被动式汽车追尾预警避撞方法及装置

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技术领域\n本发明涉及机动车避撞技术领域，特别涉及被动式汽车追尾预警避撞技 术，具体为一种被动式汽车追尾预警避撞方法及装置。\n背景技术\n汽车追尾碰撞预警及避撞技术是机动车安全技术领域内重要的课题和 难题，追尾碰撞的主要原因有：1)两车之间安全车距保持不足；2)能见度 低的雨、雾、雪行车环境；3)爆胎、断轴等突发事故；4)抛锚于道路之中 或紧急停靠于路侧的车辆示警信号不清晰。\n在原因之1)、2)、3)中，重要因素是驾驶员的制动反应时间导致其作 出行车制动或其他应急措施滞后，由于人的生理局限，速度60Km/h时制动 反应时间为1秒左右，120Km/h时则超过2秒，因制动反应时间而延误制动 的后果是令人震惊的，驾驶员在20～60米的距离内无法制动，可能避免的 追尾碰撞最终酿成事故。\n现有技术的主要研究方向是以车载距离探测技术为基本技术支持的“主 动式车距探测追尾碰撞报警/避免系统”，本车以超声波、红外线、激光、微 波多普勒、视频成像系统等技术，对本车前方一定距离范围内的物体(运动 和静止的物体)进行探测，计算其相对距离、速度并判别追尾碰撞危险程度， 启动本车预警系统或自动减速系统，预防和避免追尾碰撞的发生。现有技术 尚存在扫描测距死角、信号盲区和系统复杂、可靠性有待提高和成本高昂等 问题。\n发明内容\n本发明提供一种被动式汽车追尾预警避撞方法及装置，用以克服现有技 术中的由本车车载传感器主动探测它车而实现防撞的技术缺陷，通过以被动 接受它车发出的预警避撞信息来实现防撞的目的。本发明的方法(技术方案) 为：\n对本车行车数据进行监测采样，并根据监测采样的本车行车数据生成防 撞信息，将防撞信息按照预定程序条件通过无线发射，防止它车追尾碰撞；\n接收它车发射的防撞信息，并根据该防撞信息与本车相关行车数据进行 比较判别，调整控制本车行车状态，以防止本车与发射防撞信息的它车追尾 碰撞。\n行车数据包括本车速度数据、行进方向数据、碰撞或制动负加速度数据、 制动压力数据、本车紧急停靠路侧数据、本车抛锚于道路中数据、本车行驶 在低能见度环境道路数据、本车请求超车数据等。\n本发明技术方案的无线收发频率在微波(300MHz以上)范围内，信号 收发按照同频分时收发、接收优先的预定程序进行，且采用全向发射天线和 定向接收天线，只接收来自本车前方一定区域内的无线电信号。\n本发明追尾预警避撞功能是通过对接收的防撞信息进行处理并与本车 相关行车数据比较判别、调整控制本车行车状态而实现，具体过程为：\n由电子控制单元(ECU)对本车采样数据(传感器采样数据和人工设置 数据)进行分析处理，生成防撞信息送无线发射电路，并按照设定的同频分 时收发、接收优先条件，控制无线发射电路发射防撞信息。\n电子控制单元(ECU)对接收到的防撞信息与本车行车相关数据进行处 理，实施行进方向判别、以避撞联动控制信号场强判别距离范围、防撞信息 速度数据与本车实时速度比较、本车是否请求超车等程序处理，按照预定程 序要求输出行车状态控制指令或驱动功率，调整控制本车的行车状态。\n本发明还提供一种被动式汽车追尾预警避撞装置，包括行车数据监测采 样单元、微波(含RF)无线发射接收单元、电子控制单元(ECU)。\n行车数据监测采样单元，用于对本车行车数据进行监测采样，行车数据 监测采样单元包括传感器监测采样和人工设置采样，传感器采样数据为速 度、制动或碰撞(负)加速度、制动压力、行进方向等，由传感器自动采集 相关数据，数据为变化量。