机动车防撞系统.pdf

本发明涉及一种机动车防撞系统，包含障碍物扫描机构、信号发射与处理电路，配套运用的预测碰撞计算方法和自动刹车装置，其特征是扫描器采用双旋转激光发射与接收扫描器。所述的双旋转是指激光发射信号既可在汽车行驶平面上旋转又同时具备垂直面的扇形旋转。发射的激光束同时在对平面和垂直扇面进行扫描，无论路面或汽车上方一定方位角内的障碍物均能被扫描到。本发明采用双旋转激光信号扫描，提供了周详巧妙，旨在预测碰撞事故的分析计算方法，不但具有指向性好、方位准确，而且还能对车辆全方位大角度范围内进行障碍物扫描，反射回的信号经系统处理后能准确给出障碍物的方位、距离等参数，并能预测碰撞和自动实施刹车避撞控制。

1、  一种机动车防撞系统，包括发射与接收扫描器、处理电路，主要通过系统应用软件和硬件实施的预测碰撞计算方法及电动刹车装置，其特征是扫描器采用双旋转激光发射与接收扫描器及配套运用的碰撞预测计算方法。

2、  根据权利要求1所述的机动车防撞系统，其特征是双旋转是指激光发射信号既可在汽车行驶平面上旋转又同时具备垂直面的扇形旋转，接收探头至少可跟随作平面旋转接收反射来激光信号。

3、  根据权利要求2所述的机动车防撞系统，其特征是双旋转激光发射与接收扫描器平面旋转速率大于48转/秒，垂直摆动速率大于8扇面/秒，而扇面夹角约30°度角。

4、  根据权利要求1、2或3所述的机动车防撞系统，其特征是激光信号采用单光束脉冲，选择波长在1.4um至1.8um之间，狭窄的脉冲宽度1～5ns，由第一调制频率在1Ghz到200Mhz之间产生，第二调制频率在75Mhz到100Mhz之间，第三调制频率833.33khz，半周期为600ns，扫描激光束发射的峰值功率为3.5至30瓦，激光束辐射角度为0.002弧度。

5、  根据权利要求1、2或3所述的机动车防撞系统，其特征是双旋转激光发射与接收扫描器包括一基座、安装在基座上带发射和接收窗口的旋转体，旋转体上部安装有激光发生器、透镜组及一反射镜，反射镜出射光路对准发射窗口，反射镜背面设有一带凸轮的电机，凸轮可驱动反射镜摆动，使光路呈扇形扫描，旋转体下部安装有一激光接收装置，一锥形反射镜安装在接收窗口处，反射来激光经锥形反射镜反射到激光接收探头上，所述的反射镜及带凸轮的电机固定在旋转体上，其余部件均固定在基座上，基座上安装有一驱动电机可驱动旋转体旋转。

6、  根据权利要求1所述的机动车防撞系统，其特征是处理电路包括模似电路和数字电路两部分，其中模拟电路含有激光发射及接收扫描器、滤波器、高频放大器、参数模拟电路及模拟转数字(A-D)，其中激光发射受控于激光功率限幅电路，本地信号发生器经调制器后给接收传感器，水平角探测装置及俯角探测装置信号给参数模拟电路，数字电路含有与模拟转数字(A-D)连接的中心处理器、数字转模拟(D-A)、功率放大器、液压机电制动装置，中心处理器一路输出驱动声音警报，一路输出给图像介面卡，进而驱动图像显示器，一路输出给数字转模拟(D-A)后经功率放大器放大后交给机电制动装置实施电动液压制动控制。

7、  根据权利要求1所述的机动车防撞系统，其特征是以扫描光束在被监测体上反射表现来提取防撞预测所须的被监测体的各种运动学参数，例如通过距离矢量的三阶导数求障碍物表面的纯切向斜率的二阶导数，继而求得与障碍物的相对速度及相对加速度

8、  根据权利要求1所述的机动车防撞系统，其特征是预测碰撞之方法：通过随时测量和衡量被测点的纵向曲率半径，随时测量和衡量障碍物表面在行驶方向上的升高速率和短期高度累积数值，以及随时衡量通过把从被测障碍元上取得的运动学参数，在一组描述质点运动状态运动学方程式和根据本车特点建立的解析几何方程式上求出1.5秒后被监测物体和我车的位置关系，来随时做出是否存在碰撞事故的危险。

