主动安全技术与报警提示的设计应用Word格式文档下载.docx

主动安全技术与报警提示的设计应用Word格式文档下载.docx

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指导教师：

重庆邮电大学教务处

一、设计任务书

设计题目

设计任务：

关于主动安全技术与报警提示的简单设计应用

设计要求：

简单的设计方法与设计流程，可在网上查阅相关资料，设计重点放在1、不良的调查设计方向及方案改进。

2、工程问题分析，例如从环境，人文，经济等各个方面，内容4-5页即可

课程对培养目标的支撑：

能够具备仪器仪表及测控系统的实际生产、销售、管理和维护的产品工程技能；

能够针对智能检测、测控系统、质量标准等工程需求，完成工程设计、分析与评价。

指导教师（签字）

三、设计说明书

摘要

高速公路的加速建设和汽车保有量的快速增长，促进了我国交通运输业的飞速发展，同时也引发了大量的交通事故，造成可观的人员伤亡和巨大的经济损失。

因此在汽车非常普及的今天，如何应用高技术手段，秉承“科技创安，公共安全”理念，在汽车上采取防范交通事故的安全预警技术措施，有效减少交通事故的发生，就显得非常重要。

目前汽车主动安全预警系统的研究引起了国内外的高度重视。

综合分析大量的交通事故可知，事故类型主要有追尾碰撞、刮擦、翻坠、爆胎等，而追尾和爆胎引发的交通事故占总交通事故的85％，因此论文研究胎压检测预警和防追尾碰撞预警具有重要意义。

关键词：

主动安全，胎压检测，报警

1设计说明

通过查找得出以下结论：

如果驾驶员能够提前0．5S感觉到危险并且能及时采取预防措施，大约30％的正面碰撞事故、50％的与路面状况相关的事故和60％的追尾事故可以避免发生；

如果驾驶员能够提前ls感觉到危险并且能及时采取预防措施，大约40％的正面碰撞事故、60％的与路面状况相关的事故和70％的追尾事故可以避免发生。

事故避免率和驾驶员提前感知危险并做出预防措施。

1.1设计概述

汽车主动安全预警系统主要功能是轮胎参数监视预警和高速公路防追尾碰撞预警。

轮胎充气压力和温度监视预警功能主要是胎压监测模块准确测量轮胎压力和温度，并通过无线射频的方式上传到中央信息处理系统，中央信息处理系统对测得轮胎参数进行分析和显示，当参数值在设定的安全阈值以外时中央信息处理系统发出报警信号；

高速公路防追尾碰撞预警功能是通过车与车之间的速度、加速度、航向、地理位置等共享信息，判断自车在当前行车环境下是否存在追尾的潜在危险，当有危险时发出警报提示驾驶员集中注意力，采取相应的措施避开追尾事故。

总之，主动安全预警系统最大限度增加了驾驶员的感知范围，为安全行车提供有力的保障。

1.2原理分析

系统主要实现了汽车主动安全的两个方面功能：

胎压检测和报警；

高速公路防追尾碰撞报警。

下面将从这两个方面分别介绍系统的工作原理。

（1）胎压检测和报警轮胎检测模块周期性唤醒测量轮胎径向的加速度值，当加速度的值超过设定值时，模块的压力、温度和电压传感器工作，模块微处理器将这些参数按照一定的格式组成数据帧通过射频模块发送给胎压接收模块，否则轮胎检测模块进入最低功耗模式。

中央处理器将胎压接收模块接收到的数据与驾驶员设定的值进行比较，如果测量值在正常范围内则直接显示在屏幕上，若果不在正常范围内，则发出报警信息。

（2）防追尾碰撞报警中央处理器接收GPS模块和加速度传感器模块发送的汽车行驶状态信息，并对其分析解算，获得本车的速度、加速度、运行方向、当前测量值的时刻和换道意图等信息，这些信息通过ZigBee无线传输模块发送给有效通信距离内的所有车辆，同时本车也通过ZigBee无线传输模块接收来自它车的上述信息。

