本发明属于汽车防撞技术领域，特别是涉及一种基于激光测距的汽车自动防撞系统。
背景技术：
从传统上说，汽车安全的可以从两个方向进行研究：一是主动式安全技术，即防止事故的发生，该种方式是目前汽车安全研究的最终目的；二是被动式安全技术，即事故发生后的乘员保护。目前汽车安全领域被动安全研究较多，主要从安全气囊、ABS(防抱死系统)和悬架等方面着手，以保证驾乘人员的安全。从经济性和安全性两方面来说，这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护，有很大的局限性。在二十世纪90年代，由于借助了日趋成熟的电子技术和计算机技术，汽车主动防撞技术就被应用到大批量生产的汽车上，例如，在乘用车上装备了安全眼、车尾反射板、测距雷达系统等，以加强防撞安全措施，提高汽车的主动安全性。在德国，维尔德黑布吕格公司光学传感器分部研制了MEAR系统。这种激光测距系统由三部分组成：一台传感器头(包括测距传感器和电视摄像机)，一台数据记录器和控制单元，以及一台仪表板显示单元，位于车头前的这种激光测距系统可向司机提供与其它车辆和目标物之间的距离及相对速度数据，还可提供视频图像。为了探测车头正前方以外区域的目标物，美国通用汽车公司正在研究一种称之为“视觉控制雷达”的安全告警系统。该系统由一台电视摄像机来测定道路边界和曲度，再根据电视摄像机所获得的信息来控制激光雷达，这时激光雷达就可随着汽车的实际路线来调整探的方向，增加有效作用距离，实现对目标物的最佳测量.
我国的智能汽车系统的研究发展较晚，且与国外机构的高投入系统性的研发相比，国内的研发机构虽然多，但相对分散，而且国内的研发机构大都以自己的研发为主，缺乏联系沟通。清华大学侯德藻在博士毕业论文中，以车辆动力学及控制理论为基础，对实现汽车纵向主动防撞系统功能所涉及的车辆动力学建模与控制、行车安全距离模型、实际交通环境中目标车辆识别及运动信息获取、实车实验平台的开发等进行了研究，实现了纵向主动防撞的系统功能。重庆大学柴毅在博士论文中，针对汽车行驶中的安全问题,以汽车主动安全系统为研究对象,采用信息处理技术和智能化技术对信息的表示、行 驶安全的动态模型、系统的构成和建模、信息的实时获取、行驶防撞等进行了较系统的研究.从汽车安全的角度,概括叙述了汽车及其安全性的有关问题,讨论了智能汽车系统以及汽车防撞安全系统,对汽车主动安全系统的研究内容进行了的分析。
虽然已经有相应的试验产品问世。但是到目前为止，并没有实用化规模化的车用防撞系统正式生产并投放市场，除了成本方面的因素外，技术上存在虚警率较高的问题，即防撞系统在并无危险状况的时候错误地判断出了危险状况的概率较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于激光测距的汽车主动防撞系统，引入了方向盘传感器、测速传感器、车身俯仰传感器来联合判别汽车的运动状态，虚警率低，能够在适当时候给出合理的报警及控制信号。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于激光测距的汽车主动防撞系统，包括激光测距模块、汽车转向测量模块、测速模块、激光器姿态调整模块、数据处理模块；激光测距模块包括三路激光器，所述三路激光器均布在汽车前端，用于测量汽车与障碍物的距离；汽车转向测量模块用于测量当前转弯半径；测速模块用于采集汽车当前速度；激光器姿态调整模块根据汽车的载重将所述主驾激光器和副驾激光器的光路调整至水平姿态；数据处理模块根据前述模块获得的数据给出报警、减速或者刹车信号。
进一步，所述数据处理模块对位于转弯半径之外的距离信号予以屏蔽。
进一步，所述测速模块计算汽车速度vT的方法如下式所示，
其中，T为汽车码表上的速度信号的当前周期，T0和v0是先验值，T0是将汽车以固定的速度v0行驶时测量获得的其对应的汽车码表上速度信号的周期。
进一步，测量汽车码表上速度信号连续N个周期长度，然后依次去掉其中最大的和最小的各s个周期长度，对剩下的N-2s个周期长度求平均获得所述当前周期。
