CN108407715A - 一种汽车安全预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车安全预警系统及方法，超声波信息采集系统用于监测车辆周围物体的相对运动趋势和相对位置；A/D转换器用于将超声波采集系统的信息处理后传给主控制器；转向灯状态检测装置用于判断驾驶员在车辆行驶过程中动作意向；驻车检测系统通过检测刹车踏板和手刹的状态来确定汽车状态从而使主控制器选择相应的算法进行运算；UPS电源给整个系统供电；主控制器计算输入的信息判断是否需要告警；告警系统通过声、光、触觉等物理信息提醒驾驶员注意危险。本发明能够帮助驾驶员和乘客提前发现危险情况，能有效减小碰撞事故发生的可能性，改善交通安全问题；同时本发明能有效剔除无用危险信息，避免不必要的告警分散驾驶员的注意力。

Description

一种汽车安全预警系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车主动安全技术领域，尤其涉及一种超声波雷达检测的汽车盲区汽车安全预警系统及方法。

背景技术

汽车100多年的发展史中，有关汽车的安全性能的研究和新技术的应用也发生了日新月异的变化，从最初的保险杠减振系统、乘客安全带系统、安全气囊到汽车碰撞试验，到车轮防抱制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR)，无盲点、无视差安全后视镜及儿童座椅系统的研究，汽车的安全性能正日趋完善。特别是近几年，随着科学技术的迅速发展，越来越多的先进技术被应用到汽车上。目前，世界各国都在运用现代高新科，加紧研制汽车安全技术，一批批有关汽车安全的前沿技术、新产品陆续装车使用，使未来的汽车更加安全。

汽车盲区预警系统是当下汽车主动安全一个热点研究的方向，所谓汽车盲区，是指驾驶员位于正常驾驶座位置，其视线被车体遮挡而不能直接观察到的那部分区域。汽车盲区也是导致的交通事故主要原因之一。目前市场上虽有高清摄像头可供给驾驶员观察汽车盲区的情况，但是装置价格昂贵，成本高，只在一些高档车型上面有配备，普及利用率低。

例如申请号为201610658590.6的中国发明专利申请，公开了一种汽车盲区驾驶预警系统及方法，包括热释电红外传感器组，信号处理模块，A/D转换模块、中央处理模块和报警模块；热释电红外传感器组包括多个热释电红外传感器，用于对各自所覆盖的盲点区域进行红外信息探测；中央处理模块接收信号处理模块所处理的数据并进行判断处理，若判断出有往外传感器所覆盖的盲点区域有人时，且发动机已启动，中央处理模块驱动报警模块进行报警提示。该装置虽然能对汽车各个盲区进行预警提示，但是预警对象只是人，对其他类型的障碍物不能有效的进行预警，同时利用的是红外传感器，感应距离短，抗干扰能力差，精度低。

又如申请号为201710245800.3的中国发明专利申请，公开了一种基于多雷达的汽车防撞预警系统及方法，该系统包括车载蓄电池、控制模块、雷达模块、距离显示模块、蜂鸣器和指示灯，控制模块分别与其他模块均相连，雷达分布于车身的前部、后部、左侧和右侧。该种基于多雷达的汽车防撞预警系统及方法，在车身的前后左右四个方向分别安装多个雷达，分别安装与车门，车前的进气格栅和车后的保险杠，并且声音预警的同时又视觉预警。但是该装置的雷达分布简单，并没有进行计算分析，不能预警所有的汽车盲区。

本发明基于上述分析，旨在开发一种低成本高精度的多超声波雷达检测的汽车安全预警系统。实现汽车的主动安全。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种汽车安全预警系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种汽车安全预警系统，包括有超声波信息采集系统、A/D转换器、转向灯状态检测装置、驻车检测系统、UPS电源、主控制器和告警系统，所述的UPS电源分别给超声波信息采集系统、A/D转换器、转向灯状态检测装置、驻车检测系统、主控制器和告警系统供电，所述的超声波信息采集系统与A/D转换器连接，所述的A/D转换器、转向灯状态检测装置、驻车检测系统、告警系统均与主控制器连接，所述的超声波信息采集系统监测车辆周围物体的相对运动趋势和相对位置，并将采集的信息发送给A/D转换器，A/D转换器将超声波信息采集系统的信息处理后传给主控制器，转向灯状态检测装置用于判断驾驶员在车辆行驶过程中动作意向，驻车检测系统通过检测刹车踏板和手刹的状态来确定汽车状态，主控制器计算输入的信息判断是否需要告警；告警系统接收到报警信号做出相应的报警动作。