9、  根据权利要求1所述的机动车防撞系统，其特征是利用相邻两轮激光束扫描之间对应点的距离和时差来求相对速度，供验证前一方法之准确性，所述运动物体对应点之求法可通过模糊识别，例如曲率相近且都在一定范围内的两个点(在两轮扫描时差二十毫秒内距离不超过1.2米)。

10、  根据权利要求1所述的机动车防撞系统，其特征是在满足权利要求9所提出的碰撞发生判别法基础上，结合被测点的纵向曲率半径及扫描光束为障碍元曲面所截高度随时间之变率在相当短时间上的积累效应，本机动车防撞系统尚可预测颠簸与掉坡或掉沟。

机动车防撞系统
技术领域：
本发明属于交通领域，特别涉及一种机动车防撞系统和与之配套运用的预测碰撞的计算方法，尤其是使用旋转式脉冲激光束扫描仪来检测四周障碍物的机动车防撞系统。
背景技术：
机动车防撞系统伴随着汽车工业的发展，也始终不停止深入研发的脚步，其公开的资料也是多种多样，比如说，美国专利号4825211汽车对靠近物体的警示仪，显示了汽车上使用的警告器，当车子向后移动时，它能感应到物体近身来在远处产生第一个信号，在近处至少产生第二个信号。
美国专利号4872051防撞警告系统，揭示了较被动的防撞系统。一个光学敏感器展示了如何在车辆旅行方向的大角度内范围进行持续性的光栅扫描，该敏感器的输出转化成数据储存起来，计算机系统比较著连续性的图象来测探同一(可证)的物体。对于如此同一的物体，计算机可以计算物体的中心和角度，以及衡量物体尺寸和范围，有着固定的角度及不断增加的范围量度的物体的测探将使诱导报警。
美国专利号5314037机动车防撞系统展示了在激光镭射基础上旨在预防汽车碰撞的系统，该系统包括带有发射器，接收器，计算机，警告仪器和光学自动刹车装置的镭射雷达。该系统比较著预期碰撞时间，用最小许可时间来决定碰撞的普遍存在性。当系统确定了可能导致事故发生的情境时，它会发出警告。当汽车使用者无回应警告时，会使用光学汽车刹车仪器。
美国专利号5410304展示著由于与汽车驾驶情景相联系的速度原因即将发生的危险的方法与仪器，揭示了一种能定义计算危险程度并将之展示给汽车驾驶员的方法，其中危险程度即指汽车驾驶员把车开得太靠近前面汽车或其他障碍物，或在雾里开得太快。达到该目的的信号可从汽车环境敏感器获得，比如说，从距离警告雷达或距离记录雷达以及红外线可见范围衡量系统，并与汽车条件信号一起由安全电脑所分析。
美国专利号5463384机动车防撞系统展示了包括检测在邻近汽车的可控制区域里物体的障碍物监测单元，检测单元发出多束红外线能量光束，检测来自物体的此种能量在区域内的反应。检测单元由主体汽车的电子旋转信号特别激发，它包括多种相关的光发射二极管以及对图片敏感的检测仪来察觉反射光线。
美国专利号6012008预测碰撞及其反应的方法和装置展示了安装在汽车上的一种装置，它能决定在距主体汽车的有限距离里移近的障碍物的作用发生时间。该系统可部署在主体汽车前面以警示前面的影响作用，布置在两边以警示侧面影响作用。
美国专利号6470273防撞警告系统展示了包括多对的光学传感器的系统。每一对光学传感器能检测汽车外部周围的可见光度和红外线光度，创造相应的电子信号。光学传感器确定著电子信号的光度的暂时变化以及与汽车外部物体碰撞的可能性，并在可能碰撞时产生信号。
中国专利号00249581.3，雷达微机型机动车防撞系统，公开一种用于汽车在行驶中，防止发生碰撞事故的装置，它包含有传感器、计算机、伺服机构三部分。该装置的伺服机构可控制汽车的油门，通过计算机接口扩展，还可控制制动器及其它。传感器由脉冲多普勒激光雷达和车速信号输出仪组成。传感器测出与前方车辆的距离和本车速度，将信号送至计算机，通过已编程序处理并指示伺服机构动作，以达到安全行车的目的。
中国专利号97230398.7，自动防撞的交通工具及其防撞装置，公开一种防撞装置包括传感探测器，处理控制部分和执行装置，其特征是传感探测器与处理控制部分连接，处理控制部分与执行装置连接，传感探测器可以是机械、机电式探测器，激光探测器，光电主动式红外探测器，光电被动红外探测器，超声波式探测器，微波式探测器，接近式探测器或酒精敏感探测器或它们的部分组合；执行装置包括报警器、制动部分、安全防护装置；一种自动防撞的交通工具，其特征在于将所述的防撞装置装在所述交通工具上。
