王偉偉，李京娜，陳婭君

（云南工商學(xué)院，云南昆明 651701）

新能源汽車包括混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等。在當(dāng)前環(huán)境污染與能源危機(jī)兩方面問題日益嚴(yán)峻的背景下，新能源汽車受到了人們的廣泛關(guān)注，并且越來越多的人開始購(gòu)買這一類型汽車。當(dāng)前，制約新能源汽車發(fā)展的主要因素包括車輛的電池儲(chǔ)存量過低、充電時(shí)間過長(zhǎng)等[1]。在城市工況條件下，新能源汽車在行駛的過程中，有超過30%的能量被用于驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行以及制動(dòng)過程中的消耗。若能夠有效利用這部分能源，則可在極大程度上提升車輛整體經(jīng)濟(jì)性能[2]。同時(shí)，當(dāng)前交通運(yùn)輸變得日益繁忙，疲勞駕駛、酒后駕車等都會(huì)造成安全事故，且這一類型事故頻繁發(fā)生。有效防止車輛的碰撞是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車裝置經(jīng)濟(jì)實(shí)用性的主要研究方向，同時(shí)也是亟待解決的問題。針對(duì)這一問題，相關(guān)領(lǐng)域研究人員開展了深入的探究，并嘗試研發(fā)出可實(shí)現(xiàn)汽車主動(dòng)剎車控制的系統(tǒng)。但是目前，研發(fā)出的控制系統(tǒng)一方面不適用于新能源汽車，另一方面在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)的靈敏度不高，產(chǎn)生的剎車信號(hào)距離范圍較小，無(wú)法為駕駛?cè)藛T以及剎車裝置提供有利的響應(yīng)時(shí)間等[3]。因此，針對(duì)上述問題，為了進(jìn)一步提高新能源汽車運(yùn)行安全性，本文嘗試引入紅外感應(yīng)技術(shù)，開展對(duì)新能源汽車主動(dòng)剎車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)新能源汽車在行駛的過程中，對(duì)其剎車進(jìn)行主動(dòng)控制，本文引入紅外感應(yīng)技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

結(jié)結(jié)合圖1可以看出，該剎車控制系統(tǒng)中包含新能源汽車本身自帶的速度表以及頻/伏轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、穩(wěn)壓電源、紅外線發(fā)生器等裝置。系統(tǒng)中各個(gè)硬件連接后，分析汽車主動(dòng)剎車控制的主要原理，具體為：新能源汽車在行駛的過程中，其速度可以通過電磁速度表顯示，該裝置發(fā)射一個(gè)頻率脈沖信號(hào)。若新能源汽車的行駛速度越快，相應(yīng)頻率越高，反之，則相應(yīng)頻率越低。將獲取到能夠表示汽車行駛速度的脈沖信號(hào)輸入到頻/伏轉(zhuǎn)換器中，并通過該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換[4]。當(dāng)頻率足夠高時(shí)，此時(shí)電壓信號(hào)會(huì)觸發(fā)電壓比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步觸發(fā)紅外線發(fā)射裝置，由該裝置發(fā)出脈沖調(diào)制紅外光。通過紅外光檢測(cè)汽車行駛時(shí)周圍是否存在障礙物，并實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車控制裝置的主動(dòng)控制，達(dá)到剎車效果。根據(jù)上述論述，本文主要針對(duì)剎車控制系統(tǒng)中的紅外線發(fā)射器、頻/伏轉(zhuǎn)換器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)說明。

圖1 基于紅外感應(yīng)的剎車控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 紅外線發(fā)射器選型

