一种行车安全预警装置的制作方法

1.本发明涉及行车安全警示应用领域，尤其涉及综合利用电子技术、材料科学和无线传感及雷达技术设计的汽车安全预警装置。


背景技术：

2.安全三角架是每辆汽车必备的安全警示装置，用于在行车遇到故障或事故时放置在车辆后方警示来车注意避让，以免发生二次事故。根据《中华人民共和国道路交通安全法》的规定，在常规道路上，发生故障或者发生交通事故时，应将三角警示牌设置在车后50米至100米处；而在高速公路上，则要在车后150米外的地方设置警示标志，若遇上雨雾天气或者晚上，由于能见度较差，还得将距离提升到200米以上。这是由于后车司机在发现前方出现三角警告牌时需要经过一个发现、清晰可见前方警告信号、采取措施刹车、减速、避让的过程，对于一般驾驶者来说，这一过程需要至少10秒左右的反应时间，以时速100公里行驶的汽车为例,就需要至少近300米的安全距离。
3.但是，传统安全三角架在实际使用时存在明显的缺陷和潜在的安全隐患，在高速公路上使用时尤其如此。在高速公路上，由于车速很快，事故车司乘人员下车往来车方向逆行足够的安全距离布放安全三角架的过程，本身就有一定危险性，同车道后车如果没有及时发现危险并采取避让，很可能发生二次事故。这一危险性直到布放人员将安全三角架放置到足够安全的距离并返回之后才真正消除。在发生二次事故的危险性压力下，再加上刚发生事故的布放人员本身就心理紧张，常常造成其安全三角架放置距离不够。再加上便携式安全三角架防风能力较差，现场风力稍大就会倾覆，失去警示作用。当然，也有很多情况是布放人员经验不足，无法凭借目测保证放置位置的安全距离。总之，高速公路上安全三角架使用的一个现状就是放置点的安全距离大多不足，每年因此造成大量的二次交通事故。另外，大型客运和货运车辆的司机由于视野关系，比较难以发现直接放置在地面的低矮安全三角架。
4.中国专利cn01245800.7在安全三角架中加入有源灯泡、电源和控制电路，使得安全三角架在使用时不仅仅反射周围环境光线，还可以主动发出闪烁灯光，以提高安全警示效果。不过，这一解决方案并未消除上述布放安全三角架过程中的危险因素。
5.中国专利cn202743130提出一种车载led警示灯，利用安装于后档玻璃上的led显示屏显示警示信息，其输入来自车辆左中右三个刹车灯信号，通过警示信息提醒后方来车，提高行车安全。该方案本质上是将汽车刹车信号转换为led显示屏文字，以便刹车时向后车发出更加明显的信号。但这不足以替代安全三角架的作用，后者使用时需要提供更远的安全警示距离和更强烈的安全警示作用。
6.目前在越来越多的家庭轿车上，防撞雷达已经成为标准配置。其工作原理是主动发射线性调频的三角波信号并接收目标物体的反射波，通过接收信号和发射信号的差频信号，可计算出目标距离和相对速度。根据目标距离和相对速度，防撞雷达自动判断是否有撞击危险并据此发出提示信息，该信息可通过汽车can总线将信息发送给其它汽车电子控制
单元(ecu)，以实现汽车自动巡航控制(acc)、前向碰撞警告(fcw)、自动紧急刹车(aeb)等功能。但由于依赖于目标的被动反射信号，以及方位角分辨率的限制，防撞雷达作用距离有限，如雷纳科技出品的一款毫米波防撞雷达car150对卡车的最远检测距离为150米、乘用车为100米、行人则只有60米。因此，防撞雷达很难在安全距离之外及时检测到位于地面的安全三角架。
7.本发明针对传统安全三角架的不足，综合利用电子技术、材料科学以及无线传感和雷达检测技术而设计的电子安全预警装置，可以克服传统安全三角架在实际使用上的缺陷，更好地保障行车人员的安全，大大减少二次事故发生概率。


技术实现要素：

8.本发明提出一种行车安全预警装置，包括一个主动防撞信号单元，该单元具有以下功能：
9.1)接收并检测后车防撞雷达信号rx1，包括其频段、中心频率f1、调制方式和调制参数；
10.2)估算rx1的多普勒频偏fd1；
