車輛倒車制動(dòng)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

郭威 喬雨恒

摘要：通過(guò)對(duì)目前車輛倒車制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，介紹了車輛在倒車狀態(tài)下的安全隱患、影響制動(dòng)效果的因素以及制動(dòng)系統(tǒng)控制方面的不足之處。針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，設(shè)計(jì)與開發(fā)車輛倒車制動(dòng)輔助系統(tǒng)。通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)接收GPS車速信號(hào)和倒車?yán)走_(dá)距離信號(hào)，判斷車輛倒車的安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油門踏板及手剎電機(jī)的控制，增強(qiáng)車輛倒車的安全性。避免倒車時(shí)因駕駛員誤踩油門或延遲制動(dòng)造成的車輛事故。對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng);單片機(jī);油門踏板;手剎電機(jī);安全性

中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018）02-0056-06

隨著汽車保有量的迅速增加以及車速的不斷提高，汽車的安全性得到了人們的廣泛關(guān)注，特別是主動(dòng)安全性已經(jīng)成為科研人員研究的重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年至2014年，車輛事故死亡人數(shù)由29618人上升至34292人，增長(zhǎng)率為15.8%;私家車保有量由5814萬(wàn)量上升至10559萬(wàn)輛，增長(zhǎng)率為81.6%;駕齡一年內(nèi)人員由2614萬(wàn)人上升至2967萬(wàn)人，增長(zhǎng)率為13.5%。人們平時(shí)使用汽車時(shí)經(jīng)常會(huì)使用制動(dòng)系統(tǒng)，而手剎卻經(jīng)常被人們所忽視，因手剎發(fā)生故障或使用不當(dāng)而引起的事故也是屢見(jiàn)不鮮。在車輛事故中，倒車事故占了很大的比例：2011年《揚(yáng)子晚報(bào)》報(bào)道稱，2011年1月至8月，該市僅交警六大隊(duì)轄區(qū)內(nèi)所發(fā)生的41起交通事故中，倒車引發(fā)的比例占五成。2015年南京交管部門針對(duì)4月1日至19日發(fā)生的交通事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，20天內(nèi)發(fā)生564起因倒車引發(fā)的事故，平均每天有近30起。

在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到利用先進(jìn)技術(shù)，輔助汽車駕駛者對(duì)影響公路交通安全的人、車、路等環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，在危急情況下由系統(tǒng)主動(dòng)干預(yù)駕駛操縱、輔助駕駛者進(jìn)行應(yīng)急處理、防止汽車碰撞事故發(fā)生的重要性。由此可見(jiàn)，車輛安全系統(tǒng)將朝著智能化、主動(dòng)型的技術(shù)方向發(fā)展。

本文著重從倒車狀態(tài)下影響汽車制動(dòng)的因素進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)與開發(fā)車輛倒車制動(dòng)輔助系統(tǒng)。通過(guò)STC單片機(jī)接收GPS車速信號(hào)和倒車?yán)走_(dá)距離信號(hào)，判斷車輛倒車的安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油門踏板及手剎電機(jī)的控制，增強(qiáng)車輛倒車的安全性。避免倒車時(shí)因駕駛員誤踩油門或延遲制動(dòng)造成的車輛事故。對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

1 倒車狀態(tài)下車輛安全性分析

目前大多數(shù)車輛都安裝有倒車?yán)走_(dá)或倒車影像，但是從上述統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)看，車輛倒車時(shí)仍存在較高的事故風(fēng)險(xiǎn)。本文以帶有電子手剎的乘用車型為研究對(duì)象，對(duì)車輛倒車狀態(tài)下車輛的安全性進(jìn)行分析。

1.1電子手剎的原理

目前，電子手剎的形式分為三種：電子機(jī)械式手剎、電子控制拉鎖式手剎、整體卡鉗式手剎。隨著乘用車安全性能的不斷提升，鼓式制動(dòng)器使用逐漸減少，電子機(jī)械式手剎也逐漸被淘汰。電子控制拉鎖式手剎很容易在原有機(jī)械式手剎上改動(dòng)，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，手剎拉線會(huì)逐漸失去彈性，失去作用。因此，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選取整體式手剎車輛。

整體卡鉗式電子手剎通常有機(jī)電式制動(dòng)控制單元、倒車燈開關(guān)、傾角傳感器、離合器踏板位置傳感器、制動(dòng)執(zhí)行電機(jī)和指示燈等組成，霍爾式離合器位置傳感器用來(lái)檢測(cè)離合器踏板位置信號(hào)，產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)傳送至駐車制動(dòng)控制單元，使車輛在行駛過(guò)程中，電子手剎功能安全起動(dòng)。汽車兩后輪各有一個(gè)制動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，其作用是通過(guò)裝置與剎車殼體上的電機(jī)來(lái)壓緊剎車蹄片，實(shí)現(xiàn)兩后輪的駐車制動(dòng)。制動(dòng)執(zhí)行電機(jī)總體主要由直流電機(jī)、制動(dòng)活塞、齒型帶、斜盤和驅(qū)動(dòng)心軸等組成，如圖1、圖2所示。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間以橡膠軸承連接，同時(shí)齒型帶為斜齒帶，降低運(yùn)行噪音。

