42、高速公路事故避免与检测及相关电路研究

高速公路事故避免与检测及相关电路研究

1. 高速公路事故避免系统方法与原理

鲁莽驾驶是事故发生的主要原因，可能源于驾驶员的错误判断或糟糕驾驶。失去控制后，车辆难以驾驶，因此车辆速度控制应是政府的责任，需要一些安全系统来防止宝贵财产损失。

1.1 系统方法

提出了一种创新概念，即车辆速度可在特定距离自动控制在给定极限。该系统基于高速公路上标记的彩色条纹。

1.2 工作原理

• 速度控制激活与停用 ：通过特定强度的颜色检测传感器实现。车辆上的霍尔效应传感器可精确测量车速，传感器融合技术可控制车辆纵向速度。
• 具体控制过程 ：当车辆以约80 km/h的速度进入有彩色条纹的道路时，车辆上的颜色传感器检测到条纹颜色，向MCU发送信号激活系统。MCU控制节气门位置，将发动机速度控制在常规极限。系统启动后，车辆将被控制在一定速度或以下，直到越过另一条彩色条纹。
• 驶出高速公路情况 ：当驾驶员想从高速公路驶入越野道路时，速度限制解除，系统停用，车辆完全由驾驶员控制。
• 智能区域传感系统 ：监测区域安装带有唯一识别码的RF发射器单元，车辆车牌应包含RF接收器和相应电路。区域发射器发送的警报消息将显示在仪表盘上。
• 信号传输与处理 ：射频发射器将区域代码传输到接收单元，射频接收器接收信号。根据发射器频率，发射器输出引脚变高，输出送至缓冲器，通过继电器进一步放大增益，获取速度限制状态并驱动另外两个模块。
• 障碍物检测 ：如果系统包含红外发射器和两个接收器，车辆前方出现障碍物时可自动停车。车辆点火钥匙应与电源线串联，骑手打开点火钥匙时车辆启动。

2. 系统实现组件

组件	特点
MQ - 3气体传感器	对汽油、烟雾和蒸汽有良好抗性，对酒精高度敏感，可检测驾驶员酒精摄入量，应用广泛、成本较低，驱动电路简单，使用寿命长
MQ - 6气体传感器	可响应并检测天然气、液化石油气、丁烷和丙烷，成本低，可检测甲烷等可燃气体
GPS接收器	16通道，灵敏度高，具有跟踪能力，能提供准确的速度和时间精度

其对用户的好处有：
1. 极低的功耗
2. 易于安装
3. 卓越的城市峡谷性能
4. 经济可行且高性能

3. 系统工作流程

graph TD
    A[检查电源输出] --> B{输出是否正确}
    B -- 是 --> C[开启电源]
    B -- 否 --> A
    C --> D[选择速度限制]
    D --> E[车辆越过第一个红外二极管]
    E --> F[触发IC - 1，第一个LED发光]
    F --> G[车辆越过第二个红外二极管]
    G --> H[IC - 2输出变高，第二个LED发光]
    H --> I{是否超速}
    I -- 是 --> J[蜂鸣器报警]
    I -- 否 --> K[无报警]
    J --> L[重置电路]
    K --> L

4. 系统测试与结果

系统在不同条件下进行测试，计算不同条件下的效率。测试持续60秒检测眼睛睁开状态，记录此期间眼睛睁开的帧数来计算效率。
|测试条件|结果|
| ---- | ---- |
|理想照明条件|系统给出准确结果|
|不同眼睛结构用户在首选照明条件下|系统有效工作|
|除黑暗或光线极少外的所有照明条件|系统高效工作|
|低照明条件（面部检测后）|眼睛检测准确率43%|
|轻微头部移动|性能不下降|
|持续剧烈头部移动|准确率47%|
|佩戴普通眼镜|性能下降|
|佩戴抗反射或反射极少的眼镜|准确率52%|
|佩戴墨镜|无法检测眼睛，准确率0%|
|用户距离超过40 - 50 cm|无法检测面部|

在最佳照明条件下，当驾驶员与相机保持适当距离时，系统准确精确，准确率达98.5%。通过不同眼长检查算法准确性，发现眼长小于3时，准确率较低且仅在良好照明条件下检测眼睛；眼长为3及以上时，可在不良照明、持续头部移动和佩戴眼镜等条件下检测眼睛状态，效率随眼长增加而逐渐提高。

5. 系统优缺点

5.1 优点

• 眼睛检测主要取决于相机质量，在低光照条件下也能给出合适结果。
• 面部距相机约40 cm时可获得预期结果。
• 轻微头部移动时系统仍能正常工作，这在驾驶时考虑路况是一个主要优势。
• 捕获视频帧并处理以检测眼睛状态速度快，检测到疲劳时警报无延迟。

5.2 缺点

• 用户佩戴眼镜是所有眼睛检测系统的主要限制，尽管FDAS对此有一定抗性，但结果仍不理想。
• 面部严重偏离垂直轴时无法检测面部，从而无法检测眼睛。
• 系统在黑暗或光线极少的条件下无法工作。