人工设置采样数据为能见度低、停靠路侧、抛锚 于道路中等预先设定信号，由驾驶员依照行车环境作出判断后开启相应的开 关而输出并形成采样数据，数据为恒量。采样数据传输至电子控制单元。\n微波无线发射接收单元，用于发射本车发出的防撞信息，和/或接收它 车发出的防撞信息。由电子控制单元按照设定的同频分时收发、接收优先条 件，对防撞信息的发射进行控制。微波无线发射接收单元采用全向发射天线， 以消除信号传输的死角、盲区等缺陷，接收部分采用定向接收天线，只接收 来自本车行进前方一定区域的无线电信号。\n电子控制单元(ECU)用于对本车行车数据进行分析处理，按预定程序 条件生成旨在实现防撞预警和/或避撞的防撞信息，当人工设置数据传输至 ECU时，随即生成相应的防撞信息，如驾驶员开启能见度低开关，能见度低 防撞信息即生成。当传感器采集数据达到预定量值时，防撞信息亦生成，如 前车紧急制动或发生碰撞，导致制动或碰撞(负)加速度达到预定量值时， 即生成“前车紧急制动或碰撞”防撞信息。\n防撞信息包含追尾预警信号、避撞联动控制信号和实时速度、行进方向 信号。本车速度和行进方向信号不单独作为防撞信息发射，仅随相关防撞信 息发射，如驾驶员开启能见度低开关后，生成的能见度低防撞信息中将自动 跟随本车的行进方向和速度信号。\n电子控制单元(ECU)的另一功能是对接收到的防撞信息与本车行车相 关数据进行处理，实施行进方向判别、以避撞联动控制信号场强判别两车距 离范围、防撞信息速度数据与本车实时速度比较、本车是否请求超车等程序 处理，按照预定程序要求输出行车状态控制指令或驱动功率，调整控制本车 的行车状态，实现追尾预警和/或避免追尾碰撞的功能。\n本发明技术方案与现有技术相比较，有如下显著区别和有益效果：\n一是本技术方案采用全向式天线发射防撞信息，在无线电波有效覆盖区 域内无信号死角或盲区。\n二是本技术方案采用同频分时收发接收优先工作模式，解决了无线电同 频收发干扰问题，在不采用编码识别(开放式收发)条件下，使无线电波有 效覆盖区域内可能存在的多车无线电收发信机收发(自组网)有序。\n三是本技术方案采用行进方向判别和定向接收，行进方向判别可剔除前 方相向行驶车辆发出的防撞信息，定向接收可抑制后方和侧方车辆发出的防 撞信息，实现与现有技术方案中接收传送双定向等效的功能，可大幅度降低 成本。行进方向判别和定向接收可确保只有同向行进中的后方车辆受到预警 和避撞指令控制。\n四是本技术方案采用无线电场强信号电平比较技术，通过对本车所处实 时位置无线电信号场强的高低相对应的电平幅值的检测采样，以简单方式实 现两车相对距离范围的判断，与现有技术主动式扫描探测距离方案比较，简 洁并能满足本技术方案对测距精度要求不高的使用要求，可大幅降低成本。\n五是本技术方案能够提供低能见度下的行车安全，当能见度低情况下行 车无法避免时，驾驶员只要开启能见度低人工预警开关，即能向后车发出的 防撞信息，也能收到前车发出的防撞信息，前后车辆可保持安全车距，避免 追尾，这将减少高速公路封闭情况和避免高速公路封闭不及时而可能造成的 后果，效果是突出和有益的。\n发生追尾碰撞的另一重要原因是两车之间安全车距不足，两车车距若在 50米之内时，前车一旦发生紧急制动或碰撞，驾驶员因制动反应时间生理 局限，无法在1～2秒内实施制动，汽车空驶路程达30～50米，驾驶员是眼 睁睁看着追尾碰撞发生。而采用本技术方案后，在50米距离内，前车的紧 急制动将同时联控后车制动，弥补了驾驶员的制动反应时间生理局限，有效 避免追尾碰撞发生。\n附图说明\n图1是本发明技术方案原理框图。\n图2是本发明技术方案程序控制流程图。