基于ITS的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

張海波

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 南充 637000）

基于ITS的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

張海波

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 南充 637000）

為了解決汽車(chē)數(shù)量劇增帶來(lái)的交通安全問(wèn)題，建立了智能交通系統(tǒng)，即ITS，對(duì)于提高汽車(chē)交通安全具有重要意義。同時(shí)為了進(jìn)一步從根本技術(shù)上實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)交通安全的控制管理，開(kāi)始了汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。論文首先分析了智能交通系統(tǒng)（ITS）的功能、作用，并闡釋了汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)的定義及主要技術(shù)，最后重點(diǎn)分析了在ITS基礎(chǔ)上的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)，主要是從各個(gè)功能組成模塊進(jìn)行分析，共同組成了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

ITS；汽車(chē)；電子監(jiān)測(cè)技術(shù)；設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車(chē)在人們的日常生活中成為重要的交通工具。隨之而來(lái)的交通事故、交通堵塞等問(wèn)題，也成為急待解決的主要難題，于是出現(xiàn)了智能交通系統(tǒng)（ITS），為解決汽車(chē)帶來(lái)的交通問(wèn)題做出巨大貢獻(xiàn)。從ITS汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究來(lái)看，目前主要集中在對(duì)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用方面，對(duì)汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵性技術(shù)設(shè)計(jì)還顯得有些薄弱。本文基于ITS理論技術(shù)對(duì)汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了關(guān)鍵性技術(shù)的分析和探討，并指出了它在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題及對(duì)策。

1 智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱ITS，是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、處理技術(shù)、電子自動(dòng)控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)等，綜合有效的適用于整個(gè)交通管理體系中，對(duì)人、路、車(chē)實(shí)現(xiàn)規(guī)范統(tǒng)一的安排指揮，在大范圍內(nèi)全方位的進(jìn)行交通運(yùn)輸綜合管理的一種系統(tǒng)[1]。此系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)。在智能交通系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，加強(qiáng)汽車(chē)行使安全，并提高汽車(chē)故障的診斷功能，在一定程度上提高汽車(chē)行使的安全系數(shù)。

2 汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

2.1 汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)的含義

汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)主要包括兩方面，一是有效的監(jiān)測(cè)汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，是否出現(xiàn)跑偏、轉(zhuǎn)向失靈等異常情況，并及時(shí)給予必要的安全控制措施保障；二是，通過(guò)異常行使車(chē)輛的故障監(jiān)測(cè)，保障汽車(chē)的安全總成。而在ITS系統(tǒng)中，汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)在線監(jiān)測(cè)信號(hào)，將故障車(chē)輛的情況迅速的傳遞給ITS系統(tǒng)，進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的安全指揮，同時(shí)傳輸?shù)焦收暇S修中心，第一時(shí)間對(duì)故障車(chē)輛給予維修指導(dǎo)，并有效的對(duì)堵塞交通進(jìn)行疏導(dǎo)，保證交通順暢。

通常基于ITS的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)汽車(chē)安全行駛狀況的監(jiān)測(cè)，其中整個(gè)系統(tǒng)主要包括汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、安全總成故障診斷模塊兩部分，與車(chē)輛通訊設(shè)備、報(bào)警裝置、微處理等共同組成汽車(chē)的電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將汽車(chē)的異?，F(xiàn)象和安全診斷結(jié)果進(jìn)行傳輸。

2.2 汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析

在整個(gè)ITS系統(tǒng)中主要作用于汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)的技術(shù)分為3大組成部分，它們共同為汽車(chē)安全行駛提供技術(shù)保障。

1）汽車(chē)電子技術(shù)