综上所述，机动车防撞系统包含障碍物扫描机构、信号发射与处理电路，与之配套运用的预测碰撞的计算方法(主要通过系统应用软件和硬件实施)及自动刹车装置四大部分，而关键在于障碍物扫描，选用激光作为扫描信号，其具有指向性强的特点，反射回的信号经系统处理后能准确给出障碍物的方位、距离等参数，并能预测碰撞和自动实施煞车避撞控制。已有技术中虽有采用激光做为扫描信号，但扫描方式设计存在缺陷，出现视觉盲区，无法达到全方位扫描和防止碰撞的发生。
发明内容：
本发明的目的主要是发明一种具有全方位大角度扫描障碍物功能的机动车防撞系统以及与之配套运用的预测碰撞的计算方法。
本发明技术方案是这样实现的：一种机动车防撞系统，包括发射与接收扫描器、处理电路，碰撞预测的成套计算方法及电动刹车装置，其特征是扫描器采用双旋转激光发射与接收扫描器和与之配套运用的预测碰撞地计算方法。
所述的双旋转是指激光发射信号既可在汽车行驶平面上旋转又同时具备垂直面的扇形旋转，接收探头至少可跟随作平面旋转接收反射来激光信号。由于障碍物表面粗糙，其反射成漫散射，接收探头只需跟随旋转即能可靠接收到信号。发射的激光束同时在对平面和垂直扇面进行扫描，无论路面或汽车上方一定方位角内的障碍物均能被扫描到。
一般双旋转激光发射与接收扫描器平面旋转速率设计大于48转/秒，垂直摆动速率大于8扇面/秒，而扇面夹角约30°度角。这样即可满足高速行驶的车辆上使用。
本发明结构设计合理，采用双旋转激光信号扫描和旨在预测碰撞事故的分析计算方法，不但具有指向性好、方位准确，而且还能对车辆全方位大角度范围内进行障碍物扫描，反射回的信号经电路处理以及系统应用软件和硬件实施的计算后能准确给出障碍物的方位、距离等参数，预测碰撞并提供执行刹车或者继续行驶的命令，自动实施煞车避撞控制。
附图说明：
下面结合具体图例对本发明做进一步说明：
图1为双旋转激光发射与接收扫描器结构示意图
图2为处理电路原理框图
其中
1-基座          2-旋转体     21-发射窗器       22-接收窗口
3-激光发生器    31-透镜组    32-反射镜         4-电机
41-凸轮         42-电池      5-激光接收探头    51-锥形反射镜
6-驱动电机      61-齿轮组
具体实施方式：
参照图1，一种机动车防撞系统，包括发射与接收扫描器、处理电路，碰撞预测应用软件和硬件及电动刹车装置，其特征是扫描器采用双旋转激光发射与接收扫描器和与之配套运用的预测碰撞的计算方法。双旋转激光发射与接收扫描器包括一基座1、安装在基座1上带发射和接收窗口21、22的旋转体2，旋转体2上部安装有激光发生器3、透镜组31及一反射镜32，反射镜32出射光路对准发射窗口21，反射镜32背面设有一带凸轮的电机4，凸轮41可驱动反射镜32摆动，使光路呈扇形扫描，实现垂直扇面扫描的目的；旋转体2下部安装有一激光接收装置，一锥形反射镜51安装在接收窗口22处，反射来激光经锥形反射镜51反射到激光接收探头5上。所述的反射镜32及带凸轮41的电机4固定在旋转体2上，反射镜32跟随旋转体2转动即能产生出射激光光路的旋转变化，实现旋转扫描。电机4由固定在旋转体2上的自带电池供电。电机带动凸轮41转动使反射镜角度产生扇形摆动，反射出的激光束也产生一定角度范围内的变化，实现垂直扫描。而接收窗口22采用锥形反射镜51，无论窗口22旋转到那一角度，经其反射来的激光束均能指向激光接收探头5，故将激光发生器3、透镜组31及激光接收装置均固定在基座上，而不随旋转体2转动，可保持电连接的便利性，也减少精密器件在高速旋转中受损，基座1上安装有一驱动电机6可驱动旋转体2旋转。驱动电机6与旋转体2间通过啮合齿轮组61成传动连接，调整齿轮齿牙比即可改变激光的旋转扫描速度，扫描器平面旋转速率大于48转/秒，垂直摆动速率大于8扇面/秒，而扇面夹角约300度角，即可满足1.6m到120m内障碍物的扫描，因此能获得足够的时间来避免绝大多数的碰撞，甚至汽车以相当高的速度(例如60mph)对开或短距离内冒出之障碍物。