\n图3是地磁方位传感器原理图。\n图4是地磁方位传感器方位判断示意图。\n图5是收发天线在小型汽车上的安装示意图。\n具体实施方式\n下面结合附图对本发明的功能原理和具体实施方式作详细说明：\n本发明由作为行车数据监测单元和防撞信息发射单元的行车数据监测、 编码、发射单元1以及作为防撞信息接收单元和行车状态控制单元的指令接 收处理、电子程序控制单元(ECU)2(由微处理器(CPU)、RF收发电路和 辅助电路组成)两大部分组成，如附图1所示。\n本车行车数据传感器监测采样数据中，数据直接传输至电子控制单元 ECU，由电子控制单元进行分析处理，生成防撞信息后发射，部分数据如速 度、行进方向等兼用于程序控制比较信号。\n电子程序控制电路将接收到的它车发出的防撞信息进行分析处理，根据 程序预先设定的条件，对接收到的信号进行逻辑运算和判别，实施避免追尾 碰撞预警和避撞行车干预措施，包括制动减速和减小节气门开度。\n附图2是本发明程序控制流程图，下面根据程序流程作具体说明：\n当驾驶员打开电门钥匙后，系统得电执行初始化自诊断检测系统状态， 若系统故障，即给出声光报警提示，并同时停止系统工作。\n系统自检结果正常则进入本车行车数据监测采样流程，进行指令编码和 储存数据，并判断系统是否处于接收信号状态，分别进入防撞信息判别或本 车防撞信息发射条件判别流程。\n当系统处于接收状态时，首先进行数据防撞信息解码，随即作行进方向 判别，方向不同，中断执行返回下一循环；方向相同，则继续判别防撞信息 中“有无它车停靠路侧”的信息，有即作出声光报警提示，无则继续判别防 撞信息中有无“它车抛锚于道路中”信息，有即继续判别本车是否处于请求 超车状态，当本车处于超车状态时，表明驾驶员已经注意到前方情况，系统 仅作出声光报警提示，以便驾驶员完成超车过程。\n若本车未处于超车状态，则进入计算判别本车与前方它车的速度差值， 当本车速度大于它车且差值大于50Km/h，系统迅即实施制动减速，而当速 度差值小于或等于50Km/h时，系统将驱动节气门机构减小节气门开度，控 制本车行车速度，在安全前提下接近或超越前方车辆。\n若接收的防撞信息中没有“它车抛锚于道路中”信息，则继续判别有无 “它车发生碰撞或紧急制动”信息，有即进行两车距离计算，若两车距离大 于50米，系统仅给出声光报警提示，距离小于或等于50米，系统实施制动 减速。\n若接收的防撞信息中没有“它车发生碰撞或紧急制动”信息，则进入“能 见度低”信息处理，比较两车速度，当本车速度≤它车时，系统仅给出声光 报警，若本车速度＞它车，则判别本车是否处于请求超车状态，当请求超车 时，系统给出声光报警提示，否则继续进一步的速度比较，当本车速度大于 它车且数值在50Km/h以上时，系统实施制动减速，若速度差数值≤50Km/h， 系统驱动节气门减小开度，降低行车速度。\n当系统未接收到防撞信息时，即进入本车行车数据指令生成条件判别流 程，对本车传感器实时采样的行车数据进行分析处理，依次判别是否有“本 车发生碰撞”、“本车紧急制动且制动减速度＞0.5G”、“本车是否处于能见度 低行车环境”、“本车是否抛锚于道路中”和“本车是否紧急停靠路侧”的采 样数据，有相关采样数据且量值达到预定要求时，系统随即将该数据编码成 为相应防撞信息，并通过无线发射，向进入无线电有效覆盖区域内的它车进 行追尾预警和避撞控制。无相关采样数据时，中断执行返回到下一轮循环。\n本车行车数据监测单元由人工预警数据和传感器实时采样数据两部分 组成，人工预警数据有本车紧急停靠路侧、抛锚于道路中和行进在能见度低 环境中三种，由驾驶员开启相关信号发生电路产生；传感器采样数据有制动 加速度、速度、行进方向和制动压力信号等，由传感器实时采样产生。