11.3)生成并发射主动防撞预警信号tx1，该信号和接收信号rx1具有相同的调制方式和调制参数，并且相对于rx1在频率上反向补偿fd1，在时间上提前其中d1是提前预警距离，c是雷达信号在空气中的传播速度。
12.所述防撞雷达信号rx1的调制方式包括调频连续波fmcw，调制参数包括调制带宽和周期；所述fd1的估算是根据估计的后车速度v1和检测到的rx1中心频率f1，通过多普勒频移公式计算。
13.所述后车速度v1估计值取当前路段的平均车速，当前路段平均车速通过持续监测本车前一段时间的车速来估计，或者通过检测并统计从旁边车道驶过的车辆速度来估计。
14.所述后车速度v1估计值也可取当前路段最高限速减去一个预先设置的偏移量；当前路段最高限速可根据自身当前位置向第三方服务平台查询获得，所述第三方服务平台包括提供车辆导航的服务平台。
15.所述后车速度v1估计值还可由应用场景模式确定；所述应用场景模式是指应用时的道路环境和能见度状况的组合；道路环境包括高速、省道和城市快速路。
16.所述提前预警距离d1由所述应用场景模式确定初值，并根据实时检测到的后车防撞雷达信号中心频率f1随时间的漂移情况动态调整。其调整方法如下：在f1保持不变说明时d1取值不变；在f1发生持续的正向漂移时步进增加d1值；在f1发生反向漂移时d1取值保持不变或小幅步进递减。
17.所述装置在车辆进入紧急状态时自动启动工作，所述紧急状态包括发生碰撞或急刹车时车辆加速度超过阈值；也可以由车辆电子控制单元ecu输出的告警信息触发而自动启动工作。
18.所述主动防撞信号单元集成在汽车尾灯中；或者集成在一个电子安全三角架中。
19.通过实施本发明方案，可以在安全预警距离d1处，形成一个虚拟反射面，主动反射后方来车的防撞雷达信号，提前触发后车防撞雷达安全预警和联动功能，保障行车安全。从
而大大降低安全三角架在高速公路上的使用风险，保障人员和财产安全。
20.结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
21.图1是本发明一个实施例的功能结构图；
22.图2是本发明一个实施例的机械结构侧视图；
23.图3是本发明一个实施例中警示框部分的正视图；
24.图4是业界普遍使用的汽车防撞雷达工作原理图；
25.图5是业界普遍使用的汽车防撞雷达波形图；
26.图6是本发明实施例中防撞预警信号工作机理示意图；
27.图7是本发明实施例中主动防撞信号生成过程；
28.图8是本发明实施例中防撞雷达波及预警信号波形图。
具体实施方式
29.下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
30.本发明提出一种智能安全三角架，用于行车安全领域。其功能结构框图如图1所示，包括机械结构、警示信号和电源及控制电路模块。机械结构模块由磁性配重底座和警示框架构成，二者通过带阻尼功能的铰链连接，可调整至0-90度之间任意角度后旋紧锁紧旋钮固定二者连接，其侧视图如图2所示。警示框架采用目前汽车安全三角架通用的三角形警示框，底边固定在连接铰链上。警示信号包括被动警示信号和主动警示信号两种类型。附着在警示框架外侧表面的红色反光材料会反射周边环境光线，产生被动的红色警示三角形图案，提醒后车驾驶员注意避让。主动型警示信号包括led灯闪烁信号和主动防撞信号，在警示框架内外边缘安装橙色led灯带，在控制电路驱动下发出闪烁灯光信号，进一步提高后车驾驶员预警距离；主动防撞信号模块则通过自动检测和学习，生成防撞雷达信号并向后方来车方向发射，触发后车防撞雷达预警和防撞联动功能，大大提升安全三角架的有效预警距离和效果。电源和控制电路模块安装在底座中，电源模块包括可充电电池、充电电路、电源变换电路和电源管理电路等，负责向各有源工作单元提供合适电压和功率的工作电源。控制电路负责驱动led灯带，使后者产生按照一定规律闪烁的灯语信号，如连续快闪、两长一短闪烁等等，闪烁的灯语规则由控制电路参数设定。所述主动防撞信号模块主体电路安装在底座中，通过射频同轴电缆连接收发天线，天线安装固定在三角形警示框顶部。整个警示框架结构的正视图如图3所示。