汽車(chē)電子技術(shù)與我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)，無(wú)論是真空管、晶體管還是集成電路的技術(shù)進(jìn)步，都為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)電子裝置提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。而目前，在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，汽車(chē)電子技術(shù)已步入新的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了電子技術(shù)、自動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及機(jī)電一體耦合技術(shù)的綜合交叉，進(jìn)入了小系統(tǒng)商品成熟階段[2]。其中傳感器是汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)在重點(diǎn)，是唯一獲得電子設(shè)備外信息的途徑，能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)安全行使的監(jiān)測(cè)。

2）傳感器

傳感器又被稱作轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)⑵?chē)電子設(shè)備外的信號(hào)進(jìn)行變換，將被監(jiān)測(cè)的非電量有效的轉(zhuǎn)換為電量，實(shí)現(xiàn)電能形態(tài)的變換。而在汽車(chē)技術(shù)中使用的傳感器，能夠有效的促進(jìn)汽車(chē)的高檔化、自動(dòng)化和電子化的實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步的從汽車(chē)的設(shè)計(jì)上，避免安全故障、高燃耗等問(wèn)題，利用傳感器對(duì)汽車(chē)多樣過(guò)程的控制進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)是必要的，并通過(guò)微電腦信息處理功能，能夠成為汽車(chē)電子化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

通常傳感器會(huì)根據(jù)汽車(chē)的設(shè)計(jì)、軟硬件、電氣、機(jī)械的不同，而在數(shù)量上有所差距，盡量從性能、價(jià)格、尺寸上對(duì)傳感器進(jìn)行要求。一般傳感器都必須具備以下的要求，首先要能夠適應(yīng)各種能夠環(huán)境。汽車(chē)環(huán)境溫度變化范圍較大，會(huì)在-40～80℃間波動(dòng)，加之汽車(chē)行使的路面狀態(tài)、烈日、暴雨等都會(huì)造成汽車(chē)環(huán)境溫度的懸殊變化，因此設(shè)計(jì)的傳感器必須具有耐震、耐水、耐溫、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)。

3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)其功能又被稱為計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，都是利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)、工礦進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的巡回檢測(cè)。而計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能包括采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)操作人員的指令信息，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的處理，保存數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息顯示報(bào)道出來(lái)，進(jìn)行汽車(chē)事故報(bào)警和表格打印等。同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息處理只是將生產(chǎn)過(guò)程的信號(hào)進(jìn)行必要的預(yù)處理，而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出是通過(guò)外部設(shè)備和人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的，能夠有效的提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，以供操作人員進(jìn)行分析判斷，掌握最先的汽車(chē)生產(chǎn)情況，對(duì)整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)監(jiān)視。

3 基于ITS的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析

為進(jìn)一步提高汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)組成部分的優(yōu)化發(fā)展，能夠有效的形成組件式的汽車(chē)電子檢測(cè)系統(tǒng)，大大提高汽車(chē)交通安全的同時(shí)，又便于進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)管理。從汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)的整體功能上來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的組成部分包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及信息輸出、執(zhí)行模塊等部分。

其中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊，是利用傳感器、激光雷達(dá)、超聲波、紅外線、攝像機(jī)等技術(shù)工具實(shí)現(xiàn)的，對(duì)汽車(chē)整個(gè)運(yùn)行狀況及路面的監(jiān)測(cè)，類(lèi)似于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的眼睛。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，一般都會(huì)隨著路況的不同而進(jìn)行路線的改變，多出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等現(xiàn)象，而這些情況也最容易導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)異常和故障，嚴(yán)重影響汽車(chē)的交通安全。利用汽車(chē)生產(chǎn)安裝的傳感器、攝像機(jī)和紅外線等工具，能夠快速穩(wěn)定的反映出整個(gè)汽車(chē)情況，得到全局信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的采集。同時(shí)利用傅立葉還能對(duì)汽車(chē)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的分析、判定，并對(duì)汽車(chē)故障進(jìn)行及時(shí)診斷，將所有信息實(shí)現(xiàn)時(shí)域定位，自行進(jìn)行汽車(chē)交通安全的監(jiān)測(cè)。

