常用車載距離探測技術及裝甲車輛防撞預警系統(tǒng)設計

近年來，裝甲車輛在日常訓練過程中，惡性事故時有發(fā)生，給部隊的人員生命及裝備安全帶來極大的損失。裝甲車輛在行駛中通常采用閉倉駕駛，駕駛員視線受到影響，而部隊訓練又經常在丘陵地域，路況十分不好，特別是北方部隊，訓練時經常伴有大量的灰塵，這就大大增加了車輛事故的發(fā)生概率。造成裝甲車輛碰撞的原因十分復雜，既有裝甲車輛自身的因素，也有人為的因素，還有道路、氣象等環(huán)境因素，總而言之，人、車、環(huán)境是影響車輛行駛安全性能的三大因素，這三者組成了相互制約的系統(tǒng)工程。

為了解決裝甲車輛訓練安全問題，本文提出開發(fā)研究一種能實時獲取車輛位置信息并及時提醒駕駛員或者系統(tǒng)自動采取措施以避免出現(xiàn)危險情況的裝甲車輛防撞預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的研究開發(fā)具有極大的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。

常用車載距離探測技術簡介

目前，距離傳感器主要分為三類：聲學類——超聲波；光學類——無源紅外線、激光雷達及視頻成像系統(tǒng)；電磁類——連續(xù)波雷達/單脈沖雷達及電容式傳感器等。每一種距離探測技術都有其適用的場合。

（1）超聲波傳感器

超聲波是頻率在20KHz以上，人耳感覺不到的聲波。與可聞聲相比，它的特點是頻率高，波長短，在傳播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超聲波距離傳感器一般采用獨立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號（40KHz~80KHz）來激勵。測量發(fā)射一個超聲波脈沖至接收到反射信號所用的時間間隔，可以簡單地估計出被測物體的距離。

其主要優(yōu)點是成本較低、尺寸較小；主要缺點是有些目標物（如土壤和草木）的反射信號很弱而無法探測。另一個缺點是聲波在空氣中的傳播時間隨溫度變化，因此，超聲波傳感器用于溫度范圍較大的場合時，必須進行溫度補償。故超聲波傳感器一般應用在較短距離測量上，最佳距離為4米到5米。

（2）無源紅外線式傳感器

無源紅外線式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來實現(xiàn)測距的。與超聲波距離傳感器相同，無源紅外線傳感器的主要優(yōu)點是成本低且尺寸?。恢饕秉c是響應時間過長，使駕駛員得到的提前報警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車輛碰撞報警系統(tǒng)中的應用。

（3）激光雷達傳感器

由于光束一般很集中，激光雷達主要用于大范圍直線距離的測量。激光雷達量程大、方向性強且響應時間快，但成本高、易受外界環(huán)境（如能見度低、傳感器表面有泥土）的影響。同時，激光能量必須在人眼安全水平范圍之內。

（4）連續(xù)波雷達傳感器

連續(xù)波雷達采用頻率調制的高頻電磁載波（一般為微波頻率或者更高、通常為鋸齒形信號）。比較反射信號與發(fā)射信號，可得到與被測距離成比例的頻率差。利用返回信號的多普勒偏轉還能確定被測物體的相對速度。

連續(xù)波雷達的突出優(yōu)點是能穿透泥土和飛濺物“看到”物體；并且窄波束和寬波束均可以使用，因而能夠把波束寬度調制得適于特殊用途。其主要缺點是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對較高。另外，用電子學方法對相對窄的、探測距離大的波束進行掃描能得到更大的測程和波束寬度，但復雜度和成本隨之增加。

防撞預警系統(tǒng)的基本功能及工作原理

根據(jù)野戰(zhàn)條件下裝甲車輛預防碰撞的需要，系統(tǒng)應具備以下功能：

（1）定位并顯示附近車輛。應能定位出附近車輛位置，并在顯示器中顯示出來。

（2）當兩車距離小于安全距離時報警。應能精確測得兩車間的距離，當兩車距離小于安全距離（5m）時，發(fā)出警報提醒駕駛員。

系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)采用GPS系統(tǒng)對車輛進行定位，通過無線模塊接收周圍車輛位置并向外發(fā)送本車位置。在顯示屏上顯示周圍車輛，并計算兩車的距離，當兩車距離小于15m時，使用距離傳感器進行精確測距，當距離小于5m時發(fā)出警報。對比常用車載距離探測技術中各傳感器的性能，由于距離傳感器測距不需要太遠，結合成本及體積等方面的考慮，選擇超聲波傳感器作為本系統(tǒng)中的近距離測距器。

超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。

超聲測距從原理上可分為共振式和脈沖反射式兩種。由于應用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計時。根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（S），即S=C×t/2，式中，C為超聲波音速，由于超聲波也是聲波，故C即為音速。

聲速與現(xiàn)場溫度的經驗公式：C＝331.5＋0.607T。只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及現(xiàn)場溫度T，就可以精確計算出從發(fā)射點到障礙物的距離。

可以看出超聲波測距系統(tǒng)的主要部分有：

（1）供應電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；
（2）使接收和發(fā)射隔離的開關部分；
（3）轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質中的發(fā)射傳感器；
（4）接收反射聲能（回波）和轉換聲能為電信號的接收傳感器；
（5）接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設備；
（6）記錄/控制設備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數(shù)據(jù)，并將時間間隔轉換成距離。

在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，因此具有很高的抗干擾性能。

距離測量系統(tǒng)常用頻率范圍為25KHz~300KHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，有時分開使用。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動或關閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。

系統(tǒng)的總體結構

設計本系統(tǒng)的主要目的是定位并顯示附近車輛位置，測量車距，危險時發(fā)出警報。

根據(jù)實際的功能需求，將系統(tǒng)的整體設計分成探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個部分，其基本原理如圖1所示。其中，探測系統(tǒng)主要包括GPS模塊、超聲波測距模塊、無線模塊、電源模塊、主控電路和通信接口；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要包括顯示模塊、報警模塊、電源模塊和主控電路。

傳感器、GPS和無線模塊的選擇

（1）超聲波傳感器的選擇

超聲波傳感器采用美國SensComp公司的Sens600系列智能超聲波傳感器，Sens600是基于超靈敏測距模塊6500的增強型靜電傳感器系列，集發(fā)送、接收于一體，新的電壓控制電路使傳感器可工作在6V～24V 直流電源下，測量范圍0.15m～10.7m，可外部觸發(fā)或內部觸發(fā)，封裝較小，終端引腳連接方便。由于超聲波傳感器接收到回波信號時，輸出高電平，因此需在回波輸出端連接反相器至單片機外部中斷口，以便即時響應。另外，在超聲波傳感器開口端面增加喇叭狀套筒設計，以限制和減少偏離發(fā)射軸中心較大的發(fā)射波和接收波，在一定程度上增強了抗干擾能力。