31.上述主动防撞信号模块是本发明的核心部件，其主要构思是通过检测学习后方来车的防撞雷达信号，生成模拟的“反射”信号，主动触发后车雷达提前产生预警，从而达到提高自动预警距离和有效性的目的。下面以业界普遍采用的调频连续波(fmcw)防撞雷达为例，详细说明主动防撞信号模块的工作过程和原理。图4给出了fmcw防撞雷达的功能框图，调制电路产生周期为t0的三角波线性调制信号，控制压控振荡器产生线性调频信号，使得雷达输出频率在f0 b/2和f0-b/2之间线性调频的三角波周期信号，其中f0为中心频率，b为调频信号最大频偏。防撞雷达通过rf前端和天线将线性调频信号发射出去，雷达波被有效
距离内的障碍物反射，防撞雷达接收到的反射波rx与发射波tx在波形和变化周期上一致，时间上有一个正比于2d的时延dt0，d为雷达至目标的距离，频率上有一个正比于相对运动速度v的多普勒频移fd。发射信号经耦合器分出一部分信号功率进入混频器，和来自接收通道的反射波信号在混频器中进行混频处理，得到二者的差频信号，如图5所示。由物理学和三角几何基本知识可以推导出雷达与产生反射波的障碍物之间的距离d，可由下式计算：
[0032][0033]
而雷达与障碍物之间的相对运动速度v,可由下式计算：
[0034][0035]
由于相对运动产生的多普勒频偏fd，由下式计算：
[0036][0037]
上述(1)-(3)式中，c为雷达波在空气中的传播速度，f1为发射信号前半周期正向调频时混频器输出的差频，f2为发射信号后半周期反向调频时混频器输出的差频。上述v为正值，即f2》f1时表示障碍物与雷达处于相对接近的趋势，反之v为负值时表示二者处于相对远离的趋势。对于本发明涉及的场景，用于道路提前预警的安全三角架本身静止放置，相对于后车总是处于相对接近趋势，即f2》f1,v为正值。
[0038]
主动防撞信号模块包括雷达信号主动检测功能和防撞信号生成、发射功能，其工作过程如下：
[0039]
1)接收并检测后方来车方向的雷达波信号rx1，检测其中心频率、调制方式和调制参数；
[0040]
2)估算后车行驶速度，并据此计算接收信号的多普勒频移；
[0041]
3)根据步骤1)和2)的结果，生成并发射主动防撞预警信号tx1，该信号和接收信号rx1具有相同的调制特征，包括调制方式、周期和带宽，并且相对于rx1在频率上反向补偿一个多普勒频移估算值，在时间上提前如图6所示，如此处理后，使得后车雷达接收到的主动防撞预警信号rx0看起来像是从d0-d1处一个虚拟障碍物反射回来的雷达信号，从而达到提前预警的效果。
[0042]
上述步骤1)中对后车雷达波的检测，可以综合考虑微波信号大气窗口和市场常用防撞雷达工作频段，采用多通道多频段同步检测或者按照优先次序依次扫描各频段检测。优先次序可按照各频段防撞雷达在车辆使用区域的市场占有率设定初值，使用过程中通过自学习自动调整优先次序，即记录并排序各频段检测成功次数，按照其由高到低排序调整优先次序。同样，锁定雷达信号频率后，其调制方式和参数也按照预设的优先次序进行检测，如优先检测市场最常用的fmcw调制模式。
[0043]
上述步骤2)中对后车速度估算可根据应有现场状况选择不同的车速作为估算值，如取当前路段的平均车速，或者取当前路段最高限速减去一个偏移量。当前路段的平均车速可以通过多种技术方案获得，如在本发明装置中进一步集成一个卫星定位模块，通过该模块持续监测本车故障前一段时间的车速来估计平均车速；或者在本发明装置中集成一个
