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        一種汽車轉(zhuǎn)向信號(hào)燈智能控制設(shè)想研究

        2021-03-12 08:28:58
        南方農(nóng)機(jī) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:駕駛員

        周 萌

        (鐵嶺師范高等??茖W(xué)校,遼寧 鐵嶺 112008)

        隨著社會(huì)的進(jìn)步,人們的生活水平大幅度提高,汽車已走進(jìn)千家萬戶。汽車轉(zhuǎn)向信號(hào)燈設(shè)計(jì)涉及車輛的有序通過和行人的安全[1]。但部分駕駛員由于熟練度、緊張等問題,在轉(zhuǎn)向時(shí)沒能及時(shí)提供轉(zhuǎn)向信號(hào),給交通帶來安全隱患。為解決以上問題,本文對(duì)傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,取消轉(zhuǎn)向開關(guān),取而代之的是纏繞在方向盤兩側(cè)的柔性壓阻式傳感器,駕駛員不再需要抬手撥動(dòng)轉(zhuǎn)向開關(guān),只需單手在方向盤轉(zhuǎn)向側(cè)稍加用力緊握即可接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向電路,進(jìn)一步降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度,使駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向燈的控制更加便捷。當(dāng)駕駛員忘記對(duì)轉(zhuǎn)向燈進(jìn)行操控時(shí),該系統(tǒng)可利用方向盤上轉(zhuǎn)角傳感器自動(dòng)識(shí)別出駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,并根據(jù)輸出信號(hào)自動(dòng)接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向電路,為其他車輛提供警示信號(hào),保證車輛行駛安全。

        1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)的握力傳感器采用柔性壓阻式傳感器,該傳感器具有體積小、成本低、工作穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[2-3],符合本設(shè)計(jì)設(shè)想要求。系統(tǒng)將柔性壓阻式傳感器均勻纏繞在方向盤的兩側(cè)。柔性壓阻傳感器利用串行方式將信號(hào)傳至控制單元,當(dāng)控制單元接收到左側(cè)壓阻傳感器信號(hào)時(shí),控制汽車左轉(zhuǎn)向控制電路接通,使左側(cè)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈閃爍,當(dāng)其接收到右側(cè)壓阻傳感器信號(hào)時(shí),同理控制右側(cè)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈閃爍。

        當(dāng)駕駛員因各種原因忘記對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈進(jìn)行控制時(shí),控制單元可根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度辨識(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。駕駛員在對(duì)汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí),一般有以下三種情況:第一,駕駛員控制汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)彎,此種情況下,駕駛員需要對(duì)方向盤進(jìn)行大幅度操作,其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大。第二,駕駛員控制汽車進(jìn)行變線操作,此種情況下,方向盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較小,但變線過程中方向盤轉(zhuǎn)角會(huì)保持一段時(shí)間,以保證汽車完成邊線操作。第三,汽車直線行駛時(shí),因路況等原因,為保持汽車直線行駛而對(duì)方向盤角度進(jìn)行微調(diào),此種情況下方向盤轉(zhuǎn)角變化不大,且保持時(shí)間極短。通過以上分析,本系統(tǒng)為方向盤轉(zhuǎn)角設(shè)定閾值α,當(dāng)方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角α1>閾值α,或?qū)嶋H轉(zhuǎn)角α1保持時(shí)長超過設(shè)置的閾值時(shí)長,控制單元將轉(zhuǎn)向電路接通,使轉(zhuǎn)向信號(hào)燈閃爍。

