汽车防碰撞系统传感器的比较研究

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[摘 要]本文介绍了汽车防碰撞系统的原理及组成，并对测定目标距离及识别精度决定预警准确与否的关键器件――防碰撞传感器，进行了详尽的研究，并给出了各传感器的优、缺点。本文对观注汽车主动安全的广大车友们学习了解防碰撞系统有着极强的实用价值。

[关键词]汽车 防碰撞系统 传感器

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0121-01

随着智能交通系统在全球的兴起，针对汽车主动避撞系统的研究获得了广泛的关注。进而汽车行驶时，能处于监测状态，当汽车接近前车车尾或超越前车时，能及时发出警告信号。在发出警告后，若驾驶员没有采取减速制动措施，能够自动启动紧急制动装置，以避免发生碰撞事故的主动安全防碰撞系统就应运而生了，被运用到现代的汽车上。然而这种基于安全距离模型的主动避撞系统功能的实现精准程度却很大程度上决定于防碰撞传感器对汽车本身与障碍物间相对距离，相对速度等数据采集的精确度上。本人针对各传感器的优、缺点进行了比较研究，与同仁们交流学习。

一、防碰撞系统功能概述、系统组成及控制原理

1、系统功能概述

防碰撞控制系统装有测距传感器，它们利用激光、超声波或红外线，测得汽车与障碍物间的距离，这个距离信号，加上车速传感器和车轮转角传感器的信号送入电子控制器，通过计算求出行驶汽车与前方物体的实际距离以及相互接近的相对速度，并向驾驶员发出预告信号或显示前方物体的距离。当将要碰撞时，控制器向制动装置和节气门控制电路发出控制指令，使汽车发动机降速并及时制动，从而有效地避免碰撞。

2、系统组成

防碰撞控制系统主要由行车环境监测、防碰撞预测和车辆控制三部分组成。

（1）行车环境监测

行车环境监测系统由测量车间距离和前面车辆方位的测距传感器及能判定路面状况的道路传感器所组成。

测距传感器安装在车辆前端的中央位置，主要功能是测量车距离和前前面车辆的方位，并将所测数据传输到防碰撞判定系统。

（2）防碰撞判断

防碰撞判断分为两步，第一步是进行路径估计，即从测距传感器所获“距离和方位”的大量数据级中抽取有用数据；第二步是进行安全危险判定，即判断碰撞的危险程程度。

（3）车辆控制

系统由安全/危险预警信号控制的自动制动操作机构，制动防抱死系统（ABS），并采用高速电磁阀进行纵向加速度反馈控制。自动制动操作机构的优点是当自动操作机构处于工作状态时，如果驾驶员的脚制动力大于自动制动控制的前动力时，那么驾驶员的脚制动力有效。一旦自动制动操作机构失灵，脚制动系统并不受影响。

3、控制原理

系统采用测距传感器在水平面上呈扇形快速扫描，提高激光束的能量密度，可延长测距传感器的监测距离，消除因车辆颠簸引起的误差，并能监测弯道上的障碍物。

最小的传感器监测范围是由实际车间距离确定的。一般在120米以上。该车间距离是指在潮湿路面状况下，保证在后面车辆减速制动后，不致于碰撞到前面的暂停车辆的距离。

根据路面潮湿程度、后面车速及相对车速，计算出“临界车间距离”，该值是根据路径估算方法确定的车间距离。判断安全/危险的方法，就是将实际测量的车间距离等于或小于临界车间距离时，自动制动控制系统启动。

二、防碰撞传感器的比较

（1）CCD照相机

CCD摄像元件可以读取受光元件接收的光通量放出的电流值，并作为图像信号输出。在夜间，由于照相机处于低照度的环境，只有在汽车前、后照灯打开时才能确认障碍物。

当点火开关接通时，多功能显示板上就会显示出变速器切换的档位的前进或后退方向的图像。

（2）激光雷达

激光雷达是激光从激光发生器发送至被测物体，然后反射回来被接收，期间的时间差即用来计算到障碍物的距离。早期的车用激光雷达都是发送多股激光光束，并依靠前车反射镜的反射时间来测定距离。现代汽车除了测定前方车的距离外还要对前方多辆车的位置进行辨识，因而开始采用扫描式激光雷达。

根据物体的反射特性，激光的反射光亮变化很大，因此可能检测出的距离也是变化的。由于车辆后部的反射镜等容易反射，故可以检测出稳定的较长距离。有少许凹凸的铁板等反射物不能得到充足的反射光量，故测出的距离较短。另外，在检测侧面方向及后方的障碍物时，与检测前方障碍物的情况不同，如果障碍物上没有反射镜，那么由于各种障碍物的反射特性变化很大，故可能稳定测出的距离变短。

（3）超声波传感器

所谓超声波，即通常指人的耳朵无法听到的高频声波。

超声波距离传感器的主要功用是车辆后退时，利用超声波检测车辆后方的障碍物，并利用指示灯及蜂鸣器等把车辆到障碍物的距离及位置等信息通知驾驶人员，起到确保安全的作用。

超声波距离传感器采用的是压电元件锆钛化铝。这种传感器的特点是具有方向性，传感器用蜂鸣器的纸盆为椭圆形，其目的就是使传感器的水平方向特性变宽，而垂直方向就受到限制。

超声距离传感器的工作原理与人对大山呼喊的回声原理相似。倒车声纳系统就是利用的这个原理。倒车声纳装置向车辆后方发射超声波，当车后无障碍物时，超声波随着距离的增加而减弱最终消失无反射波。如超声波遇障碍物反射回来，测定所用的时间，电脑则可根据超声波的速度与时间的乘积判断并显示出汽车到障碍物的距离。此系统一般将车辆后方分为左、中、右三个区域，可以判断出障碍物所在位置。

（4）红外线测距传感器

红外线测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。当前测距系统所用的测距基本原理都是建立在测量时间差的基础上，而测量时间的方法主要有“脉冲方式”和“调频2连续波方式”。

红外线发射器不断发射出频率为40kHz的红外线，经障碍物反射，红外线拉收器收到反射波信号后，将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差就可以求出距离了

（5）电磁铁传感器

电磁波传感器采用的是振荡检测原理，电路中的电磁波发射部分将振荡器产生的2..45G高频电磁波，通过振荡线圈发射到周围的区域。通过反射回的电磁波信号成份可以检测车辆周围是否有物体出现。

如果有物体出现在电磁波范围内，就会在高频电磁波上叠加一个低频干扰信号。经电磁波发射部分的干扰分离电路，将电磁信号中的低频干扰信号分享出来，与预定的参考值比较，如果干扰信号超过了参考信号，则输出一个警示信号，告知驾驶人员其车辆周围环境内有障碍物。

毫米波是指波长介于1～10mm之间的电磁波，其RF带宽大，分辨率高，天线部件尺寸小，能适应恶劣环境，所以毫米波雷达系统具有重量轻、体积小和全天候等特点，“主动汽车毫米波防碰撞雷达系统”成为近年来国际研究与开发的热点。

三、结束语

车辆主动防碰撞控制系统的实施可以大大提高车辆运行的安全性，最大限度地减少交通事故的发生。然而采用不同传感器的防碰撞系统预警的及时性和精准度各有不同，因此广大司机朋友们不要过分依赖防碰撞控制系统来避免危险。养成认真驾驶、注意观察、提前控制车速、宁等三分不抢一秒的良好驾驶习惯，再辐以防碰撞控制系统等先进的技术手段才是远离危险，确保出入平安铁的法则！