测速模块，通过实时监测统计从旁边车道驶过的车辆速度来估计平均车速。同样，当前路段最高限速也可以通过多种技术手段获得，如在本发明装置中进一步集成卫星定位模块和无线联网模块，根据自身当前位置向第三方服务平台查询当前路段的最高限速，所述第三方服务平台包括提供车辆导航的服务平台。上述卫星定位模块是指gps定位模块、北斗卫星定位模块、glonass卫星定位模块或同时支持以上2-3种卫星技术的卫星定位模块；上述无线联网模块是指具有无线通信网络接入功能，并能通过后者的互联网接入服务连接互联网的功能模块，所述无线通信网络包括3g、4g、lte移动通信网，wifi无线接入网，以及这些无线通信网的演进网络。上述速度偏移量可预先设定在所述主动防撞信号模块中。上述后车速度估算还可通过选择不同应用场景模式来确定，所谓应用场景模式由应用时的道路环境和当时的能见度状况组合确定。道路应用环境如高速应用、省道应用、城市快速路应用等等，能见度状况受当时的天气、时间段等因素影响，如白天晴朗天气能见度高、夜晚晴朗天气能见度稍低、雨雪天气能见度低等等。根据不同应用场景模式预设不同的车速估计值，然后在本发明装置上设置按键或拨动开关来产生不同的选择信号来选定应用场景，对应不同的车速估计值选择，使用者可根据应用现场选择不同按钮或开关拨动位置来设定应用场景模式。
[0044]
特别的，对于业界普遍采用的fmcw雷达，如图7所示，主动防撞信号模块首先检测接收到的雷达信号rx1的中心频率f1,调制带宽b(即最大频偏)和周期t；然后使用一个后车车速估计值v1估算多普勒频移：(因为2v1＜＜c)，假设后车实际车速为v0,其雷达信号中心频率为f0，则有：
[0045]
f1＝f0 fd0
[0046]
最后，将本机发射信号调整至中心频率为f2＝f1-fd1＝f0 fd0-fd1,调制带宽为b，调制周期为t，在时间上较接收信号rx1提前d1为提前预警距离，可根据不同应用场景，预设不同的数值，在使用现场通过选择不同按钮或开关拨动位置来设定应用场景模式，从而确定提前预警距离d1，如对于高速公路、天气晴朗的应用场景，可参照汽车三角架安全使用规范将d1设为150米；而同样在高速公路，如遇到雨雪天气，可将d1设为200米。
[0047]
图8进一步给出了后车发射的防撞雷达信号tx0、本发明装置接收到的后车雷达信号rx1、本发明装置发射的主动防撞信号tx1和后车接收到的主动防撞信号rx0之间的波形、时延和频率偏移关系。由图可见，上述主动防撞信号经传播被后车雷达接收检测，后车雷达接收到的信号rx0和其发射信号tx0具有相同波形、调制带宽和调制周期；在频率上将偏移f2 fd0-f0＝2fd0-fd1；在时间上将延迟2dt0-dt1，其中dt0是本发明装置与后者间距d0产生的雷达波单向传播时延，即而综上可得rx0与tx0相比在时间上将延迟后车防撞雷达将接收信号rx0(本发明装置发射的主动防撞信号，而非真实障碍物产生的反射信号)与本地发射信号tx0混频后，得到差频信号f1和f2，然后通过上述公式(1)和(2)可计算出障碍物距离d和相对速度v。本领域技术人员应该理解，fmcw防撞
雷达工作原理在本质上是根据收、发信号之间的时延来计算距离，即距离d将产生2d(信号往返)路程的雷达波传播时延；根据频率偏移来计算相对速度，即频偏为正说明相对接近，频偏为负说明相对远离，且频偏绝对值越大说明相对速度越大。因此，采用本发明装置，后车雷达获得的距离将是d0-d1，即后车雷达将判断d0-d1处有障碍物。而对相对速度的计算，由于本发明装置在估计后车速度时引入了误差，导致后车雷达检测到的信号频偏不是理想的fd0，而是2fd0-fd1。当后车速度估计值v1＜v0时，fd1＜fd0，则后车雷达检测到的信号频偏将大于fd0，其测得相对速度将大于实际车速v0；反之，当v1＞v0时，后车雷达测得相对速度将小于实际车速v0。考虑到防撞雷达会根据测得相对速度、本车刹车制动时间、驾驶员反应时间等参数设定安全预警距离阈值，当测得本车与障碍物间距小于安全预警距离时会产生报警信号，并通过汽车电子控制单元(ecu)与汽车自动巡航控制(acc)、前向碰撞警告(fcw)、自动紧急刹车(aeb)等单元联动，实现自动防撞功能。因此，在选取后车速度估计值时，偏小的估计有利于更早触发后车雷达的防撞预警功能。