該系統(tǒng)選用TSAL6200型紅外線發(fā)射器，紅外線發(fā)射電路如圖2所示。該型號(hào)發(fā)射器的主要參數(shù)：最小輻射強(qiáng)度為40mW/sr；波長(zhǎng)為940nm；電壓-正向（Vf）為1.35V；最小電源電壓為3V；最大電源電壓為6.5V；運(yùn)行過程中的溫度為-40～85℃；視角為34°。TSAL6200型紅外線發(fā)射器電路工作原理：將頻/伏轉(zhuǎn)換器集成電路與該電路連接，汽車在行駛過程中車速頻率信號(hào)從15腳輸入，并在A1輸出端轉(zhuǎn)換為與輸入頻率成正比例關(guān)系的負(fù)向直流電壓。利用RW1實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓幅值的調(diào)節(jié)，并將調(diào)節(jié)后的信號(hào)送入到電壓比較器中，將電壓數(shù)值與預(yù)置電壓數(shù)值進(jìn)行對(duì)比[5]。當(dāng)汽車行駛速度低于設(shè)定的閾值時(shí)，則A3輸出電壓，并經(jīng)過R2輸入到比較器中，促使T1達(dá)到飽和并導(dǎo)通。在這一過程中，為確保TSAL6200型紅外線發(fā)射器的穩(wěn)定運(yùn)行，將CW46890型三端式集成穩(wěn)壓電源與其進(jìn)行連接，同時(shí)CW46890型穩(wěn)壓電源也可為整個(gè)連接電路提供靜態(tài)偏置電壓。這一電源裝置所需的電源由新能源汽車的電瓶提供。

1.2 頻/伏轉(zhuǎn)換器選型

選用SN74LVC2GU04DCKR型頻/伏轉(zhuǎn)換器，該頻/伏轉(zhuǎn)換器電路為2Circuit型電路；邏輯系列為74LVC；邏輯類型為Inverting；運(yùn)行過程中電源電壓最大值為5.5V，最小值為1.65V；運(yùn)行中的工作溫度最大值為+125℃，最小值為-45℃；采用SC70-6封裝結(jié)構(gòu)，輸入的信號(hào)為CMOS或TTL類型。除此之外，SN74LVC2GU04DCKR型頻/伏轉(zhuǎn)換器運(yùn)行中高電平輸出電流為32mA，低電平輸出電流為-32mA。各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均符合本文剎車控制系統(tǒng)對(duì)頻/伏轉(zhuǎn)換器提出的選型要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 新能源汽車主動(dòng)剎車控制指令的接收與發(fā)送

為實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車主動(dòng)剎車控制，在進(jìn)行模糊控制前，首先需要確定系統(tǒng)中控制指令的接收和發(fā)送方式。在新能源汽車行駛過程中，針對(duì)剎車裝置的參數(shù)變化，可通過RS485串口接收的方式獲得控制系統(tǒng)的控制請(qǐng)求，并通過單片機(jī)完成對(duì)各項(xiàng)程序的執(zhí)行中斷。接收數(shù)據(jù)包括穩(wěn)壓電源運(yùn)行數(shù)據(jù)、電壓比較器比較結(jié)果數(shù)據(jù)、速度表顯示數(shù)據(jù)等。其中穩(wěn)壓電源運(yùn)行中的電壓可通過公式（1）計(jì)算得出：

式中，U'為穩(wěn)壓電源運(yùn)行電壓，δ為占空比，U為輸入電壓。公式（1）中，δ可通過導(dǎo)通時(shí)間T與開關(guān)時(shí)間t的比值得出，其表達(dá)式為：

通過單片機(jī)判斷傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否為接收數(shù)據(jù)，若是接收數(shù)據(jù)則進(jìn)入相應(yīng)處理機(jī)制當(dāng)中，若不是接收數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)在傳輸過程中，數(shù)據(jù)傳輸串口不對(duì)其產(chǎn)生反應(yīng)。當(dāng)發(fā)出控制指令后，由剎車控制系統(tǒng)中的MCU結(jié)構(gòu)判斷是否可以滿足請(qǐng)求包的需求，再針對(duì)寄存器的數(shù)量是否滿足預(yù)置要求進(jìn)行判斷，若滿足則還需要對(duì)起始地址是否正常以及起始地址和寄存器數(shù)量是否正常進(jìn)行判斷。在完成判斷后，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行處理，并查看讀/寫多個(gè)寄存器是否處于正常運(yùn)行的工作狀態(tài)。最后由剎車控制MCU發(fā)送正常響應(yīng)的數(shù)據(jù)包，由SN74LVC2GU04DCKR型頻/伏轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)接收，并將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂蒲b置能夠識(shí)別的控制指令。

