許志鵬　張曉波　魏春　張少杰

摘 要：當(dāng)今汽車(chē)發(fā)展的背景條件下，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈隨著時(shí)代發(fā)展十分迅猛，汽車(chē)的人均擁有量、使用量也隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷提升，把車(chē)輛安全性能方面的提升作為研究的目的[1]，將安全預(yù)警技術(shù)作為研究方向，在發(fā)生意外情況時(shí)，駕駛員可以及時(shí)做出規(guī)避操作，阻止安全事故發(fā)生，從而能夠避免交通安全事故的發(fā)生。本文通過(guò)在針對(duì)安全事故發(fā)生時(shí)候的原因進(jìn)行分析，推測(cè)引發(fā)事故的人、車(chē)、環(huán)境等眾多影響因素與方式，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的熱應(yīng)力與側(cè)應(yīng)力，構(gòu)建好設(shè)備電路及接口設(shè)計(jì)，從而為控制技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：安全預(yù)警 模型 控制技術(shù)

Analysis and Research on Vehicle Safety Early Warning Control System Using Wireless Sensors

Xu Zhipeng Zhang Xiaobo Wei Chun Zhang Shaojie

Abstract：Under the background of today's automobile development， the automobile industry chain has developed rapidly with the times， and the per capita ownership and use of automobiles have also been increasing with economic development. The improvement of vehicle safety performance is the purpose of research. Safety early warning technology is considered as the research direction. In the event of an accident， the driver can make timely evasive operations to prevent safety accidents from occurring， thereby avoiding traffic safety accidents. This article analyzes the causes of traffic accidents， infers many factors and methods such as people， vehicles， and the environment that caused the accident， and establishes related mathematical models to calculate the thermal stress and lateral stress during vehicle braking， and builds a good equipment circuit and interface design to provide theoretical support for control technology system design.

Key words：safety warning， model， control technology

1 序言

安全話題是汽車(chē)行業(yè)中永存的話題。在一項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中顯示，80%以上的常發(fā)事故案例分析中得出結(jié)論，發(fā)生事故時(shí)過(guò)度依賴于人工的安全操作。而本文中的電路圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是基于無(wú)線傳感器在車(chē)輛安全預(yù)警方面做出的預(yù)報(bào)系統(tǒng)：汽車(chē)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)程中預(yù)報(bào)技術(shù)的概念是汽車(chē)在道路行駛過(guò)程時(shí)候[2]，汽車(chē)上的慣性傳感器，在固定的布置位置上，同時(shí)實(shí)地監(jiān)測(cè)汽車(chē)行駛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，配合相關(guān)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的技術(shù)和手段，利用線性函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，可以智能化（AI）的預(yù)測(cè)出汽車(chē)短時(shí)間（大約1至3秒鐘）內(nèi)的行駛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[3]，具有非常強(qiáng)的可靠性與準(zhǔn)確性。針對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)方面的研究，提前預(yù)警駕駛員，提供預(yù)報(bào)汽車(chē)未來(lái)時(shí)刻的行駛動(dòng)態(tài)，甚至通過(guò)電路控制伺服系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)控制汽車(chē)面對(duì)此種行駛狀態(tài)做出準(zhǔn)確的反應(yīng)，此類相關(guān)系統(tǒng)對(duì)于提高車(chē)輛行駛主動(dòng)安全性能，并且避免事故發(fā)生起到一定的重要的作用[4]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

南京航空航天大學(xué)研究了基于以姿態(tài)監(jiān)控的為研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，在汽車(chē)側(cè)翻的狀態(tài)下，汽車(chē)的預(yù)警方面、控制方面進(jìn)行了深入的探討與研究。以此為基礎(chǔ)，建立一個(gè)三自由度側(cè)翻模型，該模型能夠正確準(zhǔn)時(shí)的對(duì)汽車(chē)行駛過(guò)程中側(cè)翻狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)性反饋，并以碰撞預(yù)警算法（TTC）為基本算法，研究基于側(cè)翻時(shí)，監(jiān)測(cè)與反饋信息的側(cè)翻預(yù)警算法（TTR），對(duì)比試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果，取得良好的成果和應(yīng)用。

