常用车载距离探测技术及装甲车辆防撞预警系统设计

近年来，装甲车辆在日常训练过程中，恶性事故时有发生，给部队的人员生命及装备安全带来极大的损失。装甲车辆在行驶中通常采用闭仓驾驶，驾驶员视线受到影响，而部队训练又经常在丘陵地域，路况十分不好，特别是北方部队，训练时经常伴有大量的灰尘，这就大大增加了车辆事故的发生概率。造成装甲车辆碰撞的原因十分复杂，既有装甲车辆自身的因素，也有人为的因素，还有道路、气象等环境因素，总而言之，人、车、环境是影响车辆行驶安全性能的三大因素，这三者组成了相互制约的系统工程。

为了解决装甲车辆训练安全问题，本文提出开发研究一种能实时获取车辆位置信息并及时提醒驾驶员或者系统自动采取措施以避免出现危险情况的装甲车辆防撞预警系统，该系统的研究开发具有极大的现实意义和广阔的应用前景。

常用车载距离探测技术简介

目前，距离传感器主要分为三类：声学类——超声波；光学类——无源红外线、激光雷达及视频成像系统；电磁类——连续波雷达/单脉冲雷达及电容式传感器等。每一种距离探测技术都有其适用的场合。

（1）超声波传感器

超声波是频率在20KHz以上，人耳感觉不到的声波。与可闻声相比，它的特点是频率高，波长短，在传播中具有良好的束射性、穿透性和方向性。超声波距离传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高频信号（40KHz~80KHz）来激励。测量发射一个超声波脉冲至接收到反射信号所用的时间间隔，可以简单地估计出被测物体的距离。

其主要优点是成本较低、尺寸较小；主要缺点是有些目标物（如土壤和草木）的反射信号很弱而无法探测。另一个缺点是声波在空气中的传播时间随温度变化，因此，超声波传感器用于温度范围较大的场合时，必须进行温度补偿。故超声波传感器一般应用在较短距离测量上，最佳距离为4米到5米。

（2）无源红外线式传感器

无源红外线式传感器是基于测量传感器附近物体所发射的热能来实现测距的。与超声波距离传感器相同，无源红外线传感器的主要优点是成本低且尺寸小；主要缺点是响应时间过长，使驾驶员得到的提前报警常常不足以躲避碰撞，这就限制了其在车辆碰撞报警系统中的应用。

（3）激光雷达传感器

由于光束一般很集中，激光雷达主要用于大范围直线距离的测量。激光雷达量程大、方向性强且响应时间快，但成本高、易受外界环境（如能见度低、传感器表面有泥土）的影响。同时，激光能量必须在人眼安全水平范围之内。

（4）连续波雷达传感器

连续波雷达采用频率调制的高频电磁载波（一般为微波频率或者更高、通常为锯齿形信号）。比较反射信号与发射信号，可得到与被测距离成比例的频率差。利用返回信号的多普勒偏转还能确定被测物体的相对速度。

连续波雷达的突出优点是能穿透泥土和飞溅物“看到”物体；并且窄波束和宽波束均可以使用，因而能够把波束宽度调制得适于特殊用途。其主要缺点是微波和毫米波频段的电磁装置成本相对较高。另外，用电子学方法对相对窄的、探测距离大的波束进行扫描能得到更大的测程和波束宽度，但复杂度和成本随之增加。

防撞预警系统的基本功能及工作原理

根据野战条件下装甲车辆预防碰撞的需要，系统应具备以下功能：

（1）定位并显示附近车辆。应能定位出附近车辆位置，并在显示器中显示出来。

（2）当两车距离小于安全距离时报警。应能精确测得两车间的距离，当两车距离小于安全距离（5m）时，发出警报提醒驾驶员。

系统的工作原理：系统采用GPS系统对车辆进行定位，通过无线模块接收周围车辆位置并向外发送本车位置。在显示屏上显示周围车辆，并计算两车的距离，当两车距离小于15m时，使用距离传感器进行精确测距，当距离小于5m时发出警报。对比常用车载距离探测技术中各传感器的性能，由于距离传感器测距不需要太远，结合成本及体积等方面的考虑，选择超声波传感器作为本系统中的近距离测距器。

超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。

超声测距从原理上可分为共振式和脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感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停止计时。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=C×t/2，式中，C为超声波音速，由于超声波也是声波，故C即为音速。

声速与现场温度的经验公式：C＝331.5＋0.607T。只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及现场温度T，就可以精确计算出从发射点到障碍物的距离。

可以看出超声波测距系统的主要部分有：

（1）供应电能的脉冲发生器（发射电路）；
（2）使接收和发射隔离的开关部分；
（3）转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；
（4）接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；
（5）接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；
（6）记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用40KHz的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，因此具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用频率范围为25KHz~300KHz的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，有时分开使用。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。

系统的总体结构

设计本系统的主要目的是定位并显示附近车辆位置，测量车距，危险时发出警报。

根据实际的功能需求，将系统的整体设计分成探测系统和数据处理系统两个部分，其基本原理如图1所示。其中，探测系统主要包括GPS模块、超声波测距模块、无线模块、电源模块、主控电路和通信接口；数据处理系统主要包括显示模块、报警模块、电源模块和主控电路。

传感器、GPS和无线模块的选择

（1）超声波传感器的选择

超声波传感器采用美国SensComp公司的Sens600系列智能超声波传感器，Sens600是基于超灵敏测距模块6500的增强型静电传感器系列，集发送、接收于一体，新的电压控制电路使传感器可工作在6V～24V 直流电源下，测量范围0.15m～10.7m，可外部触发或内部触发，封装较小，终端引脚连接方便。由于超声波传感器接收到回波信号时，输出高电平，因此需在回波输出端连接反相器至单片机外部中断口，以便即时响应。另外，在超声波传感器开口端面增加喇叭状套筒设计，以限制和减少偏离发射轴中心较大的发射波和接收波，在一定程度上增强了抗干扰能力。