherconditions,automaticallydetectandcalculatethevehicle’ssafespeed.Transmittheresultstothevehiclecontrolcenterviabustechnology,andcomparetothereal-timespeedofthecar,andthenpromptthedriverbaseontheresultsthesecuritystatusofthevehicle.Ifthepromptdoesnotattractattention,thesystemwillautomaticallycontrolofthecar'soilsupply.Lastly,thiscangetthepurposeofintelligentlycontrolthesafedrivingofthevehicle.
Keyword:
safedrivingspeed;sightdistance;intelligentcontrol
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原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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作者签名：
日 期：
第一章绪论
1.1道路交通安全现状
随着经济社会的发展，汽车越来越成为人们生活中必不可少的工具。
随着汽车保有量大幅增加，由此引发的各种问题也越来越凸现。
道路拥挤、能源消耗、噪声污染、空气污染和交通安全等严重制约着经济社会的可持续发展。
同时，交通事故给人们的生命财产安全带来了极大的威胁。
中国是世界上交通事故死亡人数最多的国家，中国每年发生交通事故20万起，因交通事故死亡人数均超过6万人。
表1-1列出了我国2010年、2011年涉及人员伤亡的交通事故次数以及由此带来的直接经济损失[1]。
表1-12010年、2011年交通事故统计
年份
次数
死亡人数
受伤人数
财产损失
2010
219521
65225
254075
9.3亿
2011
210812
62387
249673
9.4亿
合计
430333
127612
503748
18.7亿
2010年，全国共接报道路交通事故3906164起，同比上升35.9%。
其中，涉及人员伤亡的道路交通事故219521起，造成65225人死亡、254075人受伤，直接财产损失9.3亿。
与2009年相比，事故起数减少18839起，下降7.9%；死亡人数减少2534人，下降3.7%；受伤人数减少21050人，下降7.7%；直接财产损失增加1196.7万元，上升1.3%。
发生一次死亡3人以上道路交通事故1244起，同比减少32起，发生一次死亡5人以上道路交通事故269起，同比增加8起；发生一次死亡10人以上特大道路交通事故34起，同比增加10起。
适用简易程序处理的道路交通事故3686652起，与去年相比，增加1050895起，上升39.9%。
2011年全国的道路交通安全总体形势总体平稳。
全国涉及人员伤亡的道路交通事故210812起，共造成62387人死亡，事故起数、死亡人数同比分别下降4%和4.4%，从大的数字上来看是相对平稳的。
但是，也有一些比较明显的特点，从肇事车辆的使用性质看，生产经营性道路交通事故总数有些下降，一般货运车辆事故还是比较突出，占整个生产经营性事故的71.8%。
从事故原因看，超速行驶、酒后驾驶、疲劳驾驶仍然是导致交通事故多发的主要的原因。
特别是超速行驶导致的事故死亡人数占全部死亡人数的14.2%，这个比例还是相当高的。
从事故发生的地点、道路情况看，高速公路的事故仍然呈上升的趋势。
1.2安全行驶及其影响因素
1.2.1安全行驶速度的定义
安全行驶速度，是在驾驶员特征、车辆性能、道路特征、交通流特征、天气条件以及时段等众多复杂因素的共同影响下，通过设定各种因素对行驶速度的影响系数而进行计算，得到的一个车辆在安全行驶状态下不能超越的速度。
1.2.2影响安全行驶的主要因素
1、驾驶员因素
交通事故是道路交通系统中，由于人、车、路、环境等因素配合失调而引起的突发事件。
驾驶员是车辆安全行驶的掌控者。
在汽车行驶过程中，驾驶员扮演着最重要的角色。
在各类交通事故的原因统计中，驾驶员的因素占据着很大的比重。
具体分析，可以从三个方面总结驾驶员对安全行驶速度的影响：
第一，驾龄的影响。
根据经验，驾龄越长，驾驶员对车辆的掌控能力就越强，发生紧急情况时驾驶员的反应也就越及时，因此事故发生的概率也就越小。
第二，车速对驾驶员视力的影响。
根据研究表明，车辆行驶速度升高，驾驶员的视力会随着下降。
并且速度越高，视力下降的程度越严重。
第三，车速对驾驶员视野的影响。
当车速提高的时候，驾驶员必须要提前看到远方的交通情况，视野自然变窄，事故发生的可能性也就增加[2]。