進(jìn)行駐車制動(dòng)時(shí)，駕駛員操作電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)按鈕后，電控單元將控制集成在左右制動(dòng)卡鉗中的電機(jī)啟動(dòng)，并帶動(dòng)制動(dòng)卡鉗活塞移動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械夾緊力從而完成制動(dòng)。執(zhí)行電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為12V。

1.2影響車輛安全倒車的因素

影響車輛安全倒車的因素有很多，包括：駕駛員視野，倒車速度，制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離，駕駛員的反應(yīng)時(shí)間等。目前市面上大部分的車輛都裝有倒車?yán)走_(dá)或者銷售后改裝有倒車?yán)走_(dá)，能夠幫助駕駛員判斷和提示安全的倒車距離。但倒車時(shí)事故仍然頻發(fā)，主要在于駕駛員的倒車速度過(guò)快或誤踩油門、倒車距離報(bào)警后未及時(shí)制動(dòng)，導(dǎo)致車輛直接撞向后方行人、車輛或其他障礙物。

以普通車輛為例，大多數(shù)倒車?yán)走_(dá)設(shè)定的安全距離為1.5 m，設(shè)車輛的倒車速度為V，車輪與地面的摩擦系數(shù)為μ，摩擦力為f，剎車后的末速度為V₀，制動(dòng)時(shí)間為t，制動(dòng)距離為S。電子手剎起作用時(shí)，電機(jī)輸出的扭矩恒定，設(shè)車輛的減速度為a，可得：

剎車后的末速度V0為0（車輛靜止?fàn)顟B(tài)）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，反應(yīng)良好的駕駛員一般的反應(yīng)時(shí)間在0.4-0.6 s之間，駕駛員受到驚嚇時(shí)反應(yīng)大多數(shù)大于1s，一般在1.5 s以內(nèi)，這時(shí)極易發(fā)生誤踩油門的現(xiàn)象。

以兩種情況為例，第一種情況為延遲制動(dòng)，第二種情況為誤踩油門。

第一種情況下，設(shè)車輛倒車速度為V（正常情況下倒車速度低于6 km/h，使用手剎可以制動(dòng)），正常駕駛員制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為T1，制動(dòng)時(shí)間為t₁，制動(dòng)距離為S₀，制動(dòng)減速度為a₀;駕駛員延遲的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間為T₂，制動(dòng)時(shí)間為t₂，制動(dòng)距離為S₂，制動(dòng)減速度為a₂。安全距離為S=1.5 m，即車輛后方距障礙物1.5 m時(shí)報(bào)警。制動(dòng)后距障礙物的距離為S。?？傻茫?/p>

△T=T₂-T₁

（4）

S₁=Vt₁+1/2a₁t₁²

（5）

S₂=Vt₂+1/2 a₂t₂²

（6）

S=S₁+S₀₁

（7）

S=△S+S₂+S₀₂

（8）

將△T帶入公式，可得：

△S=V×△T

（9）

由于采用電子手剎，電機(jī)輸出扭矩在上述兩種情況下相同，且制動(dòng)時(shí)速度不變，所以制動(dòng)減速度距離不變，制動(dòng)時(shí)間不變，制動(dòng)距離也不變。所以S₁和S₂相等。假設(shè)車輛倒車至安全距離臨界點(diǎn)開始報(bào)警，司機(jī)反應(yīng)迅速采取電子手剎制動(dòng)，車輛完全停下時(shí)，車輛與障礙物距離S₀₁處于臨界狀態(tài)，即剛好沒(méi)撞到。則司機(jī)延遲操作后，車輛在超出安全距離△S后開始制動(dòng)，則車輛未制動(dòng)至停止?fàn)顟B(tài)就已經(jīng)和障礙物發(fā)生相撞。

第二種情況下，設(shè)車輛正常倒車速度為V（車速低于6 km/h，電子手剎起作用），安全距離為S，踩油門狀態(tài)下車速為V₁，加速度為a₁，加速時(shí)間為t₁，加速行駛距離為S₁，加速行駛t₁時(shí)間后，車輛與障礙物距離為S₀。可得：

S₁=Vt₁+1/2 a₁t₁²

（10）

S₀=S-S₁

（11）

如果踩下油門時(shí)，車速V₁一旦超過(guò)6km/h，電子手剎失效，駕駛員反應(yīng)過(guò)來(lái)時(shí)，再采用制動(dòng)踏板制動(dòng)，此時(shí)時(shí)間至少在2s以上，而安全距離僅有1.5 m，加速至6 km/h時(shí)僅需1s就可行使1.67 m，此時(shí)已發(fā)生相撞。顯然誤踩油門時(shí)，極易發(fā)生車輛事故。