在接收到主動(dòng)控制的請(qǐng)求時(shí)，剎車控制主芯片先對(duì)其數(shù)據(jù)幀的地址進(jìn)行解析，并判斷該幀是否為發(fā)送給主芯片的幀。若得出的判斷結(jié)果是數(shù)據(jù)幀地址正確，則對(duì)其功能碼進(jìn)行解析處理，并能夠判斷功能碼是否正確。若正確則進(jìn)入到數(shù)據(jù)接收模塊中，若不正確則自動(dòng)跳過這一環(huán)節(jié)。再?gòu)臄?shù)據(jù)幀當(dāng)中去除掉最后CRC校驗(yàn)的兩個(gè)字節(jié)，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC16校驗(yàn)。將檢驗(yàn)得出的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)CRC校驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，若數(shù)值相同，則說明檢驗(yàn)正確，若數(shù)值不同，則說明檢驗(yàn)錯(cuò)誤。接收正確檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)幀，并將標(biāo)志位flag設(shè)置為零，同時(shí)將產(chǎn)生的應(yīng)答數(shù)據(jù)返回。若在上述過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀存在地址錯(cuò)誤或功能不正確等問題，則通過控制系統(tǒng)的控制器返回存在異常的代碼，并將標(biāo)志位flag設(shè)置為1，同時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)中斷跳出串口，等待下一次請(qǐng)求中斷。據(jù)此，完成對(duì)主動(dòng)剎車控制指令的接收和發(fā)送。

2.2 基于紅外感應(yīng)的剎車角度模糊控制

在對(duì)新能源汽車進(jìn)行主動(dòng)剎車控制時(shí)，引入紅外感應(yīng)技術(shù)，基于上述選擇的TSAL6200型紅外線發(fā)射器，通過對(duì)紅外線的接收和處理，對(duì)剎車角度進(jìn)行模糊控制。紅外線發(fā)射器啟動(dòng)后，通過紅外線接收電路完成接收，在信號(hào)放大電路中對(duì)其產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，再進(jìn)行檢波整形。通過紅外線接收二極管接收發(fā)射器發(fā)出的紅外脈沖信號(hào)，利用IC對(duì)紅外線信號(hào)放大，并在這一過程中完成對(duì)信號(hào)的濾波、計(jì)分檢波等操作，以此提供偏置電壓。根據(jù)得到的偏置數(shù)據(jù)，將剎車的制動(dòng)分為緊急停車和定位停車兩種。在緊急停車時(shí)，通過主控制器傳遞紅外線信號(hào)，此時(shí)剎車控制器能夠快速做出反應(yīng)，并下達(dá)相應(yīng)的輸出控制信號(hào)，通過上述控制指令接收和發(fā)送的方式實(shí)現(xiàn)傳遞，并達(dá)到緊急停車效果。當(dāng)進(jìn)行定位停車時(shí)，需要對(duì)剎車的精度進(jìn)行控制，通過主軸的轉(zhuǎn)速以及角度，對(duì)剎車角度的提前量進(jìn)行計(jì)算，確保停車角的精度。針對(duì)緊急停車和定位停車兩種控制方式，需要明確剎車滯后時(shí)間、角速度以及剎車角度滑移之間的關(guān)系，見公式（3）。

式中，θ為剎車角的滑移角預(yù)測(cè)數(shù)值，t為剎車滯后時(shí)間，n為當(dāng)前汽車主軸運(yùn)動(dòng)的角速度，U為汽車主軸轉(zhuǎn)速對(duì)調(diào)整角度產(chǎn)生的影響系數(shù)；θ0為需要調(diào)整的角度。根據(jù)公式（3）的計(jì)算，可以在發(fā)出控制指令時(shí)，將剎車滯后時(shí)間考慮到控制時(shí)間當(dāng)中，確保對(duì)新能源汽車剎車控制的及時(shí)性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車剎車的主動(dòng)控制。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇基于非線性干擾觀測(cè)器的剎車控制系統(tǒng)作為對(duì)照組，將本文提出的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，將兩種控制系統(tǒng)應(yīng)用到相同的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，針對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行對(duì)比。選擇以某品牌兩臺(tái)新能源汽車作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中一臺(tái)安裝實(shí)驗(yàn)組控制系統(tǒng)，另一臺(tái)安裝對(duì)照組控制系統(tǒng)，兩臺(tái)汽車規(guī)格、運(yùn)行性能等完全相同。圖2為安裝實(shí)驗(yàn)組控制系統(tǒng)的汽車紅外線發(fā)射器發(fā)射光線示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)組汽車紅外發(fā)射器發(fā)射光線