2、车辆因素
车辆是行驶过程的客体。
所有驾驶员的操作都必须有效的作用于车辆才能产生控制作用。
不同车辆的配置参数不同，具体表现在汽车的制动性、转向性、操控性及稳定性等多种性格参数的差异。
第一，汽车制动系统是汽车安全行驶的核心部件之一。
制动距离是指驾驶员开始踩制动踏板到汽车完全停止所经过的距离。
制动距离会受到很多因素的影响，如汽车的行驶速度，路面附着系数等。
根据统计，汽车由于刹车失灵或制动不足而使制动距离延长、侧滑、跑偏而引起的事故占交通事故总数的15%。
第二，汽车转向系统是关系操控性的关键部件。
若转向系统发生偏差或者不灵敏，在汽车高速行驶的时候，如果车辆需要转向，则此时离心力很大，容易发生车辆偏离行驶轨迹，造车翻车等交通事故。
3、道路因素
道路是汽车行驶的载体。
道路条件包括很多的方面，诸如道路等级、线性特征、路面状况、交通工程及沿线交通设施等。
我国的公路根据使用任务、功能及适应的交通量的不同，划分为五个等级：
高速公路，一级公路，二级公路，三级公路，四级公路。
不同等级的公路最高限速也不一样，例如，高速公路限速120Km/h。
另一方面，在驾驶汽车行驶时，应根据实时道路条件选择车速，比如道路的平直、弯曲，路面的起伏，道路的宽度，坡度等各种因素都会影响车速[3]。
4、环境因素
环境因素包括自然环境和人工环境。
自然环境包括天气条件，地理条件等。
人工环境主要是指人流量和车流量。
我国每年因天气条件恶劣而导致的交通事故很多，当出现雨雪天气时，能见度降低，而轮胎对地面的附着力也减小，这时就应该减速慢行，使汽车的稳定性保持在一个可控的范围。
地理条件也是影响车速的重要因素，由于某些路段地势险恶，在不清楚前方道路的情况下，应减慢车速，增加驾驶员对于道路情况判断的准确性。
另一方面，在城市交通系统中，由于城市是人流量和车流量很集中的地方，在城市道路行驶时，应该减速避让人流、车流，遇到紧急情况提前采取措施。
1.3本文研究的主要内容
本设计为典型测控系统，由于汽车应用的实际环境，检测部分与控制部分分离，所以本设计采取上位机与下位机分别实现控制、检测任务的方法，然后通过汽车电子技术中通用的总线技术CAN总线进行通讯，达到测控系统条理分明，功能模块化的目的。
通过下位机系统实现对安全行驶速度和汽车实时速度的检测，通过CAN总线通信，将下位机数据传送至上位机系统，实现上位机对下位机传输数据的显示，及根据两路速度信号判断汽车安全状态，并做出相应的控制。
具体的设计内容如下：
1、安全行驶速度检测
通过检测红外透射的衰减度，实现对能见度的确定，行车视距大小的判断。
并据此做出在当前能见度条件下，汽车车辆安全行驶的最高限速值。
2、实时速度检测
使用霍尔传感器A3144对实时车速进行检测。
3、CAN总线通信系统
采用带有SPI接口的独立CAN控制器MCP2515以及总线收发器TJA1050T，实现上位机与下位机之间的通信。
因为采用汽车通用的总线技术，便于实现功能节点的扩展。
4、监测显示
上位机系统采用LCD1602对速度信号进行显示，实现了比较友好的人际交互界面。
5、警示及控制输出
在车辆实时速度高于安全行驶速度时，汽车自动发出声光警示信号。
在警示没有引起重视时，通过步进电机精准的控制汽车油门的开度，实现在不安全状态下汽车自动降速的功能。
第二章安全行驶速度智能控制系统总体设计
2.1功能概述
本设计使用AT89S52单片机、ADC0832、MCP2515、TJA1050T等芯片，检测当前环境条件下的安全行驶速度和实时的汽车车辆自身速度，并以此判断汽车安全状态，并根据判断结果进行相应控制。
整个系统由两大子系统构成，负责完成不同的功能，并且子系统所处位置不同，因此要单独设计。
下位机实现的功能包括两路速度信号的检测、数码管动态显示速度信号、数据上传。
上位机主要由单片机、LCD显示电路、步进电机控制电路组成，完成相关的控制及显示功能。
2.1.1下位机系统功能
1、速度检测
下位机系统能够实现对根据当前环境条件、天气条件等共同影响下的能见度检测，并且检测的方法不能影响汽车的正常行驶及驾驶员对汽车的操作。
的高速公路的设计限速值为120Km/h，在能见度超过200m的时候，系统输出的安全行驶速度为设计速度。
在能见度低于10m的时候，系统输出停止信号，即能见度太低，车辆不能安全行驶。
另一方面，系统要能够快速检测出汽车车辆的实时行驶速度。
2、速度信号显示
下位机系统能够实时显示两种速度的值。
显示时，仅显示整数部分。
3、数据上传
能够定时上传下位机系统检测到的两路速度信号值。
2.1.2上位机系统功能
1、数据收集
上位机能够实时收集从下位机传来的速度值，并判断和显示。
2、速度显示
上位机能够直观的显示两种速度值，并能方便的被驾驶员读取，为驾驶员的驾驶提供辅助。
3、警示及控制
上位机能够根据对被控对象进行安全性判断，根据判断结果进行智能性控制。
如果行驶的速度不在安全的范围内则以声光信号警示驾驶员，在警示没有引起重视的情况下对车辆的供油系统发出指令控制供油，以降低行驶的速度。