进一步，所述激光器姿态调整模块包含汽车俯仰传感器、汽车探测雷达俯仰自动调整装置和单片机；单片机根据汽车载重控制汽车探测雷达俯仰自动调整装置将主驾和副驾的激光器的光路调整到最佳探测位置。
进一步，数据处理模块给出的报警、减速或者刹车信号的方法为：
假设主驾激光器的报警、减速、刹车信号分别为Alarmz,Slowz,Brakez，中驾激光器的报警、减速、刹车信号分别为Alarmo,Slowo,Brakeo，副驾激光器的报警、减速、刹车信号分别为Alarmf,Slowf,Brakef，系统最终做决策的报警、减速、刹车信号分别为Alarm,Slow,Brake，前述信号等于1代表有效，等于0代表无效；
如果Alarmz+Alarmo+Alarmf≥2,那么Alarm＝1,否则Alarm＝0；
如果Slowz+Slowo+Slowf≥2,那么Slow＝1,否则Slow＝0；
如果Brakez+Brakeo+Brakef≥2,那么Brake＝1,否则Brake＝0。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)采用位于汽车底盘前方的主驾、中驾、副驾三路激光器来测量汽车与前方障碍物的距离，通过激光器两两联合的方式来提高目标识别的稳定性，降低虚警率；(2)采用方向盘传感器来测量汽车是否处于转弯状态，以及转弯的大小，并根据方向盘的角度大小获得对应的安全距离，在这个安全距离之外的障碍物可以不予考虑，从而屏蔽掉由于转弯时激光器探测到不具有危险性的障碍物时产生的虚假报警；(3)引入测速传感器测量汽车的绝对速度，由于在低速行驶或者汽车静止的状态下，潜在的危险性非常小，所以即使系统探测到了在危险距离之内的障碍物也无需发送报警、减速、刹车信号，增强了系统的稳定性；(4)引入激光器姿态调整模块，由于汽车载重的变化，激光器会引入很大的倾斜误差，导致激光器相对于水平面的探测角度发生改变，不能探测到障碍物，而激光器姿态调整模块可以根据汽车载重的变化实时调整激光器与水平面的夹角，使得激光器处于最佳探测姿态。
附图说明
图1是本发明基于激光测距的汽车主动防撞系统构成示意图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于激光测距的汽车主动防撞系统的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1，基于激光测距的汽车主动防撞系统包括激光测距模块、汽车转向测量模块、测速模块、激光器姿态调整模块、数据处理模块；汽车车门开启的时候，激光器姿态调整模块根据汽车的载重情况将激光测距模块中的主、中、副三路激光器的光路调整至水平姿态，此时激光测距模块中的激光器开始工作，不断地向汽车前方发出激光脉冲进行测距，激光测距模块将测得的距离数据发送至数据处理模块；测速模块将在汽车表盘上采集到的速度信号送至数据处理模块；汽车转向测量模块将测得的当前方向盘的角度对应的转弯半径送至数据处理模块；数据处理模块结合前述各个模块送来的数据进行分析计算，给出当前状况下系统应当采取的报警、减速、刹车等合适措施的信号。整个系统模块详细说明如下：
1、激光测距模块
激光测距模块用于实时测量汽车与前方障碍物之间的距离值，主要由发射单元、接收单元、高精度的计时模块和单片机构成。激光测距模块的工作原理为：发射单元中的发光二极管通过发射光学系统发射一个激光脉冲，脉冲以光速通过空间传播照射在前方的障碍物上，经反射后被接收单元的接收光学系统收集，并且聚焦在接收单元的光电二极管上，光电二极管将光脉冲转化为电脉冲，通过高精度的计时模块测量发射脉冲与接受脉冲之间的时间间隔，从而得出障碍物与汽车之间的距离，由于激光测距模块存在一定的误差，所以得到的原始距离数据需要经过一定的校准算法校准使误差尽可能的减小。此外，为了避免由于数据传输过程中的丢包而引起算法不稳定的现象，还要将原始数据封装成合理的数据帧格式，校准过程和数据封装过程在单片机中实现。