\n当车辆停靠路侧维修或休息时，驾驶员可开启“紧急停靠路侧”开关， 该预警信号随即生成防撞信息通过无线电发射，使进入无线电有效覆盖范围 的车辆得到防撞预警，语音电路即给出“路侧有故障机动车停靠、注意碰撞” 语音提示，相应的报警指示灯燃亮。\n当车辆因爆胎、断轴等突发故障抛锚于道路中时，驾驶员开启“抛锚于 道路中”开关，生成相应防撞信息使进入危险区域车辆得到预警和联控减速， 语音电路提示“道路中有故障机动车抛锚、危险！”，报警指示灯燃亮，节气 门减小开度，若本车速度大于50Km/h，系统将实施制动减速。\n若驾驶员在安全有保障的前提下请求超车，可开启超车信号灯，本车联 控减速功能将被抑制，可保持大于50Km/h的较快速度超车。\n当汽车在雨、雪、雾等能见度低恶劣情况下行进时，驾驶员开启“能见 度低”预警开关，进入信号有效覆盖范围内汽车即可接收到防撞信息而被预 警，语音提示：“能见度低，请低速行驶，注意追尾！”，警示灯同时燃亮。 电子程序控制电路(ECU)进行防撞信息速度数据与本车速度比较，向节气 门或制动执行机构输出控制指令，如本车速度大于前车，节气门将被减少开 度而减速；若本车速度大大超过前车(V本-V前＞50Km/h时)，ECU将驱动 制动机构制动减速，使同时处于能见度低状况下的两车(或多车)保持安全 车距行驶，避免追尾碰撞。\n前车开启“能见度低”预警开关后，后方行进中的汽车若有超车要求， 可开启超车指示灯，ECU将抑制节气门或制动机构的速度控制功能，便于后 车实施超车。\n本车行车数据监测单元中的传感器实时监测由方位传感器、制动力传感 器、加速度传感器和速度传感器组成。加速度传感器监测本车发生碰撞或紧 急制动情况，碰撞发生时，负加速度瞬间急剧上升(-a＞g，g为重力加速 度。)；驾驶员紧急制动时，制动减速度也可达0.5g以上，因此，若加速度 传感器检测到制动减速度＞0.5g时，将自动生成减速防撞信息，对后方汽 车进行联控节气门减速或联控制动减速。\n制动压力传感器监测汽车行车制动情况，驾驶员行车制动导致制动管路 内压力上升至预定数值时，自动生成防撞信息，对后车进行联控节气门减速 或制动减速。\n速度传感器采用汽车用速度传感器，如霍尔速度传感器、电磁式速度传 感器等，采样数据随同本车防撞信息发射，并同时作为比较信号，送入电子 程序控制电路(ECU)，与它车发来防撞信息中的速度信息进行计算比较。\n方位传感器采用地磁方位传感器或数字式罗盘集成电路，地磁方位传感 器原理示意图如图3所示，图中3为检测线圈X，4为检测线圈Y，5为激励 线圈，6为环状铁(磁)芯，7为方位数据处理电路ECU′。激励线圈在环 状磁芯上产生方向、强度呈周期变化的交变磁场，检测线圈X、Y上则产生 相应的电压变化，经方位检测专用电子电路(ECU′)运算处理，即可检测 出汽车的实时方位数据信号，地磁方位传感器检测得到的方位判断图如图4 所示。方位电信号也随同本车防撞信息发射，并同时送入系统电子程序控制 电路作为比较信号，判别两车行进方向的异同，剔除前方相向行驶汽车发出 的防撞信息。\n由于汽车为流动性交通工具，为确保本发明技术方案的实现，所有车载 追尾预警避撞系统收发信机必须使用相同的无线电频率，和无编码识别的开 放式收发，具有随机无线自组网特征。在上述方式下，本发明采用同频分时 收发和接收优先工作模式，当本车需要交替发射和接收信号时，采用分时收 发方式，设定每个发信时长为发射三个有效指令数据串时间，接收时长为发 射时长的数倍(本实施例设定收发时长为比5∶1)，收发交替进行，可解决 本车收发干扰问题，保证本车系统发信和接收的可靠性。