在運(yùn)行前，對(duì)兩組汽車進(jìn)行調(diào)試，控制汽車在相同的轉(zhuǎn)速下，對(duì)比其剎車控制后停車時(shí)的角度精度，以此對(duì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行精度進(jìn)行分析。在利用兩種控制系統(tǒng)對(duì)車輛的剎車進(jìn)行控制時(shí)，規(guī)定汽車的標(biāo)準(zhǔn)停車角為300°，在這一標(biāo)準(zhǔn)下，共完成6次車輛停車操作，記錄剎車后車輛停車角的偏移量，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組車輛停車角偏移量對(duì)比

通常情況下，新能源汽車在完成剎車動(dòng)作后，其實(shí)際停車角與標(biāo)準(zhǔn)停車角的偏差在±5°以內(nèi)，都認(rèn)為符合正常剎車的標(biāo)準(zhǔn)?；谶@一理論，結(jié)合表1中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組控制系統(tǒng)的實(shí)際停車角與標(biāo)準(zhǔn)停車角之間產(chǎn)生的偏移量均在±5°以內(nèi)，而對(duì)照組控制系統(tǒng)實(shí)際停車角與標(biāo)準(zhǔn)停車角之間產(chǎn)生的偏移量均超過了標(biāo)準(zhǔn)范圍。因此，通過上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠初步證明，本文提出的基于紅外感應(yīng)的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)新能源汽車主動(dòng)剎車的高精度控制，對(duì)于提高新能源汽車的行駛安全具有極高的現(xiàn)實(shí)意義。

為了進(jìn)一步對(duì)兩種控制系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行對(duì)比，選擇將剎車信號(hào)產(chǎn)生時(shí)與障礙物之間的距離范圍作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。二者之間的距離范圍越大，說明控制系統(tǒng)的靈敏度越高，越能夠及時(shí)給出剎車響應(yīng)；反之，二者之間的距離范圍越小，則說明控制系統(tǒng)的靈敏度越低，越無(wú)法及時(shí)給出剎車響應(yīng)。為此，針對(duì)兩臺(tái)新能源汽車，對(duì)其在遇到不同障礙物時(shí)的剎車信號(hào)距離范圍進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組控制系統(tǒng)靈敏度對(duì)比

從表2中得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)中組剎車信號(hào)距離范圍均超過15m，并且不會(huì)隨著障礙物規(guī)格的變化而發(fā)生改變，始終保持在安全距離范圍內(nèi)，而對(duì)照組剎車信號(hào)距離范圍最大為6.8m，最小僅為1.1m，且會(huì)受到障礙物規(guī)格的影響。障礙物越小，則剎車信號(hào)距離范圍越小，在對(duì)障礙物E進(jìn)行剎車控制時(shí)，其距離范圍僅為1.1m。在實(shí)際情況下對(duì)障礙物以及汽車都會(huì)造成一定損害。因此，本文提出的基于紅外感應(yīng)的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備更高的靈敏度。

綜合上述兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，本文提出的控制系統(tǒng)在控制精度和控制靈敏度上均更加理想，以實(shí)現(xiàn)更及時(shí)和有效的剎車控制，從而確保新能源汽車的安全行駛，保障駕駛?cè)藛T的人身安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了提升新能源汽車行駛過程中的安全性，針對(duì)當(dāng)前剎車不及時(shí)、疲勞駕駛、酒后駕車等造成汽車相撞頻發(fā)的問題，引入紅外感應(yīng)技術(shù)，提出了一種全新的剎車控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了這一系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可以在較大程度上降低甚至避免汽車相撞的問題。