李妍蒴 郭秋 遼寧科技大學(xué)軟件學(xué)院

基于ESP的汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李妍蒴 郭秋 遼寧科技大學(xué)軟件學(xué)院

文章對(duì)于現(xiàn)如今汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅猛，從而導(dǎo)致安全性能跟不上汽車(chē)發(fā)展的問(wèn)題，提出了整改性的措施，利用工業(yè)上精準(zhǔn)的激光傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，再用ARM系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，判斷和處理及報(bào)警。系統(tǒng)應(yīng)用ESP嵌入式EPB裝置實(shí)現(xiàn)。

汽車(chē) ARM系列單片機(jī) 激光測(cè)距 自行減速

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)來(lái)提高道路交通安全和效率已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。利用傳感器發(fā)展汽車(chē)防撞技術(shù)成為各大汽車(chē)公司的主流。由于激光測(cè)距儀價(jià)格不斷下調(diào)，工業(yè)上也逐漸開(kāi)始使用激光測(cè)距儀。國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一批新型的具有測(cè)距快、體積小、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)的微型測(cè)距儀，可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)。激光測(cè)距儀由于其快速和非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前主要有脈沖式測(cè)距儀和相位式測(cè)距儀兩種，本文在分析激光測(cè)距儀原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和研究了非接觸便攜式激光測(cè)距儀。在現(xiàn)在的防撞技術(shù)中，倒車(chē)防撞技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，很多的汽車(chē)公司，例如日本的本田，豐田公司，寶馬公司都已經(jīng)將倒車(chē)防撞技術(shù)安裝的汽車(chē)上面。但是目前在汽車(chē)行駛過(guò)程中利用傳感器測(cè)量與障礙物之間的距離研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的中遠(yuǎn)距離測(cè)量普遍達(dá)不到要求，表現(xiàn)在最遠(yuǎn)測(cè)距距離近，測(cè)距誤差大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不滿足公路安全車(chē)距離要求，需進(jìn)一步研究。

1 激光測(cè)距儀的原理

激光傳感器工作時(shí)，先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。則：

2 系統(tǒng)整體介紹

汽車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)，是指在面臨撞車(chē)危險(xiǎn)時(shí)，不需要人為操作，本系統(tǒng)能夠幫助駕駛員自動(dòng)剎車(chē)。系統(tǒng)采用毫米波雷達(dá)，它可以測(cè)出與前車(chē)或者障礙物的距離，通過(guò)系統(tǒng)分析，然后與報(bào)警距離、安全距離進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)得的距離小于報(bào)警距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示報(bào)警提示，而小于安全距離時(shí)，如果駕駛員沒(méi)能及時(shí)意識(shí)到踩剎車(chē)踏板，自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自動(dòng)剎車(chē)。本系統(tǒng)包括三個(gè)模塊：測(cè)距模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。

3 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路

3.1 測(cè)距模塊

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距，本系統(tǒng)使用了工業(yè)上的激光傳感器，精度為厘米級(jí)，有效距離為50m，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)距。并且激光受到的光照影響強(qiáng)度較小，應(yīng)用的范圍較廣。

3.2 數(shù)據(jù)分析處理模塊

本系統(tǒng)使用ARM系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU，實(shí)現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的采集，判斷和處理以及報(bào)警。對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷處理，用戶可以自行設(shè)置安全距離，在安全距離之外進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，設(shè)置了相對(duì)速度的判定，在兩車(chē)相對(duì)速度的安全閾值之外，系統(tǒng)報(bào)警。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊

通過(guò)對(duì)電子駐車(chē)系統(tǒng)的研究，系統(tǒng)使用ESP嵌入式EPB裝置。它是取代了傳統(tǒng)汽車(chē)?yán)瓧U手剎的電子手剎按鈕的一種裝置。采用該系統(tǒng)以后，傳統(tǒng)的機(jī)械杠桿以及輪胎鋼都沒(méi)有了，過(guò)去體積較大的拉桿手剎則成為通過(guò)控制電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，進(jìn)而帶動(dòng)制動(dòng)卡鉗活塞移動(dòng)，產(chǎn)生一定的機(jī)械夾緊力，從而完成剎車(chē)動(dòng)作，可以為汽車(chē)駕駛員提供更多便利，也比傳統(tǒng)的拉桿手剎更為安全。

3.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

通過(guò)傳感器采集距離數(shù)據(jù)以后，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出車(chē)主設(shè)置合理車(chē)距，如果超過(guò)安全距離，則報(bào)警；如果汽車(chē)行駛速度過(guò)高，則自動(dòng)減速。在MCU發(fā)出減速PWM電信號(hào)以后，通過(guò)對(duì)信號(hào)的處理放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)速度的控制。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1

圖2

圖3

通過(guò)更改距離，速度閾值來(lái)測(cè)量距離，測(cè)量速度，從而在超出的部分達(dá)到控速的目的。

4 項(xiàng)目實(shí)施遇到的問(wèn)題及改進(jìn)的方法

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，該系統(tǒng)實(shí)施還存在一些問(wèn)題如下所示：

第一，激光傳感器的短板：激光傳感器是通過(guò)計(jì)算發(fā)射激光和接收激光之間的時(shí)間間隔和激光的速度，從而計(jì)算距離的。那么在高速行駛過(guò)程中，激光的使用范圍可能難以滿足速度的限制。如果加大發(fā)射激光的功率，則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。系統(tǒng)可以采用攝像頭進(jìn)行距離的采集，通過(guò)雙目視覺(jué)算法，不僅可以捕捉前車(chē)的距離，還能對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行判斷，降低出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。并且攝像頭不會(huì)出現(xiàn)被吸收的現(xiàn)象，不受距離的限制，只要是在攝像頭的拍攝范圍以內(nèi)。

第二，發(fā)射激光還存在被吸收的尷尬之處，實(shí)際測(cè)試得到結(jié)果，在黑色反光物體上，激光測(cè)距的速度變得十分緩慢，甚至得出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，這也是限制使用的一個(gè)方面。

5 實(shí)驗(yàn)的前景

汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)直接關(guān)系到行車(chē)安全，一個(gè)良好的制動(dòng)系統(tǒng)不僅能夠提高駕車(chē)的安全性，而且還能給乘客帶來(lái)良好的舒適性。目前交通事故頻頻發(fā)生，如翻車(chē)、車(chē)撞車(chē)、車(chē)撞人或者車(chē)撞障礙物等，這些情況發(fā)生的原因，與現(xiàn)有的剎車(chē)系統(tǒng)有很大的關(guān)系。這主要是因?yàn)轳{駛員在事故發(fā)生之前，由于各種原因而來(lái)不及提前手動(dòng)操作剎車(chē)系統(tǒng)，也有人為誤操作（如誤踩油門(mén)）或者車(chē)體本身的剎車(chē)系統(tǒng)失靈等原因而造成事故的發(fā)生。因此汽車(chē)如何避免或者最大限度的減少交通事故的發(fā)生，成為汽車(chē)安全方面設(shè)計(jì)的重中之重。

[1]陳明熒.8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材[M].清華大學(xué)出版社,2004：25-36

[2]羅亞非.單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京,北航出版社,2003

[3]李俊鋒,阮林林,姚丹.一種便攜式激光測(cè)距儀的原理及方案實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014(1):103-105

[4]盛新志.激光原理.北京：清華大學(xué)出版社，2010,321~326

遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：BC2016163。