2.2下位机系统总体设计
根据下位机系统的功能，下位机可划分为速度信号采集模块、显示模块、电源模块、通信模块和单片机模块。
下位机系统模块图如图2-1所示。
图2-1下位机系统模块图
速度采集模块分别实现对安全行驶速度和实时行驶速度的检测。
对于安全行驶速度的检测，目前比较常用的检测能见度的方法有激光透射法、散射法、视频法。
由于在汽车上使用，激光在夜晚会影响汽车驾驶员的视线，而且汽车在行驶过程中所处环境复杂多变，激光容易受到如可见光等诸多外界环境条件的干扰。
再者，激光本身的使用技术，如激光对准技术也很复杂，激光应用的成本也较高。
另外，采用视频法，用摄像头代替人的眼睛，采用视频图像处理技术分辨实时条件下的能见度，这种方法技术难度大，目前没有现成的模型，且经过图像处理技术处理后得到的能见度值也缺乏实时性。
综上所述，本设计采用红外线检测，这种不可见光不论是白天或者夜晚都不会影响驾驶员的驾驶，并且受到外界的干扰小，且成本很低。
用红外发射管发射红外线，并用配套波长的红外接收管接收。
红外线在空气中传输，经过不同能见度条件下空气中微粒对红外线的吸收、折射，使得红外线在固定距离的衰减随能见度不同而发生变化，红外接收管接收的红外线强度也就随之变化，再在红外接收管端加上适当的信号调理电路，使得能见度信号转换为电信号，并经过模数转换为单片机采集。
对于实时速度的检测，目前成熟的测量转速的方法很多，有光电计数，霍尔传感器等。
本设计考虑到测量车轮的实际转速，采用光电计数脉冲，需要相对安装发射端和接收端，使得在车轮运转时，将转速信号转化为不同频率的脉冲信号。
此种方法在车轮两侧在安装检测装置时会带来极大的不便，且装置会影响汽车的外部美观。
因此，采用霍尔传感器，在车毂上安装一块磁铁，在车轮运转时，同一个地方的磁场随之强弱变化。
同时，在汽车的车轮上方安装A3144检测器件，A3144能够根据磁场强弱快慢输出不同频率的脉冲信号，通过单片机计数器对固定时间内脉冲个数计数，并通过程序处理，得到实时行驶速度。
速度值在0~120km/h之间，且只显示整数部分，因此使用两个四位LED数码管显示器，采用动态显示方法。
汽车电子电路中通用的电压值是12V直流。
因此，为了使本设计最大的符合实际的使用环境，便于汽车集成及扩展，所以电源模块采用三端稳压集成电路芯片7805，将12V直流转换为控制系统使用的5V直流电源。
通信模块采用CAN总线通信。
考虑到CAN总线是汽车电子中使用最广泛的现场总线，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力在实际应用中受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。
为了更好的与实用汽车电子系统相兼容，本设计采用带有SPI接口的MCP2515CAN总线控制器及TJA1050T总线收发器，构成实用的CAN总线通信系统，定时向总线发送速度信号值。
单片机模块采集速度值并驱动数码管显示；通过SPI接口向总线发送数据，因此采用AT89S52单片机[4]。
2.3上位机系统总体设计
根据上位机系统的功能，上位机可划分声光警示信号模块、LCD显示模块、电源模块、通信模块、步进电机控制模块和单片机模块。
上位机系统模块图如图2-2所示。
显示模块采用LCD1602显示器显示实时速度信号，1602是一种专门用来显示字
图2-2上位机系统模块图
母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
功能实用且成本较低，显示的数据信息能方便的为驾驶员读取。
警示信号采用声光形式，在行驶速度超过安全速度时，利用红色LED引起驾驶员的高度重视，同时以警示声音提示驾驶员。
在提示没有引起驾驶员重视的情况下，采用步进电机准确控制汽车节气门，达到控制汽车油路的目的，从而达到减速。
步进电机可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而准确定位，在行驶速度超过安全速度时准确地将油路控制在合适的位置；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，使电机调速的，以达到在行驶速度远超过安全速度时快速反应，降低速度。
通信模块采用CAN总线通信，同下位机设计。
电源模块设计思路同下位机。
单片机模块仍采用AT89S52单片机。
2.4本章小结
本章具体分析了系统的功能要求，并根据功能要求做出了相应的设计。
将下位机的功能要求具体分解为电源、速度信号采集、单片机控制、数码管显示、通信五个功能模块，设计实现采集数据并显示、传输的功能。
同时，将上位机的功能要求具体分解为电源、通信、单片机控制、LCD显示、声光提示、步进电机控制六个功能模块，设计实现接收数据并显示，判断车辆安全状态并根据结果发出相应控制信号的功能。
第三章硬件电路设计
3.1主要器件