同時(shí)傳感器能夠準(zhǔn)確快速的測(cè)算出汽車(chē)間的安全距離，指揮車(chē)輛進(jìn)行橫向、縱向控制。其中進(jìn)行橫向距離測(cè)算時(shí)，會(huì)利用DGPS進(jìn)行周期采樣，一般為200 ms控制周期為50 ms。當(dāng)然利用汽車(chē)前輪的轉(zhuǎn)角變化量也能計(jì)算出汽車(chē)橫向位置，采用下列公式就能推算出汽車(chē)前輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角變化量[3]：

上式中的Tc為汽車(chē)橫向控制周期，而K1和 K2是依照目標(biāo)路徑誤差（ε）最小原則來(lái)實(shí)現(xiàn)的橫向安全距離計(jì)算。而縱向汽車(chē)間距，主要是通過(guò)油門(mén)、制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制，同時(shí)應(yīng)用了非線性滑?？刂评碚?，推測(cè)出前后車(chē)間距s（t）的控制。在下列算式中，K＞0的系數(shù)。

根據(jù)我國(guó)出現(xiàn)的汽車(chē)追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)分析，我國(guó)在智能交通系統(tǒng)中采取的安全車(chē)間距離計(jì)算是通過(guò)以下公式實(shí)現(xiàn)的：

在上式中， Tγ通常代表汽車(chē)駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，多為0.5～2 s間； Td是制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間，一般為0.2 s；V為自身駕駛汽車(chē)的速度， Vrel是前后兩車(chē)的相對(duì)速度，α是減速度。根據(jù)公式就可以算出 Vrel，通過(guò)實(shí)際車(chē)距離和時(shí)間微分獲得：

而數(shù)據(jù)處理模塊，是通過(guò)車(chē)載計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行的，一般都是嵌入式系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性和可靠性等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理模塊位于數(shù)據(jù)采集和信息輸出、執(zhí)行模塊間，實(shí)現(xiàn)著整個(gè)汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳遞作用，相當(dāng)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的心臟、大腦。它能夠?qū)⑺衅?chē)故障的自行診斷，與整體車(chē)輛進(jìn)行結(jié)合，綜合的實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛整體狀態(tài)的監(jiān)控。最后的監(jiān)測(cè)信息輸出、執(zhí)行，能夠全面有效的顯示各種數(shù)據(jù)信息、警告、信息存儲(chǔ)等，能夠?qū)⑵?chē)異常故障處理的最終結(jié)果進(jìn)行傳達(dá)，類(lèi)似于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的嘴。

3.2 .基于ITS的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

基于ITS的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)在設(shè)計(jì)上，首先需要強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)采集方案的設(shè)計(jì)。多數(shù)汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集上，采用的是程序輪詢式，指根據(jù)系統(tǒng)的功能，提前設(shè)置好數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔，再對(duì)需要獲取信號(hào)的設(shè)備進(jìn)行信息的采集。當(dāng)然對(duì)于這些采集的信息也要進(jìn)行必要的處理，保證信號(hào)源設(shè)備的高級(jí)別，及時(shí)的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息處理，如：剎車(chē)系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等都需要進(jìn)行優(yōu)先數(shù)據(jù)采集處理[4]。主要集中在對(duì)以下幾個(gè)方面的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和技術(shù)設(shè)計(jì)。

首先是系統(tǒng)組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸與執(zhí)行3大模塊組成。其具體工作流程如圖1所示。

圖1 汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)組成構(gòu)架圖Fig.1 Structure diagram of automobile electronic monitoring system