\n接收优先方式也称为“抢发”，在信号有效覆盖区域内，只要存在一部 发信机发信，其它接收机均自动工作在接收状态，一旦接收数据完毕，有发 信要求的发信机即可发信，有多机要求发信时，则谁抢在先谁发信，为避免 无线电自组网方式下多机“抢发”信号冲突问题，即多机同时抢发发生的“顶 死”问题，本发明采用发射间隔时间在一定范围内随机选取方式，如确定从 接收状态转为抢发的时间间隔在1～10毫秒间随即选取，则同一自组网内两 部发信机从收信转为发信的时间间隔并不相同，或相同的概率非常小，可避 免发生发射冲突或信号顶死的现象所带来的弊病，有效确保任何时刻只有一 部发信机发信，避免同频干扰和同一区域内多机收发无序问题。\n同频分时收发接收优先方式可解决能见度低情况下的安全行车问题，当 本车需要发射防撞信息，也同时需要接收它车发来的防撞信息时，同频分时 收发接收优先方式可满足上述要求，实现低能见度情况下的安全行车。\n无线电全向发射定向接收方式可实现本车发出的防撞信息只对后方同 向行进中汽车进行预警和联控制动，本车接收机采用定向天线(如八木天线 或缝隙天线、平板天线等)并指向行进方向，定向天线能够抑制后方和侧方 信号，只接收来自行进前方一定区域的信号。全向发射避免了无线电定向发 射信号盲区、死角的缺陷，降低了接收机对信号源的跟踪精度要求。\n本发明实施例无线电收发电路选取微波波段的300MHz以上范围的许可 使用频率，预警信息发射功率控制在有效覆盖半径200米，定向接收功能则 通过定向天线实现，考虑到天线在汽车上的安装位置和对汽车外观的影响， 以“八木天线”和“缝隙天线”为首选。\n微波频段的无线电发射接收技术和同频分时收发技术是现有通讯技术 领域中的成熟技术，特别是嵌入式无线片上系统的成熟和应用，上述功能的 实现将变得简洁和可靠。技术细节内容不再赘述。\n无线电全向发射、定向接收天线结构和安装示意图如图5所示。全向发 射天线8置于车顶或车后部，定向接收天线接收波束宽度在水平面角度夹角 为30°～60°，定向天线前后增益比在3以上。\n定向接收天线安置于汽车车顶部，安置固定方式可参照车顶警灯、标志 灯或多功能汽车车顶行李架。\n电子控制单元(ECU)由微处理器(CPU)、RF收发模块和辅助电路组成， 主要完成如下逻辑运算和程序控制功能：1、对传感器信号进行计数运算、 A/D转换和编码，生成防撞信息送调制发射单元；2、形成分时收发控制指 令和接收优先控制指令；3、对接收到的防撞信息进行解码，解码后数据送 比较、运算、逻辑控制电路处理；4、对接收到的防撞信息信号场强电平进 行分析处理，判断距离范围；5、对接收到的防撞信息中速度、方位信号数 据与本车速度、方位信号数据进行比较判别；6、对驾驶员请求超车的指令 进行处置。\n本发明技术方案采用无线电信号场强电平表达本车与前方信号发射源 的距离范围，将信号覆盖区域分为预警区域和联动控制区域，实现途径是： 设定发射机功率有效覆盖半径为200米，联控减速作用半径为50米，通过 计算和信号强场梯度的实际测定，确定与距离范围对应的信号电平数值，作 为预置数据存储于系统中，并与接收信号数值比较，即可判断距离范围。\n本发明的执行驱动单元为现有成熟技术，声光报警电路由语音电路和 LED或LCD组成，节气门控制的功用是按照程序控制指令，减小节气门的开 度，降低发动机功率和转速而达到减速的目的。\n制动执行机构和节气门控制执行机构的具体方式，现有技术中有多种型 式，均可与本发明技术方案配套使用，完成自动控制系统驱动下的行车速度 控制干预，本发明不再赘述。