[0048]
上述安全预警距离d1，除了按照应用场景模式设定数值，还可以使用动态调整机制。其初始值仍按照上述方案设定，本发明装置的主动防撞信号模块持续监测并跟踪后车防撞雷达信号rx1，监测其中心频率f1的变化情况，如f1保持不变说明后车保持匀速前进，此时d1取值不变；如f1发生持续的正向漂移，说明后车在加速，此时可步进增加d1值，以便尽早触发后车防撞雷达预警功能，促使后车减速避让；如f1发生反向漂移，说明后车在减速，此时d1取值可保持不变或小幅步进递减。
[0049]
车辆防撞雷达工作时，发射信号照射到前方障碍物后产生反射波，需确保雷达接收到的反射波rx具有足够的强度，即超过其接收机灵敏度，才能被正确接收解调处理。雷达信号在空气中传播会产生两倍路程的路径损耗，由于前方障碍物并非理想反射体，入射雷达信号在障碍物处反射时由于散射、表明吸收等因素会损失大部分能量，只有小部分信号能量被反射，因此防撞雷达都有一个有限的有效距离，目前业界使用的车辆防撞雷达在前方为卡车、大巴等大型车辆时，有效检测距离最远可达到150-200米左右，如前方是小车则由于雷达信号反射面大大减小，有效检测距离只有100左右。这样的有效检测距离对于前方正常行驶的车辆尚有安全预警作用，对于在高速公路上处于紧急停车状态的前方车辆则其安全预警距离远远不够。而放置在地面的传统安全三角架，则由于反射面小，塑料件的雷达信号反射系数低，很难被防撞雷达在安全距离之外发现。相比较而言，采用本发明装置后，后车防撞雷达信号只需经过单倍路程损耗就可被本发明装置接收处理，而本发明装置发射的主动防撞信号也是经过单倍路程损耗即到达后车防撞雷达接收机，因此大大增加了汽车防撞雷达有效的安全预警检测距离。
[0050]
本发明装置在机械结构上配置了磁性配重底座，在使用时可直接放置在汽车后备箱盖上或车顶上，利用磁性底座的吸附性固定，带锁紧旋钮的铰链连接底座和警示框架，方便根据放置位置高低灵活调整并锁定警示框架的倾斜角度。较之目前常用的收折式塑料安全三角架，具有放置方便、稳固、防风的应用优势。本发明装置除了在警示框架附着高反光材料产生警示图案外，还在警示框架边缘加装有源警示灯带，在控制电路驱动下产生闪烁的警示灯语信号，提高安全警示距离。进一步地，本发明装置使用一个主动防撞信号模块，可以面向后方来车方向推进一个安全预警距离d1，产生一个虚拟的反射面，反射后车防撞雷达信号，在安全预警距离之外就触发后车防撞雷达的防撞预警和联动功能。从而避免了
传统安全三角架需要面向来车方向推进足够距离放置带来的危险因素。对提高道路行车安全具有极大意义。
[0051]
基于本发明的基本思想，本发明可以有多种变形。比如将所述主动防撞信号模块集成在汽车尾灯中，作为一个汽车电子控制单元ecu部件，通过汽车总线与其它ecu连接并交互信息，在发生紧急情况时由其它ecu输出的告警信息，如双闪灯被按下，触发主动防撞模块开始工作，检测后车防撞雷达信号，产生并发射主动防撞信号，使得后车的防撞雷达在预警距离d1之外就被触发产生防撞告警信息和执行联动功能。也可以在所述主动防撞模块中进一步集成加速度传感器，组成独立工作的主动防撞部件，安装在车辆后部。车辆行驶过程中通过加速度传感器输出的数据自动监测车辆碰撞事故或急刹车，一旦发生碰撞或急刹车造成的车辆瞬时加速度超过设定阈值，就自动触发主动防撞模块开始工作。
[0052]
总之，本发明的描述是为了示例而给出的，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。本发明的范围由所附权利要求书确定。