其中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊，是利用傳感器、激光雷達(dá)、超聲波、紅外線、攝像機(jī)等技術(shù)工具實(shí)現(xiàn)的，對(duì)汽車(chē)整個(gè)運(yùn)行狀況及路面的監(jiān)測(cè)，類(lèi)似于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的“眼睛”。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，一般都會(huì)隨著路況的不同而進(jìn)行路線的改變，多出現(xiàn)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等現(xiàn)象，而這些情況也最容易導(dǎo)致汽車(chē)出現(xiàn)異常和故障，嚴(yán)重影響汽車(chē)的交通安全。利用汽車(chē)生產(chǎn)安裝的傳感器、攝像機(jī)和紅外線等工具，能夠快速穩(wěn)定的反映出整個(gè)汽車(chē)情況，得到全局信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的采集。同時(shí)利用傅里葉還能對(duì)汽車(chē)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一定的分析、判定，并對(duì)汽車(chē)故障進(jìn)行及時(shí)診斷，將所有信息實(shí)現(xiàn)時(shí)域定位，自行進(jìn)行汽車(chē)交通安全的監(jiān)測(cè)。整個(gè)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)行過(guò)程如圖2所示：

圖2 汽車(chē)電子檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of data processing of automobile electronic detection system

當(dāng)然在進(jìn)行時(shí)間間隔設(shè)置時(shí)，也可以根據(jù)信號(hào)源設(shè)備的優(yōu)先程度進(jìn)行不同時(shí)限設(shè)置，信號(hào)源設(shè)備優(yōu)先級(jí)越高，時(shí)間間隔就越短；反之，時(shí)限間隔越長(zhǎng)。這樣能夠及時(shí)的保證整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)源信息的及時(shí)采集，并對(duì)其進(jìn)行合理判斷，保證設(shè)備的運(yùn)行[5]。同時(shí)信號(hào)中斷式、用戶查詢式數(shù)據(jù)采集方法，也是常見(jiàn)的汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案，它們3種不同數(shù)據(jù)采集方式，共同作用于汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功能流程圖如圖3。

而汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是在車(chē)載嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重點(diǎn)考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和可伸縮性[6]。上圖所示的輸入面板，是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口，汽車(chē)用戶可以有效的通過(guò)輸入面板，進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的查詢，為自身汽車(chē)行使提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)進(jìn)入存儲(chǔ)器就能查詢到汽車(chē)在整體行使過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)，包括對(duì)汽車(chē)故障異常的分析數(shù)據(jù)，駕駛過(guò)程的環(huán)境、路況分析，都可以及時(shí)的提供最全面完成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖3 汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體功能流程圖Fig.3 The function chart of automobile electronic monitoring system

4 結(jié)束語(yǔ)

在智能交通系統(tǒng)（ITS）的綜合管理指揮下，為我國(guó)的交通安全提供了一定幫助，但是并不能從根本上改善汽車(chē)交通安全問(wèn)題。于是在ITS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)始了對(duì)汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，對(duì)于提高汽車(chē)行使安全具有重要意義。同時(shí)整個(gè)汽車(chē)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是由相對(duì)獨(dú)立的不同模塊組成的，更便于模塊化結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)，也能夠?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行新內(nèi)容的優(yōu)化發(fā)展，利于進(jìn)行系統(tǒng)的后期維護(hù)更新。

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Automotive electronic monitoring technology based on the design of ITS

ZHANG Hai-bo
（Nanchong Professional Technic College, Nanchong 637000, China）

In order to solve the dramatic increase in the number of cars brought traffic safety issues, the establishment of intelligent transportation systems, namely ITS, to improve vehicle traffic safety is important. Meanwhile, in order to further realize the car traffic safety control management from the fundamental technology, began to study automotive electronic monitoring technology. Thesis analyzes the Intelligent Transportation Systems (ITS) function, role, and explain the definition of automotive electronic monitoring technology and key technology, and finally focuses on the design of automotive electronic monitoring technology based on ITS, mainly composed from various functional modules for analysis, a common component of the monitoring system.

ITS; cars; electronic monitoring technology; design

[TN98]

A

1674-6236(2014)14-0092-03

2014-02-14 稿件編號(hào)：201402045

張海波（1977—）,男,四川南充人，碩士，講師。研究方向:電子技術(shù)、電氣工程。