所述的超声波信息采集系统由14个超声波雷达传感器构成，其中汽车前后保险杠在同一水平线上各均匀地布置三个，汽车两个侧边在同一水平线上各均匀地布置四个。

所述的转向灯状态检测装置为安装在转向灯拨动杆上的对射光电开关，拨动转向灯拨动杆时，通过对射光电开关判断操作杆上下的位置，判断开的是左转还是右转灯。

所述的驻车检测系统包括有安装在手刹把手上的位移传感器一和安装在刹车踏板的位移传感器二，位移传感器判断手刹根据位移的增量还是减量来区别，输出高低两种不一样的电平，来判断是刹车状态还是松开状态，其中主控制器通过位移传感器一输出的信号来判断手刹是否启用；主控制器通过位移传感器二输出的信号来判断刹车踏板是否启用，将两者相结合判断出汽车的驻车状态，只有当脚刹和手刹都处于松开状态，车辆是行驶状态，不管是脚刹还是手刹有一个处于刹车状态或两者都是刹车状态，车辆都是停车状态。

所述的UPS电源为车载UPS电源；所述的告警系统是由三个相互独立的报警模块组成，分别是指示灯告警模块、震动告警模块和蜂鸣器告警模块组成。

所述的主控制器的型号为STM32F103V。

一种汽车安全预警方法，包括以下步骤：

步骤1，将超声波雷达传感器均匀地分布在汽车的前部、后部、左侧和右侧，其中汽车前后保险杠各在同一水平线上均匀地布置三个，汽车两个侧边各在同一水平线上均匀地布置四个；

步骤2，当汽车发动机启动后，车辆预警系统开启，四周超声波雷达传感器启用，各个超声波雷达传感器采集距离数据，主控制器处理判断所设定的安全距离内有没有障碍物，若有障碍物，则告警系统发出指示灯告警；若无障碍物，则无相应动作；

步骤3，当驻车检测系统检测到车辆为行驶状态时，转向灯状态检测装置将检测到的信息发送给主控制器，主控制器判断转向灯的方向，各超声波雷达传感器实时采集距离信息，主控制器通过预制算法根据转向灯信息和超声波雷达传感器采集的距离信息判断车辆的相对运动趋势方向是否有障碍物，若有，则告警系统发出座椅震动告警；若无，则无相应动作；

步骤4，当驻车检测系统检测到车辆为停泊状态时，超声波雷达持续扫描采集相关距离信息，若主控制器判断距离小于设定阈值，则判断周围障碍物对车辆有威胁，告警系统发出蜂鸣器告警；若不小于设定阈值，则无相应动作；

步骤5，当收到锁车信号时，系统停止工作。

步骤2、3、4中的超声波雷达传感器采集距离信息的原理是利用时间差测距法，即发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，接收器收到反射波就立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s＝340t/2。

所述主控制器的预制算法为：在运算中建立坐标系：以汽车右侧向前方向为X轴，以汽车后方向左为Y轴建立直角坐标系求出周围障碍物的坐标方便运算，计算方法如下：r₁,r₂为探测到同一障碍物的两个超声波雷达传感器，其中r₁为靠近坐标轴一侧的超声波雷达传感器，α角为Δr₁r₂q的∠r₁，q为障碍物所在位置，d为障碍物到最近一面车身的距离，p为Δr₁r₂q的周长，w为汽车宽度，l为汽车长度，x_r,y_r为超声波雷达的横纵坐标，

利用海伦公式：

求解得出d；

利用余弦定理：求解得出cosα；

当障碍物q在汽车左侧时：y_q＝w+d，x_q＝x_r1+|qr₁|cosα，y_q为障碍物q的纵坐标，x_q为障碍物q的横坐标，为超声波雷达传感器r₁的横坐标；

当障碍物q在汽车右侧时：y_q＝-d，

当障碍物q在汽车前面时：x_q＝l+d；

当障碍物q在汽车后面时：x_q＝-d。

步骤3中判断是否需要告警的算法为：连续三次扫描在t₁,t₂,t₃时刻捕捉同一障碍物点p的三个位置为p₁,p₂,p₃，求得障碍物p到最近一面车身的距离d₁,d₂,d₃，当d₂-d₁＜0,d₃-d₂＜0同时满足时，主控制器发出信号给告警系统，告警系统发出震动告警；步骤4中判断是否需要告警的算法为：持续扫描周围障碍物到最近一面车身的距离d，当d＜m时，主控制器发出信号给告警系统，告警系统发出蜂鸣器告警，m为车侧到车门最远端距离。