中中央处理器对比分析本车数据和他车数据，获得两车的相对距离、相对速度和相对车道位置等数据；

中央处理器根据两车的数据信息解算动力学数学模型，计算出两车的安全距离。

通过模型计算出的安全距离与实际相对距离比较，当实际相对距离小于设定的安全距离时，系统发出报警提示。

防追尾报警有两种报警级别：

一种是预警安全距离报警；

另一种是最小安全距离报警。

预警安全距离报警是本车处于潜在追尾危险，提示驾驶员必须集中注意力保持警惕，此时驾驶员有充足的反应时间做出应对措施阻止追尾事故的发生。

最小安全距离报警是本车与前车的实际距离已经小于最小安全距离，这种情况下车辆存在追尾的危险，驾驶员必须立即制动车辆。

1.3总体方案论证及可行性分析（含技术与非技术因素分析）

由于国外的汽车工业发展比较早，并且人们有很强的汽车安全意识，因此汽车的轮胎胎压检测和防撞防追尾预警概念首先在国外提出，并且很多科研单位提出了解决方案。

国内在这方面的研究起步较晚，但是随着我国汽车工业的迅速发展，我国许多汽车公司和科研单位进行了大量的研究，也取得了辉煌的成就。

国内对胎压监测系统的研究较晚，目前主要是对传感器芯片的研制和新测试技术的研发，现在已经取得了显著的成果，比如：

吉利汽车公司推出的爆胎监测与安全控制系统（Blow．outMonitoringandBrakesystem,BMBS），上海交通大学、深圳大学和哈尔滨工业大学等高校研究基于声面波的无源胎压监测系统。

1.4系统设计

为了能够满足系统的设计目标和达到设计要求，从硬件结构上可以将系统分为两部分：

胎压监测模块和中央信息处理系统；

从功能结构上可以将系统分为：

胎压监测模块、胎压接收模块、GPS模块、加速度模块、ZigBee无线传传输模块、中央处理器、交互模块和电源模块，

（1）胎压监测模块，安装在汽车轮胎内部的轮毂上面，监测轮胎内部的压力、轮胎温度、轮胎径向的向心加速度和模块的电池电量，然后将检测到参数发送到模块内部的射频模块，最后无线发送到中央信息处理系统；

（2）胎压接收模块，主要接收和解调胎压监测模块发送的射频信号，首先将模拟信号转换成数字信号存储在芯片内部的存储器中，然后通过内部中断和SPI接口发送给中央处理器：

（3）GPS模块，用来测量车辆的行驶速度、行驶方向、车辆的位置信息和提供同步时钟，与传统的距离测量装置和速度测量装置相比体积更小成本更低，测量过程受外界环境的影响更小。

GPS模块具有授时功能，为系统组网后提供了同步时钟参考。

（4）加速度模块，测量汽车在三个坐标轴方向的加速度值，为中央处理器提供判断车辆是否变换车道和运行状态的依据。

（5）ZigBee无线传传输模块，选用TI公司的无线单片机CC2530作为模块的核心元件，利用1rI公司提供的半开源协议栈完成车与车的组网，形成一个相互通信的有机体，实现了车与车之间速度、加速度、位置、运行方向等信息的共享，为系统解算防追尾碰撞数学模型提供数据。

（6）中央处理器，是系统的运算核心，所有测量参数都要经过中央处理器的分析运算融合。

处理器选用意法半导体公司的STM32F103ZET，该处理器是基于Con白x-M3内核的共性能处理器，并且意法半导体公司为该处理器的所有外设编写了函数库，应用开发方便快捷。