        中央控制部分主要對(duì)來自信息采集部分的各傳感器信號(hào)進(jìn)行分析處理。本系統(tǒng)選用的中央處理器為意大利的Arduino Mega。該處理器采用ATmega2560作為核心處理器,配備有54路數(shù)字輸入/輸出引腳、16路模擬輸入、4個(gè)UART(硬件串行接口)、一個(gè)16MHz集體振蕩器、一個(gè)USB接口、一個(gè)電源插座、一個(gè)ICSP接頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino Mega工作電壓為5V,串口輸出電流為40mA,內(nèi)存空間為256kB,可實(shí)現(xiàn)6個(gè)外部中斷。Arduino可以使用現(xiàn)有的所有傳感器、開關(guān)和其他控制裝置??梢钥刂聘黝愝敵鲅b置例如LED、伺服電機(jī)等。Arduino的IDE界面基于開放源代碼,可以免費(fèi)下載使用,使用方便。

        汽車上的電源一般為整車提供的電壓為12V或24V,選擇的中央處理器、AD芯片等元件所需要輸入電壓為3.3V或5V,因此需要將汽車電源的電壓轉(zhuǎn)換成符合中央處理器正常工作環(huán)境的電壓。優(yōu)秀的電源可以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。根據(jù)需要,對(duì)電源的要求是應(yīng)有穩(wěn)定的電壓及電流輸出和良好的散熱性能。通過以上描述,選用LM2596-ADJ可調(diào)電壓輸出的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器作為電源轉(zhuǎn)換電路的核心。該電壓調(diào)節(jié)器可以將4.75V~40V的輸入電壓調(diào)整為1.2V~37V的輸出電壓。輸出電流最高可達(dá)3A,采用150kHz的內(nèi)部震蕩器,具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能,可實(shí)現(xiàn)外部斷電提高安全性。

        電源轉(zhuǎn)換電路中電阻選型如下:

        通過輸出電壓公式:

        式中:參考電壓VREF=1.23V,輸出電壓VOUT=5V,R1的阻值選取可在240Ω至1.5kΩ中選擇。R1電阻選用精度為1%的金屬膜電阻,該電阻可降低溫度系數(shù)。該電阻的阻值選用R1=1kΩ。通過公式可以計(jì)算出R2電阻的阻值為3.07kΩ。

        電源轉(zhuǎn)換電路中電感(L1)選型如下:

        電感電壓與微秒計(jì)算公式有:

        式中:VSAT為內(nèi)部開關(guān)飽和電壓,VSAT=1.16V。VD為二極管正向壓降,VD=0.5V。F為開關(guān)頻率為固定值,F(xiàn)=150kHz。VIN為輸入電壓,VIN=12V。通過公式3.5計(jì)算得到微秒常數(shù)為18.88μs。通過查表可得到電感值為68μH。

        電源轉(zhuǎn)換電路中輸出電感(COUT)選型如下:

        根據(jù)公式:

        通過計(jì)算可知COUT≥469.4μF。輸出電感可在82μF~820μF間選擇。本課題選用475μF的低等效電解電容,該電容的穩(wěn)定性及使用效果最佳。

        前饋電容(CFF)的選型:

        當(dāng)輸入高于10V時(shí),需要加裝一個(gè)補(bǔ)償電容,該電容應(yīng)在100pF~33nF間選擇。該電容由以下公式計(jì)算:

        根據(jù)公式計(jì)算該電容可取3.3nF電容。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性,該電容選擇云母電容。

        吸納二極管(D1)的選型:D1二極管的最大承受電流能力要求為最大負(fù)載電流的1.3倍,反向耐壓應(yīng)為最大輸出電壓的1.25倍。本課題選用的二極管為肖特基二極管,該二極管具有工作穩(wěn)定性好,效率高等特點(diǎn),適合要求。

        輸入電容(CIN)的選擇:在系統(tǒng)工作時(shí),輸入端有可能會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓,為了防止該情況發(fā)生,要在輸入端及接地端之間加裝一個(gè)低等效電阻的鋁電解電容作為旁路電容。該電容的電流平方根應(yīng)不低于負(fù)載電流的一半。該電容的耐壓值應(yīng)為最大輸入電壓的1.5倍。由于選中央控制器最大驅(qū)動(dòng)電流為50mA,因此輸入電容的電流至少應(yīng)為5mA。因?yàn)橹醒肟刂破鬏斎腚妷簽?V,所以該電容的耐壓值應(yīng)大于7.5V。