6. 系统结论

该项目提出了繁忙交通区域事故预防技术，并讨论了其在现实世界中的可行性。主要用于避免事故，提醒驾驶员注意安全行驶速度限制。这些系统可用于多种区域，如急转弯和高弯道道路、医院、学校和工作区等，能自动控制车辆速度，检测障碍物并停车，防止事故发生。同时，项目展示了新的疲劳检测算法和使用酒精及眨眼传感器的系统，可立即检测疲劳并向驾驶员和第三方发出警报，使道路和高速公路更安全。此外，该系统还能减轻交通警察部门的困难，便于控制高速公路上的鲁莽驾驶，未来可集成相机捕获违规车辆车牌图像并传输到控制室。

高速公路事故避免与检测及相关电路研究

7. 可循环折叠共源共栅运算放大器概述

在模拟电路设计中，运算跨导放大器（OTA）是各种模拟电路的核心构建模块，例如开关电容滤波器、模数转换器、数模转换器以及带隙电压基准等。

7.1 OTA基本概念

OTA被定义为电压控制电流源（VCCS），它产生与差分输入电压成比例的输出电流，比例常数为放大器的跨导。它与运算放大器（op - amp）类似，但通常功耗较高。

• 单级与多级OTA对比 ：单级运放是一种OTA，但增益、输出阻抗和单位增益带宽（UGB）有限。多级OTA能提供高输出电阻和高增益，但与单级OTA相比，速度较低且功耗较高。多级OTA中增益级的级联会引入低频极点，限制放大器带宽并增加不稳定风险。为改善多级OTA参数，需使用补偿技术，这会增加电容连接，进一步提高功耗和所需面积。
• 低功耗设计选择 ：对于低功耗设计，常优先选择单级共源共栅结构的OTA，如伸缩式OTA和折叠共源共栅OTA。

7.2 折叠共源共栅（FC）OTA

FC是最常用的OTA之一，具有大输出信号摆幅和高增益。在FC OTA中，可以短接输入和输出端子来计算闭环特性。为在FC OTA中实现更高增益和带宽，通常会增加偏置电流，但这会导致总功耗增加，这在低功耗设备中是不希望看到的。

OTA类型	优点	缺点
单级OTA	速度相对较快，功耗相对较低	增益、输出阻抗和UGB有限
多级OTA	高输出电阻和高增益	速度低，功耗高，带宽受限，稳定性风险增加
FC OTA	大输出信号摆幅，高增益	增加偏置电流会导致功耗增加

8. 可循环折叠共源共栅（RFC）OTA

为了在不增加功耗的前提下改善FC OTA的性能，提出了可循环折叠共源共栅（RFC）结构。

8.1 RFC结构优势

RFC放大器利用闲置的尾晶体管将电流循环回差分输入，这种尾电流的循环提高了放大器的增益、带宽和压摆率。与传统的FC OTA相比，在相同功率下，RFC结构在直流增益、单位增益带宽、压摆率和共模抑制比等方面都有显著改善。

8.2 RFC OTA性能参数

在仿真中，RFC结构的增益可达75 dB，压摆率为10.3 V/µs，单位增益带宽为8.3 MHz，共模抑制比为123.9 dB，功耗为12 µW，电源电压为1.8 V。

graph TD
    A[输入信号] --> B[RFC OTA]
    B --> C[输出信号]
    B --> D[增益提升]
    B --> E[带宽增加]
    B --> F[压摆率提高]
    B --> G[共模抑制比增强]

9. 基于RFC OTA的带隙基准电路设计

利用低功耗的RFC OTA设计了带隙基准电路。

9.1 带隙基准电路特点

该电路在1.8 V电源电压下，能提供633 mV的参考电压，温度系数为27 ppm/°C，温度范围为106 °C，功耗为83 µW。

9.2 电路性能分析

带隙基准电路的性能对于许多模拟和混合信号电路至关重要，它能提供稳定的参考电压，不受电源电压和温度变化的影响。通过使用RFC OTA，在保证低功耗的同时，提高了电路的稳定性和精度。

10. 工艺角分析

随着器件尺寸缩小到纳米级别，制造和工艺变化会导致制造器件的物理特性出现差异，同时晶体管性能也会受电压和温度变化的影响。

10.1 工艺角分析的必要性

为了评估这些影响，针对相应的晶体管模型设计了不同的工艺角，通过在宽范围内改变环境波动、温度和电源电压，并分析电路的相应性能，来评估电路在不同条件下的稳定性和可靠性。

10.2 RFC OTA的工艺角测试

对提出的可循环折叠共源共栅运算放大器在不同工艺角和不同温度值下进行了测试，以确保其在各种实际应用场景中的性能稳定。

11. 总结与展望

高速公路事故避免系统通过多种传感器和智能控制技术，能够有效地预防事故发生，检测驾驶员疲劳状态，为道路安全提供了有力保障。同时，RFC OTA及其带隙基准电路的设计在低功耗模拟电路领域具有重要的应用价值，提高了电路的性能和稳定性。未来，可以进一步优化这些系统和电路，例如在高速公路事故避免系统中集成更多的传感器和智能算法，提高检测的准确性和可靠性；在RFC OTA设计中，探索更先进的电路结构和工艺技术，进一步降低功耗、提高性能。此外，还可以将这两个领域的技术进行融合，例如将高速公路事故避免系统中的传感器数据处理与低功耗模拟电路相结合，实现更高效、智能的交通安全解决方案。