本节介绍系统中主要器件及其功能。
包括带有SPI接口的CAN总线控制器MCP2515及总线收发器TJA1050T、红外对管、霍尔传感器A3144、步进电机、LCD1602、三端稳压集成电路芯片7805、数码管、AT89S52单片机。
3.1.1带有SPI接口的独立CAN总线控制器MCP2515
1、CAN总线技术简介
CAN（ControllerAreaNetwork）是控制器局域网的简称，是德国Bosch公司在1986年为解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。
CAN总线与其他现场总线技术相比，具有以下主要特点：
（1）CAN总线上任一个节点均可在任意时刻主动地向其他接节点发起通信，节点不分主次，通信方式灵活。
各节点信息，按照对实时性要求的紧急程度，分为不同的优先级。
（2）CAN采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。
同时，CAN无需通过豹纹滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传输数据。
（3）CAN的直接通信距离最远可达10km（速度5Kb/s以下）；通信速率最高可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m）。
CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达到110个。
（4）CAN具有良好的检错效果。
并且设有出错检测、标定和自检措施。
数据出错率低。
（5）传输介质选择灵活，可以为双绞线、同轴电缆或光纤。
（6）CAN器件可被置于无内部活动的睡眠方式，以降低系统功耗。
CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的运行不受影响。
参照ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层和物理层。
而数据链路层又包括逻辑链路控制子层LLC（LogicLinkControl）和媒体访问控制子层MAC（MediumAccessControl）。
CAN总线上信号的位电平如图3-1所示。
图中CANH和CANL分别作为总线传输介质的两条线。
VCANH和VCANL分别表示CANH和CANL上的电压。
CAN总线上的电压就是它们的差分电压。
图3-1CAN总线上的电平信号
2、CAN总线控制器MCP2515
（1）CAN系统模型
本设计使用独立CAN控制器MCP2515，系统整体的模拟图如图3-2所示。
图3-2MCP2515控制器应用系统
（2）MCP2515特性
MCP2515完全支持CAN总线V2.0A和V2.0B技术规范，提供0~8字节报文长度；允许标准和扩展数据帧，支持远程帧；具有两个接收缓冲器，优先存储报文；六个完全验滤波器，两个完全验收屏蔽滤波器，三个发送缓冲器，具有优先级设定以及发送中止功能。
MCP2515硬件特性包括：
高速SPI接口；单触发模式确保报文发送只尝试一次；带有可编程预分频器的时钟输出引脚；可用起始帧信号（Start-of-Frame，SOF），用于监控SOF信号；带有可选使能设定的中断输出引脚；
另外，MCP2515还具有低功耗CMOS技术。
工作电压范围2.7V至5.5V，典型工作电流为5mA，典型待机电流为1µA（休眠模式）。
工业级的工作温度范围为-40°C至+85°C，扩展级为-40°C至+125°C。
（3）MCP2515引脚特性、内部缓冲器及协议引擎
MCP2515提供18脚封装，引脚图如图3-3所示。
图3-3MCP2515引脚图
引脚功能如表3-1所示。
表3-1MCP2515引脚功能表
名称
引脚号
I/O/P
类型
说明
备选引脚功能
TXCAN
1
O
连接到CAN总线
的发送输出引脚
名称
引脚号
I/O/P
类型
说明
备选引脚功能
RXCAN
2
I
连接到CAN总线
的发送输入引脚
CLKOUT
3
O
带可编程预分频器
的时钟输出引脚
起始帧信号
TX0RTS
4
I
发送缓冲器TXB0请求发送引脚或通用数字输入引脚。
VDD上连100kΩ内部上拉电阻
通用数字输入引脚。
VDD上连100KΩ内部上拉电阻
TX1RTS
5
I
发送缓冲器TXB1请求发送引脚或通用数字输入引脚。
VDD上连100kΩ内部上拉电阻
通用数字输入脚。
VDD上连100KΩ内部上拉电阻
TX2RTS
6
I
发送缓冲器TXB2请求发送引脚或通用数字输入引脚。
VDD上连100kΩ内部上拉电阻
通用数字输入脚。
VDD上连100KΩ内部上拉电阻
OSC2
7
O
振荡器输出
OSC1
8
I
振荡器输入
外部时钟输入引脚
VSS
9
P
逻辑和I/O引
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