所述的告警系统是由三个相互独立的报警模块组成，分别是指示灯告警模块、震动告警模块和蜂鸣器告警模块组成。其中指示灯告警模块由一个指示灯和电路连接，当有相应信号输入时，模块工作，指示灯发光报警；震动告警模块由一个震动装置和电路连接，当有相应信号输入时，模块工作，震动装置带动座椅震动报警；蜂鸣器告警模块由一个蜂鸣器和电路连接，当有相应信号输入时，模块工作，蜂鸣器发声报警。这样通过不同的告警方式来判断不同的危险类型，从而提示驾驶员采取相应的应警措施。行驶过程中的告警方式为指示灯告警和座椅震动告警，停泊后的告警方式为蜂鸣器告警。

所述转向灯状态检测装置通过监测车辆的转向灯所打的方向来判断驾驶员驾驶车辆转向方向的意图。

所述驻车检测系统通过检测刹车踏板和手刹的状态来判断汽车是否处于驻车状态进而判断主控制器是否需要改变运算方式。

所述UPS电源为车载UPS电源，用于给整个安全预警系统供电以保证系统工作的可靠性。

所述主控制器接收A/D转换器转换过来的数字信号，进行运算处理，通过内部设定的计算函数计算出障碍物与车辆的大致距离，与设定好的预警阈值进行比较，控制告警系统做出相应动作。主控制器与A/D转换器和告警系统电气连接。

本发明的优点是：

(1)本发明在汽车的四周都布置有超声波雷达传感器，能够检测到驾驶员存在的所有盲区，辅助驾驶员的判断，实现汽车的主动安全，从而减少交通事故的发生。

(2)本发明采用超声波雷达传感器，相比于高清摄像头传感设备，其成本较低；相比于热释电红外传感器，其测量精度高，测量范围广。

(3)本发明采用分类告警系统，不同的状况控制告警系统产生不同的告警方式，驾驶员能够更加精确的判断危险状况，从而有针对性的采取相应措施。

(4)本发明的主处理器的数据是通过A/D转换器转换过来的数字信号，抗干扰能力大大增强，与传统的硬件直接测量方式相比，测量的准确度大大提高。

附图说明

图1为本发明的工作原理框图。

图2为本发明的工作流程图。

图3为超声波雷达探测器在汽车上的分布示意。

图4为求解障碍物坐标点的方法示意图。

图5为系统在汽车行驶过程中的算法示意图。

图6为系统在汽车停泊过程中的算法示意图。

图7为主控制器的外围电路图。

图8为超声波信息采集系统外围电路图。

图9为转向灯状态检测装置的外围电路图。

图10为驻车检测系统外围电路图。

图11为告警系统外围电路图。

图12为UPS电源外围电路图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种汽车安全预警系统，包括有超声波信息采集系统1、A/D转换器2、转向灯状态检测装置3、驻车检测系统4、UPS电源5、主控制器6和告警系统7，所述的UPS电源5分别给超声波信息采集系统1、A/D转换器2、转向灯状态检测装置3、驻车检测系统4、主控制器6和告警系统7供电，所述的超声波信息采集系统1与A/D转换器2连接，所述的A/D转换器2、转向灯状态检测装置3、驻车检测系统4、告警系统7均与主控制器6连接，所述的超声波信息采集系统1监测车辆周围物体的相对运动趋势和相对位置，并将采集的信息发送给A/D转换器2，A/D转换器2将超声波信息采集系统1的信息处理后传给主控制器6，转向灯状态检测装置3用于判断驾驶员在车辆行驶过程中动作意向，驻车检测系统4通过检测刹车踏板和手刹的状态来确定汽车状态，主控制器6计算输入的信息判断是否需要告警；告警系统7接收到报警信号做出相应的报警动作。各外围电路及具体连接关系如图7、8、9、10、11、12所示。

所述的超声波信息采集系统1是由多个超声波雷达传感器构成的。

如图3所示，所述的超声波信息采集系统1由14个超声波雷达传感器构成，其中汽车前后保险杠在同一水平线上各均匀地布置三个，汽车两个侧边在同一水平线上各均匀地布置四个。

