基于激光雷达的汽车防撞报警系统的设计
【摘 要】为防止驾驶员在车辆行驶与前方路上行人碰撞或追尾事故，开发了一种汽车辅助防撞预警系统。该系统是以激光雷达为探测源，精确测量前方障碍物距离和相对速度，采集本车自身的车速，通过三者之间的关系判断障碍物的运动状态，并通过安全距离模型来判断是否对本车产生危险。实验表明：本系统对障碍物的探测灵敏度高，对危险的分辨力强，在危险路况实现提前报警防止了交通事故的发生。
【关键词】激光雷达;辅助防撞;速度;距离;相对速度;安全距离
0 引言
随着我国汽车拥有量快速增长，汽车用户对驾驶辅助防撞系统越来越受欢迎。早在20世纪70年代初，国外已经开始汽车防撞技术的研发，车辆行驶时能给驾驶员提供在危险下的预测报警和自动制动，避免发生交通事故。激光雷达是激光技术和雷达技术的产物，是利用激光器作为辐射源的雷达。它由发射、接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。其功能包括探索、发现目标，测得目标的速度、距离、角度等动态参数等。激光雷达作为探测器不仅方向性强、单色性好、测量精度高，而且不受天气影响抗干扰能力强等优点。
1 激光雷达测距原理
激光雷达测距原理是在假设被测目标为漫反射目标，测距方程为：
R=[P■K■ρA■K■A■e■/（A■？誗π？誗P■）]■
本设计采用脉冲式激光雷达，那么其测距的基本原理是脉冲激光由发射单元发射，产生的脉冲发射到待测物上往返的时差△t，再通过激光的传播速度c求出被测物的距离，即：S=■。
2 硬件电路设计
2.1 防撞预警系统结构
以激光雷达为核心的汽车辅助防撞预警系统结构框图如图1所示，系统工作的基本原理是以激光雷达、汽车本身的特性和公路环境信息，通过汽车本身速度、与前方障碍物的距离和相对速度三者之间的数学关系，建立相关的数学模型来判别行车是否有危险，并显示本车车速和障碍物距离，进行声光预警。
图1 硬件系统结构
2.2 激光雷达检测系统
激光雷达传感器输出的信号通过分光镜分为两路，一路作为探测信号;一路作为主波信号，通过光电探测器转换为电信号，在经过放大与整形后作为时间间隔测量的起始时刻鉴别。回波信号也通过光电探测器转换为电信号，经信号放大与整形后作为时间间隔测量的结束时刻。再通过时间数字转换器把所测得的时间差传给MCU处理，求得雷达与被测目标的距离和相对速度。
3 目标检测与识别
3.1 安全距离模型
安全距离模型的建立是以自身车速、前方障碍物速度、以及公路环境等因素之间的关系的条件下，通过建立相关的数学模型求得行车时的安全距离。由于道路环境的复杂性（平直、坡道、弯道等路面），在不同天气情况下道路的摩擦因素是不同的。在本文中针对以平直路面，路面为干燥的水泥或沥青路面为研究对象进行防撞安全距离的建模。
汽车在制动过程时段行驶的总距离为：
S=■（t■+t■+t■+■t■）+■-■gφt■■。
通过化简，S=■（t■+t■+t■+■t■）+■，其中■gφt■■≈0.026m可忽略不计。
在实际状况中，前车或障碍物可分为静止、匀速或加速、减速或减速停止三大类，把可能发生交通事故三种情况进行讨论，将前车车速或障碍物的速度设为u■。
当前车或障碍物静止时安全距离为：
S■=■（t■+t■+t■+■t■）+■+S■，其中S■为本车制动停止与障碍物之间的距离。
当前车或障碍物匀速或加速行驶时，安全距离为：
S■=■（t■+t■+t■）+■+■u■+S■。
当前车或障碍物减速和减速停止时，安全距离为：
S■=■（t■+t■+t■）+■（u■-u■）+■+S■。
3.2 危险判断与报警
汽车行驶过程中，通过轮速传感器测出自身车速u■，激光检测模块测得本车与前方障碍物之间的距离S和相对速度△u，再判断障碍物的运动状态，然后选择上面三种安全距离模型与所测得的距离S进行对比，判断前方障碍物与自身车辆是否有危险。
报警规则的设定是在已经判断障碍物的运动情况下所选相对应的S■测得的距离S比较，在本文中约定：若1.5S■ 4 结论 根据汽车防撞辅助安全系统设计原则，针对常用传感器检测目标精度不高、识别能力差和算法的不足，提出一种改进的高精度检测系统和系统的数学模型。系统适用于城市公路和高速公路上的使用。可以对前方障碍物多目标的高精度识别以及目标的运动状态检测，实行多级安全报警机制。在驾驶员安全行驶的同时有效的避免漏报或者误报的发生。对于不同车型探测器的安装方法不同，与之对应的算法参数取值也略微有差异。本文所给出的参数是作于实验性研究，因此，对于不同车型根据其具体情况再做参数修改，提高测量精度。 【参考文献】 [1]戴永江.激光雷达原理[M].国防工业出版社，2002. [2]杨超.高速公路汽车安全距离模型[J].华东交通大学学报，（下转第26页）（上接第9页）2010. [3]彭进先，刘国福，等.低噪声电荷灵敏前置放大器关键技术的现状与发展[J]. 核电子学与探测技术，2012. [4]Koopmann J， Najm G. Characterizing the capability of a rear-end crash avoidance system[R]. SAE Paper， 2003. [5]YI K， CHUNG Jintai. Nonlinear brake control for vehicle CW/CA system [J]. IEEEl，9 SME Trans on Mechatronics， 2001. [6]裴晓飞，刘昭度，等.汽车主动避撞系统的安全距离模型和目标检测算法[J].汽车安全与节能学报，2012. [责任编辑：杨玉洁]
