常用車載距離探測(cè)技術(shù)及裝甲車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，裝甲車輛在日常訓(xùn)練過(guò)程中，惡性事故時(shí)有發(fā)生，給部隊(duì)的人員生命及裝備安全帶來(lái)極大的損失。裝甲車輛在行駛中通常采用閉倉(cāng)駕駛，駕駛員視線受到影響，而部隊(duì)訓(xùn)練又經(jīng)常在丘陵地域，路況十分不好，特別是北方部隊(duì)，訓(xùn)練時(shí)經(jīng)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(fù)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(xùn)練安全問(wèn)題，本文提出開發(fā)研究一種能實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息并及時(shí)提醒駕駛員或者系統(tǒng)自動(dòng)采取措施以避免出現(xiàn)危險(xiǎn)情況的裝甲車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的研究開發(fā)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

常用車載距離探測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

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

（1）超聲波傳感器

超聲波是頻率在20KHz以上，人耳感覺(jué)不到的聲波。與可聞聲相比，它的特點(diǎn)是頻率高，波長(zhǎng)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(dú)立的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器由高頻信號(hào)（40KHz~80KHz）來(lái)激勵(lì)。測(cè)量發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖至接收到反射信號(hào)所用的時(shí)間間隔，可以簡(jiǎn)單地估計(jì)出被測(cè)物體的距離。

其主要優(yōu)點(diǎn)是成本較低、尺寸較??；主要缺點(diǎn)是有些目標(biāo)物（如土壤和草木）的反射信號(hào)很弱而無(wú)法探測(cè)。另一個(gè)缺點(diǎn)是聲波在空氣中的傳播時(shí)間隨溫度變化，因此，超聲波傳感器用于溫度范圍較大的場(chǎng)合時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。故超聲波傳感器一般應(yīng)用在較短距離測(cè)量上，最佳距離為4米到5米。

（2）無(wú)源紅外線式傳感器

無(wú)源紅外線式傳感器是基于測(cè)量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的。與超聲波距離傳感器相同，無(wú)源紅外線傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低且尺寸??；主要缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使駕駛員得到的提前報(bào)警常常不足以躲避碰撞，這就限制了其在車輛碰撞報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（3）激光雷達(dá)傳感器

由于光束一般很集中，激光雷達(dá)主要用于大范圍直線距離的測(cè)量。激光雷達(dá)量程大、方向性強(qiáng)且響應(yīng)時(shí)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(shí)，激光能量必須在人眼安全水平范圍之內(nèi)。

（4）連續(xù)波雷達(dá)傳感器

連續(xù)波雷達(dá)采用頻率調(diào)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(hào)）。比較反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)，可得到與被測(cè)距離成比例的頻率差。利用返回信號(hào)的多普勒偏轉(zhuǎn)還能確定被測(cè)物體的相對(duì)速度。

連續(xù)波雷達(dá)的突出優(yōu)點(diǎn)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(diào)制得適于特殊用途。其主要缺點(diǎn)是微波和毫米波頻段的電磁裝置成本相對(duì)較高。另外，用電子學(xué)方法對(duì)相對(duì)窄的、探測(cè)距離大的波束進(jìn)行掃描能得到更大的測(cè)程和波束寬度，但復(fù)雜度和成本隨之增加。

防撞預(yù)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(yù)防碰撞的需要，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）定位并顯示附近車輛。應(yīng)能定位出附近車輛位置，并在顯示器中顯示出來(lái)。

（2）當(dāng)兩車距離小于安全距離時(shí)報(bào)警。應(yīng)能精確測(cè)得兩車間的距離，當(dāng)兩車距離小于安全距離（5m）時(shí)，發(fā)出警報(bào)提醒駕駛員。

系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)采用GPS系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行定位，通過(guò)無(wú)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(jì)算兩車的距離，當(dāng)兩車距離小于15m時(shí)，使用距離傳感器進(jìn)行精確測(cè)距，當(dāng)距離小于5m時(shí)發(fā)出警報(bào)。對(duì)比常用車載距離探測(cè)技術(shù)中各傳感器的性能，由于距離傳感器測(cè)距不需要太遠(yuǎn)，結(jié)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(cè)距器。

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

超聲測(cè)距從原理上可分為共振式和脈沖反射式兩種。由于應(yīng)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(cè)距原理是通過(guò)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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)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(chǎng)溫度的經(jīng)驗(yàn)公式：C＝331.5＋0.607T。只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現(xiàn)場(chǎng)溫度T，就可以精確計(jì)算出從發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離。

可以看出超聲波測(cè)距系統(tǒng)的主要部分有：

（1）供應(yīng)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(guān)部分；
（3）轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；
（4）接收反射聲能（回波）和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)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(shè)備；
（6）記錄/控制設(shè)備，通常控制發(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(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。

在超聲波測(cè)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(guò)程中衰減較大。故在超聲波測(cè)量中，常使用40KHz的超聲波。目前超聲波測(cè)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(cè)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(shí)共用一個(gè)，有時(shí)分開使用。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，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(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄/控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要目的是定位并顯示附近車輛位置，測(cè)量車距，危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警報(bào)。

根據(jù)實(shí)際的功能需求，將系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分成探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩個(gè)部分，其基本原理如圖1所示。其中，探測(cè)系統(tǒng)主要包括GPS模塊、超聲波測(cè)距模塊、無(wú)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(bào)警模塊、電源模塊和主控電路。

傳感器、GPS和無(wú)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(guó)SensComp公司的Sens600系列智能超聲波傳感器，Sens600是基于超靈敏測(cè)距模塊6500的增強(qiáng)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(cè)量范圍0.15m～10.7m，可外部觸發(fā)或內(nèi)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(hào)時(shí)，輸出高電平，因此需在回波輸出端連接反相器至單片機(jī)外部中斷口，以便即時(shí)響應(yīng)。另外，在超聲波傳感器開口端面增加喇叭狀套筒設(shè)計(jì)，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(qiáng)了抗干擾能力。