所述的转向灯状态检测装置3为安装在转向灯拨动杆上的对射光电开关，拨动转向灯拨动杆时，通过对射光电开关判断操作杆上下的位置，判断开的是左转还是右转灯。

所述的驻车检测系统4包括有安装在手刹把手上的位移传感器一8和安装在刹车踏板的位移传感器二9，位移传感器判断手刹根据位移的增量还是减量来区别，输出高低两种不一样的电平，来判断是刹车状态还是松开状态，其中主控制器通过位移传感器一输出的信号来判断手刹是否启用；主控制器通过位移传感器二输出的信号来判断刹车踏板是否启用，将两者相结合判断出汽车的驻车状态。

所述的UPS电源5为车载UPS电源。

所述的主控制器6的型号为STM32F103V。

所述的告警系统7是由三个相互独立的报警模块组成，分别是指示灯告警模块10、震动告警模块11和蜂鸣器告警模块12组成。

一种汽车安全预警方法，具体工作步骤如下：

步骤1，将超声波雷达均匀地分布在汽车的前部、后部、左侧和右侧，其中汽车前后保险杠各在同一水平线上均匀地布置三个，汽车两个侧边各在同一水平线上均匀地布置四个。

步骤2，当汽车发动机启动后，车辆预警系统开启，四周超声波雷达启用，各个超声波雷达采集距离数据，主控制器处理判断所设定的安全距离内有没有障碍物。若有障碍物，则告警系统发出指示灯告警；若无障碍物，则无相应动作。

步骤3，超声波雷达实时采集距离信息，主控制器通过预制算法判断物体与车辆相对运动趋势是否有危险或驾驶员是否有危险意向(向危险方向打转向灯)。若有，则告警系统发出座椅震动告警；若无，则无相应动作。

步骤4，当汽车泊车时，超声波雷达持续扫描采集相关距离信息，若主控制器判断距离小于设定阈值，则判断周围障碍物对车辆有威胁，告警系统发出蜂鸣器告警；若不小于设定阈值，则无相应动作。

步骤5，当收到锁车信号时，系统停止工作。

所述步骤2、3、4中的超声波雷达采集距离信息的原理是利用时间差测距法。即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s＝340t/2。

如图4、5、6所示，所述步骤2、3、4主控制器在运算中建立坐标系的方法为：以汽车右侧向前方向为X轴，以汽车后方向左为Y轴建立直角坐标系求出周围障碍物的坐标方便运算。计算方法如下：r₁,r₂为探测到同一障碍物的两个超声波雷达，其中r₁为靠近坐标轴一侧的超声波雷达，α角为Δr₁r₂q的∠r₁。d为障碍物到最近一面车身的距离，p为Δr₁r₂q的周长，w为汽车宽度，l为汽车长度，x_r,y_r为超声波雷达的横纵坐标。

利用海伦公式：

求解得出d。

利用余弦定理：求解得出cosα。

当障碍物q在汽车左侧时：y_q＝w+d，

当障碍物q在汽车右侧时：y_q＝-d，

当障碍物q在汽车前面时：x_q＝l+d。

当障碍物q在汽车后面时：x_q＝-d。

步骤3中判断是否需要告警的算法为：连续三次扫描在t₁,t₂,t₃时刻捕捉同一障碍物点p的三个位置为p₁,p₂,p₃，求得d₁,d₂,d₃，当d₂-d₁＜0,d₃-d₂＜0同时满足时，主控制器发出信号给告警系统，告警系统发出震动告警。

步骤4中判断是否需要告警的算法为：持续扫描周围障碍物的位置为，求得d，当d＜m时，主控制器发出信号给告警系统，告警系统发出蜂鸣器告警(m为车侧到车门最远端距离)。

Claims (10)

1.一种汽车安全预警系统，其特征在于：包括有超声波信息采集系统、A/D转换器、转向灯状态检测装置、驻车检测系统、UPS电源、主控制器和告警系统，所述的UPS电源分别给超声波信息采集系统、A/D转换器、转向灯状态检测装置、驻车检测系统、主控制器和告警系统供电，所述的超声波信息采集系统与A/D转换器连接，所述的A/D转换器、转向灯状态检测装置、驻车检测系统、告警系统均与主控制器连接，所述的超声波信息采集系统监测车辆周围物体的相对运动趋势和相对位置，并将采集的信息发送给A/D转换器，A/D转换器将超声波信息采集系统的信息处理后传给主控制器，转向灯状态检测装置用于判断驾驶员在车辆行驶过程中动作意向，驻车检测系统通过检测刹车踏板和手刹的状态来确定汽车状态，主控制器计算输入的信息判断是否需要告警；告警系统接收到报警信号做出相应的报警动作。