激光信号采用单光束脉冲，选择波长在1.4um至1.8um之间，以1.54um为中心的安全区红外频谱，狭窄的脉冲宽度1～5ns(或称载波基频)，由第一调制频率在1Ghz到200Mhz之间产生；第二调制频率(或称占空调制频率)在75Mhz到100Mhz之间(其重复周期为10ns～13.33ns)；第三调制频率(或称距离调制频率)833.33khz，半周期为600ns，扫描激光束发射的峰值功率为3.5至30瓦。激光束辐射角度为0.002弧度。减少扫描激光波束的幅射能量要求，达到既安全，准确又灵敏之目的。通过对激光波的频率调制，建立不同频道来有效避免不同系统间的干扰，同时也对各种来源之噪音起到过滤之作用。激光束辐射角度为0.002弧度，不但加强了本系统扫描障碍物的辨识能力，并且也节省了激光扫描能量。
本系统探测周围障碍物的方法，以扫描光束在被监测体上反射表现来提取防撞预测所须的被监测体的各种运动学参数，例如通过求距离矢量的三阶导数求障碍物表面的纯切向斜率的二阶导数继而求得与障碍物的相对速度a(t)及相对加速度a″(t)；亦可利用相邻两轮激光束扫描之间对应点的距离和时差来求相对速度。至于对应点的判定则可通过模糊识别，例如斜率曲率相近且位于一定范围内比如在两轮扫描时差二十毫秒内不出1.2米。
参照图2，处理电路包括模似电路，数字电路部分和参数可调软件(即系统应用软件)。其中模拟电路含有激光发射及接收扫描器、滤波器、高频放大器、参数模拟电路及模拟转数字(A-D)，其中激光发射受控于激光功率限幅电路，限幅电路是用于防止过大激光输出功率，另外也使扫描功率与障碍物距离相关，以取得最大的安全结果；本地信号发生器为调制器提供调制信号，以此驱动红外激光二极管使之产生相应的激光。水平角探测装置及俯角探测装置信号给参数模拟电路。数字电路含有与模拟转数字(A-D)连接的中心处理器、数字转模拟(D-A)、功率放大器、液压机电制动装置。中心处理器一路输出驱动声音警报，一路输出给图像介面卡，进而驱动图像显示器，一路输出给数字转模拟(D-A)后经功率放大器放大后交给机电制动装置实施电动液压制动控制。
处理电路的工作原理如下：激光功率限幅电路将调制好的脉冲信号驱动激光发射探头发射出单束脉冲扫描激光，以满足双回转扫描激光器的工作需要。另外，系统中设有的激光信号接收传感器，用于接收经障碍物反射回的带有相位差的信号，这个信号经过放大滤波(也可以用锁相环测定相位差)与解调后送入参数模拟电路以制取关于距离、速度与加速度等数据。送入参数模拟电路的还有水平角与俯角测量装置(它们可以采用一些现成的技术)，用于推算物体方位与高度。经过模拟转换成数字后，数字信号输入中心处理器进行处理；快速记忆器用于存放近期要取用的数据，协作芯片可以用于计算的并联作业，以加快分析运算速度。如计算器的防撞决策作出后，会再通过数模转换成模拟量，然后经功率放大器放大后交给机电制动装置实施电动液压制动控制。其中介面卡是用于驱动图像显示器，因系统同时附设音像警告。使用者可以选择只启用音像警告系统，由驾者自行人工刹车排险。
系统应用软件：系统的分析计算，决策控制均在此软件之指挥和协调之下。在驾驶期间，不管任何交通地点，(高速公路，自由公路，街道，本地道路，停车场等)，双回转扫描激光器保持发射和接收扫描激光脉冲(一个障碍元在一圈内将收到激光扫描波束许多次的的扫射，它取决于距离和尺寸。比如，在90米远的地方，一个18cm宽的柱子上将可得到640点取样，如果扫描激光波是100Mhz。)，以及对所有这些讯号进行模拟的和数据的处理和运算。一旦有关数据符合所列(1)～(3)方程式，则在短时间里会发生碰撞(1.5秒)，必须采取适当控制以防止碰撞。