        2 控制流程設(shè)計(jì)

        為更加準(zhǔn)確的辨識(shí)駕駛員對(duì)方向盤的操作意圖,本系統(tǒng)將駕駛員對(duì)方向盤的握力設(shè)定閾值F,當(dāng)駕駛員對(duì)方向盤某一側(cè)的實(shí)際握力F1>F時(shí),系統(tǒng)判定駕駛員準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向,此時(shí)控制單元接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路,使轉(zhuǎn)向燈閃爍。駕駛員完成轉(zhuǎn)向后,方向盤回正,轉(zhuǎn)角為0,控制單元通過轉(zhuǎn)角傳感器輸出轉(zhuǎn)角為0信號(hào)來判斷方向盤已回正,此時(shí),控制單元切斷轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路,轉(zhuǎn)向燈熄滅。如駕駛員正常直線行駛時(shí),因?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進(jìn)行了誤操作,而點(diǎn)亮了轉(zhuǎn)向信號(hào)燈,此時(shí),只需雙手同時(shí)握緊方向盤兩側(cè),兩側(cè)柔性壓阻傳感器實(shí)際握力同時(shí)大于設(shè)置閾值時(shí),控制單元將切斷轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路,使轉(zhuǎn)向燈熄滅。在轉(zhuǎn)向燈沒有接通情況下,方向盤兩側(cè)實(shí)際握力均大于設(shè)置閾值,兩側(cè)轉(zhuǎn)向燈將同時(shí)閃爍,激活危險(xiǎn)警告功能,方向盤兩側(cè)同時(shí)緊握則關(guān)閉危險(xiǎn)警告功能。這樣,在緊急情況下,駕駛員不需將手離開方向盤,依然可點(diǎn)亮危險(xiǎn)警告燈,保證駕駛員的安全,避免交通事故的發(fā)生。

        如控制單元沒有接收到大于握力閾值的握力信號(hào),但方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角信號(hào)α1>α,或α1保持時(shí)長t1≥閾值時(shí)長t,控制單元判定駕駛員正在實(shí)施轉(zhuǎn)向操作,根據(jù)轉(zhuǎn)角信號(hào)的輸出方向,自動(dòng)接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路,使相應(yīng)轉(zhuǎn)向燈閃爍。如駕駛員通過握力觸發(fā)轉(zhuǎn)向燈點(diǎn)亮,該設(shè)置將不啟動(dòng)。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)流程圖

        對(duì)于駕駛員對(duì)方向盤的握力閾值應(yīng)根據(jù)對(duì)不同性別、不同年齡、不同駕駛習(xí)慣的駕駛員進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析得出。如該閾值設(shè)置過大,部分駕駛員因力量較小,在緊握方向盤后將不會(huì)出發(fā)控制電路,導(dǎo)致無法提前點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)燈。如該閾值設(shè)置過小,部分駕駛員因緊張、駕駛習(xí)慣等問題,系統(tǒng)將誤判駕駛員操作意圖,無故點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)燈,對(duì)其他車輛產(chǎn)生誤導(dǎo)。方向盤實(shí)際轉(zhuǎn)角保持時(shí)間也要通過大量實(shí)驗(yàn)得出,如其時(shí)間過短將出現(xiàn)系統(tǒng)誤判,過長將不能起到轉(zhuǎn)向提示作用。

        3 結(jié)論

        本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想,主要通過纏繞在方向盤兩側(cè)的柔性壓阻傳感器感知駕駛員對(duì)方向盤的握緊力度,辨識(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖,并通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器幫助駕駛員自動(dòng)接通轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路,為駕駛員因各種原因沒有對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作的行為進(jìn)行補(bǔ)救,除了夜間照明外,更重要的是對(duì)對(duì)其他行駛車輛和行人起到警示和提醒作用[4],以此提高駕駛員的駕駛安全性,避免交通事故的發(fā)生。

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