为了应对汽车在上下坡、变道、靠边停车等情况产生的虚警率，激光测距模块包括三路激光器，即在汽车前端均匀分布三个激光器，第一个激光器安装在主驾驶位前方，称为主驾激光器；第二个激光器安装在副驾驶位的前方，称为副驾激光器；第三个激光器安装在主架和副驾的中间，称为中架激光器。主驾和副驾两路激光器的激光光路与汽车底盘平行，而中驾激光器的激光光路则向上倾斜一个小角度β，即中驾激光器的激光光路与汽车底盘之间存在一个夹角β。
2、汽车转向测量模块
由于汽车在转弯时，虽然位于转弯半径之外的物体能够被激光测距模块探测到，但是不会对汽车的行驶构成威胁，汽车转向测量模块用于提供汽车当前转向角度大小，汽车转向测量模块中的汽车转向传感器通过测量汽车方向盘转过的角度大小，可以获得汽 车当时的转弯半径R的大小，数据处理模块对位于转弯半径R之外的距离信号予以屏蔽。这样就可以大大减小虚警率的发生，增强系统的可靠性和稳定性。汽车转向测量模块把转弯半径R的大小数据传到数据处理模块进行后续处理。
3、测速模块
测速模块是获得汽车绝对速度的装置，主要由信号处理电路、电平转换电路以及FPGA中的数据处理程序构成。由于汽车在高速行驶时不能采取急刹车措施，在低速行驶时人完全可以反应过来也不需要减速刹车措施，所以在本发明主动防撞系统中需要考虑汽车的绝对速度。本发明直接采用汽车码表上的速度信号，该信号为一个方波信号，方波的周期和车速成反比关系，所以可以预先求出这个函数关系式，然后通过测定信号的周期来确定对应的汽车速度。由于信号质量不能满足测量要求，所以要经过信号处理电路，由此得到的信号再通过合适的电平转换电路输入至FPGA内部进行数据的进一步处理。
考虑到进入FPGA的信号可能会有噪声干扰，所以对方波信号的连续N个周期的周期长度进行测量，然后对周期大小进行一个排序，去掉最大的和最小的各s(s的值可由实际情况自行确定)个值，对剩下的N-2s的数据求平均值，将这个平均值作为当前车速信号的周期大小。即：
对方波信号连续测量其N个周期的周期长度，为：
T1,T2,T3,…,Tn-2,Tn-1,Tn
其中，下标1到n为连续测量到的N个周期长度的顺序。
对这个数列进行从小到大的排序，得：
其中，下标i1到in为排序后N个周期长度的顺序。
去掉其首尾个s个值，对剩下的数据求算术平均值：
此时，T即为当前汽车速度信号的周期。
车速信号的周期T和汽车绝对速度vT的乘积为常数K，即具有如下关系：
TvT＝K (5)
为了得到这个常数K，将汽车以固定的速度v0行驶，测量其对应的速度信号的周期为T0，则K＝v0T0。
那么可以获得不同周期长度下汽车速度的解析式：
最终把汽车绝对速度vT传送至数据处理模块。
4、激光器姿态调整模块
激光器姿态调整模块，用来消除由于汽车载重变化所引起的激光器姿态的偏移。激光器姿态调整模块包含汽车俯仰传感器、汽车探测雷达俯仰自动调整装置和单片机。由于汽车载重变化，会引起汽车底盘与水平面会呈一定的夹角，使主架和副驾激光器不处于水平的姿态。导致激光器会打到地面或者天空而捕捉不到有效目标，所以本发明配备了一个俯仰传感器来检测汽车载重的变化，单片机控制汽车探测雷达俯仰自动调整装置通过汽车测量载重情况将激光器的姿态角度调整到最佳探测位置。其工作原理如下：
对不同的载重mi，汽车俯仰传感器输出对应着的电压Vi；同时，在激光器不同的姿态角度下，汽车探测雷达俯仰自动调整装置也会给出一个电压Vo。将电压Vi传输到单片机中，单片机系统通过公式(7)计算出能使主架和副驾激光器姿态保持水平所对应的电压Vo。
Vo＝kVi+b (7)
其中，k、b为和汽车属性有关的常数，可自行实验拟合得到。
然后单片机控制汽车探测雷达俯仰自动调整装置将激光器姿态调整到Vo所对应的位置即可。这样主架和副驾激光器的姿态就会处于水平状态。
5、数据处理模块
数据处理模块主要是实现三路激光器以及各种传感器数据的处理分析，给出特定条件下的报警、减速、刹车信号。
首先，假设主驾激光器的报警、减速、刹车信号分别为Alarmz,Slowz,Brakez，中驾 激光器的报警、减速、刹车信号分别为Alarmo,Slowo,Brakeo，副驾激光器的报警、减速、刹车信号分别为Alarmf,Slowf,Brakef，这些信号等于1代表有效，等于0代表无效。