由于数据不断进来，真实境况改变著碰撞预计的结论，控制行为将持续改变。(取决于自动计算结果。)但一旦刹车启动，控制信号将保持至少60～120毫秒，来等待下一个控制信号。所有这些操作是在没有驾驶员参与的情况下自动完成。如果司机参与控制将改变检测结果，由于系统和交通环境存在的实时反馈关系，系统将及时自动综合。本系统的分析计算是按二次函数模式处理与被监测物体的相对运动关系，即防撞系统所监测物体之未来轨迹一般做为曲线处理，直线仅为特例；其速度也非匀速，匀速仅为特例；因此对预计与障碍物的碰撞能达到更高准确性。交通环境的障碍体定义为一个简单的个体，如一个直径为20cm的站立电线杆，一个长度为4.5米的汽车，一个25～45cm宽度的人体，一个宽为4到100米的建筑物。如果来自个体上任一点的数据表明碰撞要发生，那么定义为碰撞。为简化计算，假设障碍体的所有点有同样的速度，角速度，加速度。因此，我们可以运用这些数据来代表整个个体，比如说，如果来自这些点的信息暗示立即碰撞，将无法引发碰撞控制。系统应用软件步骤：
分离障碍元：dr/dt＞＞Vmrs联系著障碍体的开端，而dr/dt＜＜-Vmrs。则联系著障碍体终端。(Vmrs定义为最大相对速度，通常是60m/s)。因为激光束长度在两处会产生激烈改变。在这两点间所有点被定义为一个障碍元。障碍元往往是一个在运动态势上的统一体。
计算参数：由於激光幅射角为0.002Rad，因此6.4us将足够激光器发射光束掠过。通过实测距离矢量r的径向三阶导数v’(t)可以求得被监测物体一个面元的纯切向斜率的二阶导数(这个数据取决于该面元的几何形状，与障碍物的相对运动无关)；继而可以求得与障碍元的相对速度V(t)，a(t)＝dv/dt及相对加速度a″(t)＝da(t)/dt。
高度h的计算是根据激光扫描器高度减去俯角的正弦与激光束长度的乘积得来，即
                         h＝H-r sin αh
                         h’(t)＝dh/dt～(h2-h1)/Δt
一般汽车情形，H取值1.5m；αh：俯角，是从系统里面的特别仪器得来。
预测碰撞：如上所述，从障碍物一个面元得到的数据v，a & a’适用于整个障碍元。(障碍元往往是一个在运动态势上的统一体。)。如果障碍元中的任何一个点被预测碰撞，那么该障碍物被预测碰撞。
假如被测点的纵向曲率半径小于0.3米满足下述方程式(1)；汽车以当时速度行驶0.23米后所升高度超过0.1米满足下述方程式(2)，(轿车车轮在行驶中撞击物体的临界情形)；而且1.5秒后被监测物体的抽样质点(在激光探测束扫描中被命中者)与极坐标原点的距离r(临撞时间，以TTC表之)和我车的几何形体存在的关系，根据被测障碍元上取得的参数TTC，V，a，r(0)，ω，β，Θ(0)，通过方程式(4)，(5)和(6)满足下述方程式(3)，可做出该障碍物将导致碰撞之判断。
        R＝abs{[a(1+h’(t)/v)]/ h”(t)}≤0.3         (1)
              0.023/V
        Δh＝abs{∫h’(t)dt}≥0.01                   (2)
        lr(TTC)l-ρ(Θ)＜0                           (3)
即根据运动学一般关系，有
            r(TTC)＝f[v，a，r(0)]
                  ＝TTC V+1/2*a*TTC**2+r(0)          (4)
            ρ(Θ)＝f(Θ)                            (5)
                Θ＝f[ω，β，Θ(0)]
                  ＝TTCω+1/2*β*TTC**2+Θ(0)        (6)
若R＜0.3M，且符合方程式(3)，则据Δh之数值，尚可预测颠簸与掉坡或掉沟