北京航空航天大學(xué)的王建、余桂珍等，以輕型運(yùn)動(dòng)型多用途汽車(chē)（SUV）為研究對(duì)象，研究（1）實(shí)時(shí)側(cè)傾狀態(tài)估計(jì)（2）側(cè)翻預(yù)測(cè)研究。設(shè)計(jì)了一種具有精確的實(shí)時(shí)側(cè)傾估計(jì)器，該估計(jì)器用于估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻發(fā)生側(cè)翻時(shí)刻，車(chē)身側(cè)傾角、線速度、側(cè)傾角速度等因素。建立了用于預(yù)測(cè)汽車(chē)內(nèi)側(cè)輪胎離地所需要消耗的時(shí)間預(yù)測(cè)模型，并且結(jié)合當(dāng)下時(shí)間內(nèi)，綜合考慮汽車(chē)的側(cè)傾角、線速度及側(cè)傾角速度等因素，來(lái)確定汽車(chē)的發(fā)生側(cè)翻時(shí)候的角度，通過(guò)仿真軟件運(yùn)算，其結(jié)果也得到在不同的行駛工況下，該建立的預(yù)測(cè)模型在汽車(chē)的側(cè)翻時(shí)候，都能進(jìn)行準(zhǔn)確而時(shí)效的預(yù)測(cè)。

2.1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

德國(guó)比勒菲爾德大學(xué)的Christoph Hermes、Franz Kummert和戴姆勒公司的Christian Wahlert、Konrad Schenkt指出：盡早地探測(cè)到車(chē)輛在行駛過(guò)程當(dāng)中可能發(fā)生的潛在的危險(xiǎn)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)（1-3秒），掌握車(chē)輛自身情況和四周其他車(chē)輛的位置信息和運(yùn)動(dòng)軌跡是十分有必要的。出于這個(gè)角度出發(fā)，他們提出了綜合軌跡分類預(yù)測(cè)方法和粒子濾波結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)方法，次方法可以預(yù)測(cè)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期的狀態(tài)分析。

日本的Kajiro Watanabe、Yasushi Umezawa和Kyoko Abe研究了傳感器在探測(cè)到前方如果發(fā)生碰撞的情況下，利用龍伯格觀測(cè)器（Luenberger observer）儀器，利用帶有噪聲干擾設(shè)置程序的加速度信號(hào)來(lái)估計(jì)出汽車(chē)的加速度大小和沖擊程度，以此為媒介得到所碰撞的汽車(chē)速度和相對(duì)的位置信息，對(duì)汽車(chē)車(chē)速和相對(duì)位移與位置等信息進(jìn)行精確化的濾波處理，未來(lái)短時(shí)間范圍內(nèi)，存在的可能的碰撞汽車(chē)速度、角度、位置、位移等諸多結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性預(yù)測(cè)，以此計(jì)算為基礎(chǔ)，智能化判別是否啟用安全氣囊。

3 研究基礎(chǔ)

理論基礎(chǔ)：汽車(chē)在總裝這一系列復(fù)雜的過(guò)程中，部分情況下，零部件裝配時(shí)與車(chē)身狀況存在不匹配情況時(shí)有發(fā)生，引發(fā)后續(xù)裝備工作的問(wèn)題，造成零部件的生產(chǎn)設(shè)計(jì)滯后。前期分析了汽車(chē)安全預(yù)警控制系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)單元的電路，同時(shí)對(duì)接口設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論驗(yàn)證，其中包括伺服驅(qū)動(dòng)控制器、移動(dòng)通信模塊載荷、相關(guān)參數(shù)處理器和GPS定位模塊等方面，根據(jù)已有的參數(shù)分析，通過(guò)數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)論證配合傳感器的位置分布設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)和反饋核心板的電路圖。

實(shí)踐基礎(chǔ)：本實(shí)用新型的汽車(chē)裝配檢測(cè)系統(tǒng)可以在汽車(chē)裝配每個(gè)工位上進(jìn)行在線拍照，將采集到的圖片數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控室服務(wù)器，檢測(cè)人員將采集圖片與標(biāo)準(zhǔn)裝配圖片進(jìn)行對(duì)比，從而判斷每個(gè)工位零部件裝配是否合理。這種檢測(cè)方式可以避免零部件裝配干涉導(dǎo)致的返修問(wèn)題，從而大大提高了汽車(chē)的生產(chǎn)效率，節(jié)約人力、物力及時(shí)間等成本。

4 電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)成員的長(zhǎng)期研究，在汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)報(bào)技術(shù)方面取得了一定成績(jī)，已經(jīng)設(shè)計(jì)好設(shè)備電路及接口設(shè)計(jì)。如圖1所示，具體可表達(dá)為：