2.根据权利要求1所述的一种汽车安全预警系统，其特征在于：所述的超声波信息采集系统由14个超声波雷达传感器构成，其中汽车前后保险杠在同一水平线上各均匀地布置三个，汽车两个侧边在同一水平线上各均匀地布置四个。

3.根据权利要求1所述的一种汽车安全预警系统，其特征在于：所述的转向灯状态检测装置为安装在转向灯拨动杆上的对射光电开关。

4.根据权利要求1所述的一种汽车安全预警系统，其特征在于：所述的驻车检测系统包括有安装在手刹把手上的位移传感器一和安装在刹车踏板的位移传感器二，其中主控制器通过位移传感器一输出的信号来判断手刹是否启用；主控制器通过位移传感器二输出的信号来判断刹车踏板是否启用，将两者相结合判断出汽车的驻车状态。

5.根据权利要求1所述的一种汽车安全预警系统，其特征在于：所述的UPS电源为车载UPS电源；所述的告警系统是由三个相互独立的报警模块组成，分别是指示灯告警模块、震动告警模块和蜂鸣器告警模块组成。

6.根据权利要求1所述的一种汽车安全预警系统，其特征在于：所述的主控制器的型号为STM32F103V。

7.一种汽车安全预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，将超声波雷达传感器均匀地分布在汽车的前部、后部、左侧和右侧，其中汽车前后保险杠各在同一水平线上均匀地布置三个，汽车两个侧边各在同一水平线上均匀地布置四个；

步骤2，当汽车发动机启动后，车辆预警系统开启，四周超声波雷达传感器启用，各个超声波雷达传感器采集距离数据，主控制器处理判断所设定的安全距离内有没有障碍物，若有障碍物，则告警系统发出指示灯告警；若无障碍物，则无相应动作；

步骤3，当驻车检测系统检测到车辆为行驶状态时，转向灯状态检测装置将检测到的信息发送给主控制器，主控制器判断转向灯的方向，各超声波雷达传感器实时采集距离信息，主控制器通过预制算法根据转向灯信息和超声波雷达传感器采集的距离信息判断车辆的相对运动趋势方向是否有障碍物，若有，则告警系统发出座椅震动告警；若无，则无相应动作；

步骤4，当驻车检测系统检测到车辆为停泊状态时，超声波雷达持续扫描采集相关距离信息，若主控制器判断距离小于设定阈值，则判断周围障碍物对车辆有威胁，告警系统发出蜂鸣器告警；若不小于设定阈值，则无相应动作；

步骤5，当收到锁车信号时，系统停止工作。

8.根据权利要求7所述的一种汽车安全预警方法，其特征在于：步骤2、3、4中的超声波雷达传感器采集距离信息的原理是利用时间差测距法，即发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，接收器收到反射波就立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s＝340t/2。

9.根据权利要求8所述的一种汽车安全预警方法，其特征在于：所述主控制器的预制算法为：在运算中建立坐标系：以汽车右侧向前方向为X轴，以汽车后方向左为Y轴建立直角坐标系求出周围障碍物的坐标方便运算，计算方法如下：r₁,r₂为探测到同一障碍物的两个超声波雷达传感器，其中r₁为靠近坐标轴一侧的超声波雷达传感器，α角为Δr₁r₂q的∠r₁，q为障碍物所在位置，d为障碍物到最近一面车身的距离，p为Δr₁r₂q的周长，w为汽车宽度，l为汽车长度，x_r,y_r为超声波雷达的横纵坐标，

利用海伦公式：

求解得出d；

利用余弦定理：求解得出cosα；

当障碍物q在汽车左侧时：y_q＝w+d，y_q为障碍物q的纵坐标，x_q为障碍物q的横坐标，为超声波雷达传感器r₁的横坐标；

当障碍物q在汽车右侧时：y_q＝-d，

当障碍物q在汽车前面时：x_q＝l+d；

当障碍物q在汽车后面时：x_q＝-d。

10.根据权利要求9所述的一种汽车安全预警方法，其特征在于：步骤3中判断是否需要告警的算法为：连续三次扫描在t₁,t₂,t₃时刻捕捉同一障碍物点p的三个位置为p₁,p₂,p₃，求得障碍物p到最近一面车身的距离d₁,d₂,d₃，当d₂-d₁＜0,d₃-d₂＜0同时满足时，主控制器发出信号给告警系统，告警系统发出震动告警；步骤4中判断是否需要告警的算法为：持续扫描周围障碍物到最近一面车身的距离d，当d＜m时，主控制器发出信号给告警系统，告警系统发出蜂鸣器告警，m为车侧到车门最远端距离。