数据处理模块为每一路激光器距离数据设置一个长度L的FIFO(先进先出)队列。以主架激光器为例，激光器每秒测100次距离并把得到的距离数据存进队列中，每进来一个新的距离数据就把队列的每一个数据往后挪一个，然后把最新的数据放在最前面的位置，假设主驾激光器的数据FIFO队列内的数据为：
D1,D2,D3,…DL-1,DL
那么每次加入最新的数据D0时，D0就会出现在队列首端，其他数据依次向后挪一个位置，原先队列尾端的DL则丢掉，队列变为：
D0,D1,D2,D3,…DL-1
再对队列进行中值滤波，数据变为：
其中，下标i0到iL为下标0到L-1重新排序后的顺序
滤波完成之后，舍去队列首端和尾端的两个数据，进行差分平均估计汽车与前方障碍物的相对速度，即：
式中，v为汽车与前方障碍物的相对速度。
然后结合报警、减速、刹车时间计算出主驾激光器报警、减速、刹车安全距离：
Dza＝Sz+vτa (11)
Dzs＝Sz (12)
其中，Δt为减速信号的持续时间，as减速时的减速度，ab为刹车时的减速度，τ为系统延迟时间，τa为报警信号和减速信号之间的时间差，D0为汽车在防撞系统的作用下停车后与障碍物之间的距离，Dza为报警安全距离，Dzs为减速安全距离，Dzb为刹车安全距离。
然后根据以上四式统计FIFO队列中小于报警安全距离、减速安全距离、刹车安全距离的距离值的个数，分别为nza，nzs，nzb。
给定三个阈值NTa,NTs,NTb，如果nza，nzs，nzb超过了各自对应的计数阈值NTa,NTs,NTb，那么程序就给出相对应的信号，即如果nza≥NTa，那么Alarmz＝1，否则Alarmz＝0；如果nzs≥NTs，那么Slowz＝1，否则Slowz＝0；如果nzb≥NTb，那么Brakez＝1，否则Brakez＝0。
如果当前得到的新的距离数据值D0位于汽车转向角度对应的转弯半径R之内(R为汽车转向测量模块传来的汽车当前的转弯半径)，即满足D0＜R，那么主驾对应的报警减速刹车信号全部清零：Alarmz＝0，Slowz＝0，Brakez＝0。
同理，中驾激光器数据对应的的报警、减速、刹车信号Alarmo,Slowo,Brakeo，以及副驾激光器数据对应的报警、减速、刹车信号Alarmf,Slowf,Brakef可以按照类似主驾激光器数据的计算方法给出来。
为了提高系统的稳定性，将三路激光器得到的预信号两两联合取与运算，即：
如果Alarmz+Alarmo+Alarmf≥2,那么Alarm＝1,否则Alarm＝0；
如果Slowz+Slowo+Slowf≥2,那么Slow＝1,否则Slow＝0；
如果Brakez+Brakeo+Brakef≥2,那么Brake＝1,否则Brake＝0；
其中，Alarm,Slow,Brake为总的(即最终做决策的)报警、减速、刹车信号。
如果汽车的绝对速度为小于一个阈值，或者汽车处于上下坡时不给出报警、减速、刹车信号；由于汽车的中架激光器向上倾斜一个小角度β，所以若前方是一个斜坡，中 架激光器测得距离会明显大于其他两路。汽车是否处于上下坡用中架激光器测得的距离与主架副驾作比较来得到，即：
如果或者Do-Dz＞ΔSlope,Do-Df＞ΔSlope
那么Alarm＝0,Slow＝0,Brake＝0
其中，vT为测速模块传来的汽车当前绝对速度，为需要系统执行减速活刹车的最小绝对速度。Do为中驾激光器当前测得的距离，Dz为主架激光器当前测得的距离，Df为副驾激光器当前测得的距离，ΔSlope为前方为坡时中架距离大于主架副驾的最小阈值。
再结合激光器打在路边绿化带上的数据特点，把虚警降低，当三路激光器打在路边绿化带上时，从主到副三路数据会呈现递增或递减的状态，这个时候不执行任何措施，即：
如果Dz-Do＞ΔPark并且Do-Df＞ΔPark,或者Df-Do＞ΔPark并且Do-Dz＞ΔPark，
那么Alarm＝0,Slow＝0,Brake＝0
其中，ΔPark为递增或递减的最小阈值。
最终的报警、减速、刹车信号就可以输出至汽车防撞减速制动与紧急刹车装置。