（7）交互模块，包括LCD信息显示模块和系统参数输入模块。

交互模块是驾驶员与系统进行信息交流的唯一途径，LCD信息显示模块显示汽车运行过程中的轮胎参数、行车环境信息和报警信息；

参数输入模块为驾驶员提供人性化服务，驾驶员根据驾驶习惯设定系统的灵敏度，声报警模块提示驾驶员车辆已经处于危险环境中应该立即采取补救措施。

（8）电源模块，为中央信息处理系统提供电压稳定的电源，保证系统正常工作。

1.5系统实现

低功耗技术主要应用于系统的胎压检测模块。

目前，几乎所有的有源直接式胎压检测的寿命均受到模块中锂电池电量的限制，因而只有有效降低模块的功耗才能增加系统的寿命。

在胎压检测模块的硬件和软件设计过程中均使用了低功耗技术：

减少模块中元器件数量；

禁止芯片未用引脚的浮空，均连接到地以降低功耗；

减少数据发送次数，减少数据帧长度；

降低正常工作时间。

zigBee无线通信技术，ZigBee无线通信技术是物联网关键技术，主要用来收集物联网应用中传感器数据即传感器网络。

系统中应用ZigBee技术主要用来实现车车之间的通信，实现车车行驶状态信息的共享，为计算安全距离和防追尾碰撞预警提供数据支持。

距离测量技术，系统不再使用激光、雷达、机器视觉等传统的测距方式，而是通过GPS定位获得车辆的地理位置，然后中央信息处理系统对比两位置的经纬度值计算出车辆的间距。

使用GPS技术有效减少了传感器的使用数量，同时GPS模块的硬件成本远远低于传统距离测量装置。

防追尾碰撞安全距离模型，安全距离模型的建立方式直接决定系统预警的准确程度。

论文中采用系统动力学理论建立汽车的制动距离模型，然后根据制动距离模型建立了汽车安全距离模型。

系统通过车道识别技术和车辆换道识别技术修正了系统的安全距离模型，系统能够自动识别汽车是否处于同车道和是否换道，有效减少了系统的虚警次数。

1.6结果与分析

目前，论文只是提供一种思想，如果系统大量应用到高速公路上还需要进一步完善，分析系统的几个不足之处：

（1）系统的防追尾碰撞数学模型考虑的因素不够全面，没有考虑到实际超车、进入高速匝道、高速公路车道合并分离和高速公路交错等情况，因此系统的模型还需要实现更加多种模型的建立和融合。

（2）系统只实现了预警功能，不能辅助驾驶员完成驾驶动作，因此还需要在系统的基础上添加制动车辆的控制硬件、加速控制硬件和汽车车灯控制硬件等。

添加了以上硬件后，才可以防止驾驶员的误操作，进一步降低交通事故发生的概率。

（3）系统中根据测量横向距离只能判定两车是否在同一车道上，无法判定汽车是否跨线行驶，所以应该在系统设计的基础上添加车道识别

2设计总结

论文设计的汽车主动安全预警系统融合了胎压检测和防追尾碰撞两个预警功能，不再是为每一个功能单独设计一个系统，节省了硬件资源，大大降低了系统的成本和系统复杂程度。

特别是防追尾碰撞预警功能的设计从根本上摆脱传统的测距方法，使用新兴的无线通信技术获得行车参数，有设计新意。

论文的主要研究成果有以下几个方面：

（1）针对胎压检测模块的电池电量有限造成模块寿命短的问题，在胎压检测模块的软件和硬件两方面提出了低功耗设计。

在硬件上为降低功耗，不再设计外部低频唤醒信号接收天线；

在软件上分别从降低MCU时钟频率、减少正常模式工作时间、缩减无线发射数据长度和减少数据帧发送次数等方面降低功耗。

（2）比较多种安全模型后，得出基于系统动力学方法建立的汽车防追尾碰撞模型最能真实的反应实际驾车过程。

根据系统动力学方法建立了汽车的制动数学模型并且有针对性的简化了模型，然后根据简化的制动模型得出了系统的两级预警距离。

论文还就汽车换道对安全距离的影响进行了修正。

（3）通过分析对比物联网关键技术中的多种无线通信技术，最后选择ZigBee技术实现车与车的无线通信。

基于德州仪器公司的Z-Stack实现车与车的组网，在此基础上实现车与车之间速度、加速度、航向、定位坐标和换道信息的共享。

（4）对比多种常用的车辆测距方式的优缺点，最后选择GPS间接测量两车的距离。

（5）对胎压检测模块的天线设计进行了综合分析，得出单极非闭合环形PCB印制天线最适合检测模块。

（6）完成了汽车主动安全预警系统的软件和硬件设计。

对系统中涉及的数字通信总线编写了相应的驱动，规划了ZigBee无线通信数据帧的有效数据载荷的结构。