電路設(shè)計(jì)軟件Album Designerl0是當(dāng)下最為實(shí)用與流行的設(shè)計(jì)軟件，憑借它的技術(shù)手段可以來(lái)為安全預(yù)警控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，各個(gè)板塊電路在實(shí)踐設(shè)計(jì)中遇到的一系列問(wèn)題都可以通過(guò)此軟件來(lái)處理。涉及到原理圖的設(shè)計(jì)，PCB分布，相關(guān)的傳感器封裝，并且在電路安裝過(guò)程中特定走線模式。該電路設(shè)計(jì)的軟件具有穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，圖形處理功能也是非常優(yōu)異，在操作過(guò)程當(dāng)中用戶的體驗(yàn)感非常舒適，具有超強(qiáng)的用戶界面的，同時(shí)考慮到人反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)狀態(tài)的及時(shí)性與速度性，此套安全自動(dòng)控制單元會(huì)在發(fā)生數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)偏離時(shí)，駕駛員在操作不及，來(lái)不及反應(yīng)的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)工作自動(dòng)反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)采用增加制定力同時(shí)減小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等多種方式綜合調(diào)控措施，對(duì)汽車(chē)自動(dòng)實(shí)施減速，乃至停車(chē)。最大限度的增加汽車(chē)行駛的安全性。在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中可以強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)3軸加速度處理，并且計(jì)算和處理3軸角速度的，具有是一定實(shí)時(shí)性，傳感器通過(guò)電路反饋得到所需的汽車(chē)所處的位置和角度信息、實(shí)時(shí)車(chē)速以及未來(lái)短時(shí)間汽車(chē)行駛存在的可能性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，并及時(shí)預(yù)報(bào)甚至直接AI智能化處理的目的。

5 主要內(nèi)容

（1）本文對(duì)此種監(jiān)測(cè)與反饋處理系統(tǒng)進(jìn)行了方案的初步設(shè)計(jì)實(shí)施，根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)預(yù)警控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。并且瞬時(shí)性的采集汽車(chē)在行駛過(guò)程中的速度以及加速度、制動(dòng)器的溫度變化等本身參數(shù)，實(shí)時(shí)探測(cè)出周?chē)系K物的距離情況，匯總進(jìn)行主機(jī)反饋。

（2）本系統(tǒng)中的核心控制器部分是采用德制STC12系列單片機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)思路，分別對(duì)車(chē)載瞬時(shí)速度控制信息單元、反饋信息單單元、智能AI安全自動(dòng)處理控制單元進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)制造，并且嘗試運(yùn)行電路程序設(shè)計(jì)，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間不干擾通訊手段。通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立，計(jì)算發(fā)生事故時(shí)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的熱量變化，計(jì)算車(chē)身側(cè)翻受力情況等，以此構(gòu)建車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻時(shí)制動(dòng)器的溫度變化模型，為探究車(chē)輛安全的預(yù)警理論與控制技術(shù)在事故發(fā)生時(shí)的實(shí)踐性應(yīng)用，為該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支持。

（3）在通訊協(xié)議方面，采用SP協(xié)議程序，而在信息反饋單元系統(tǒng)方面則是采用目C/OS-II嵌入式，該操作系統(tǒng)具有穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性，安全性，系統(tǒng)之間瞬時(shí)消息完全同步，完成了預(yù)警系統(tǒng)的軟件和硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

6 項(xiàng)目創(chuàng)新特色概述

（1）由傳統(tǒng)的預(yù)警方式改為智能化AI，更具有安全性與實(shí)用性。

（2）在以安全維度建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出來(lái)的電路系統(tǒng)會(huì)智能化對(duì)駕駛員提出預(yù)警，同時(shí)能提供應(yīng)對(duì)方案和操作。

（3）利用車(chē)速測(cè)量傳感器裝置，以車(chē)速信號(hào)作為觀測(cè)向量的指標(biāo)，設(shè)計(jì)全新的Kalman濾波器，利用電路反饋信息來(lái)對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行最好的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

7 不足與期望

由于在現(xiàn)有的條件下，硬件條件略顯不足，同時(shí)傳感器精度方面相對(duì)較低，所以Kalman濾波器在汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的誤差補(bǔ)償和最優(yōu)估計(jì)作用在實(shí)際運(yùn)用中只能是有限運(yùn)動(dòng)。在后續(xù)的研究中，建議引入精確的車(chē)速偏向測(cè)量裝置，以瞬時(shí)車(chē)速信號(hào)這一因素，來(lái)觀測(cè)運(yùn)動(dòng)向量以及重新設(shè)計(jì)新的Kalman濾波器來(lái)對(duì)汽車(chē)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)和誤差診斷修正，以此來(lái)進(jìn)一步減少測(cè)量誤差和在運(yùn)算模擬器在積分解算過(guò)程中的減少累計(jì)誤差的目的。

基金項(xiàng)目：1.編號(hào)：ycgy202025，2020年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“隱形衛(wèi)士”-基于無(wú)線傳感器車(chē)輛安全預(yù)警控制系統(tǒng)的研究;

2.編號(hào)：ycgy201816，2018年校級(jí)科研項(xiàng)目，基于能源瓶頸背景下鹽城市新能源汽車(chē)“彎道超車(chē)”發(fā)展路徑研究;

參考文獻(xiàn)：

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