2 倒車制動(dòng)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了避免上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種倒車制動(dòng)輔助系統(tǒng)?？紤]到市面上大部分車輛的通用性，該系統(tǒng)采用單片機(jī)監(jiān)控與調(diào)節(jié)，采用車輛倒車?yán)走_(dá)和GPS模塊監(jiān)測(cè)車輛倒車時(shí)的狀態(tài)，車輛倒車時(shí)通過(guò)判斷安全距離來(lái)控制電子油門踏板以及電子手剎執(zhí)行電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速、有效的制動(dòng)。

2.1系統(tǒng)方案和主要電路

系統(tǒng)硬件主要由STC12C5A60S2單片機(jī)（雙串口數(shù)據(jù)傳輸板）、超聲波雷達(dá)監(jiān)測(cè)電路、GPS感應(yīng)電路、常開繼電器、常閉繼電器、電子油門踏板、電子手剎執(zhí)行電機(jī)組成。STC12C5A60S2單片機(jī)是具有8051內(nèi)核的增強(qiáng)性單片機(jī)，無(wú)需外擴(kuò)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器和程序儲(chǔ)存器就能很好的運(yùn)行較為復(fù)雜的系統(tǒng)程序。單片機(jī)內(nèi)置60KB的Flash程序儲(chǔ)存器、集成1280B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。STC12C5A60S2單片機(jī)為整套系統(tǒng)的控制核心。超聲波雷達(dá)監(jiān)測(cè)電路通過(guò)安裝在車輛尾部的探頭，將測(cè)量信號(hào)反饋至單片機(jī)并解析成距離數(shù)值。GPS感應(yīng)電路將車輛倒車時(shí)的車速信號(hào)傳遞至單片機(jī)，與倒車?yán)走_(dá)的監(jiān)測(cè)距離一起作為判定條件。當(dāng)需要進(jìn)行制動(dòng)輔助時(shí)，單片機(jī)通過(guò)常閉繼電器斷開電子油門控制，通過(guò)常開繼電器控制電子手剎執(zhí)行電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

硬件框圖如圖4所示：

2.2超聲波倒車?yán)走_(dá)電路

超聲波倒車?yán)走_(dá)電路是利用超聲波脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射超聲波與接收反射波的時(shí)間差，結(jié)合修正后的波速計(jì)算出車輛與障礙物的距離。超聲波倒車?yán)走_(dá)電路選取市面上常用的倒車?yán)走_(dá)主機(jī)，數(shù)據(jù)輸出方式為TTL串口通訊方式。與單片機(jī)連接時(shí)，將倒車?yán)走_(dá)電路的UART_TX數(shù)據(jù)線連接單片機(jī)RXDO（P3.0）針腳，另引出一根GND線，使倒車?yán)走_(dá)電路接地。超聲波倒車?yán)走_(dá)電路與單片機(jī)連接方式如圖5所示。

2.3 GPS車速電路

GPS車速電路選用U-BLOX NEO-6M模塊，體積小巧，增加放大電路，有利于快速與衛(wèi)星通訊。該模塊通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，兼容3.3V及SV電平。GPS車速電路與單片機(jī)連接方式如圖6所示。GPS模塊監(jiān)測(cè)車速范圍：0-1851.8 km/h。與單片機(jī)連接時(shí)，GPS模塊的RXD連接單片機(jī)的TXD1（P1.3）針腳，TXD連接單片機(jī)的RXD1（P1.2）針腳。

2.4常開/常閉繼電器

硬件系統(tǒng)中通過(guò)單片機(jī)控制常開繼電器，調(diào)整電子手剎執(zhí)行電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)駐車功能;通過(guò)單片機(jī)控制常閉繼電器，調(diào)整電子油門踏板的響應(yīng)狀態(tài)，防止倒車時(shí)車速過(guò)快。工作原理如圖7所示。

2.5系統(tǒng)軟件與控制流程

系統(tǒng)軟件主要是通過(guò)編譯器進(jìn)行編輯，使用Proteus軟件進(jìn)行硬件模擬，模擬完畢后，將單片機(jī)用串口通訊的方式與電腦連接，使用串口助手發(fā)送觸發(fā)代碼，查看系統(tǒng)是否按照相應(yīng)的邏輯進(jìn)行動(dòng)作執(zhí)行。調(diào)試完成后，將寫好的代碼轉(zhuǎn)換格式，用燒錄器燒寫到單片機(jī)中。系統(tǒng)程序控制流程如圖9所示。

2.6主要應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序主要分為三個(gè)部分：第一部分，將16進(jìn)制的數(shù)值（例如0x66）轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制（102）。由于倒車?yán)走_(dá)發(fā)送的報(bào)文為16進(jìn)制，需要將報(bào)文中的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。第二部分，串口0和串口1中斷函數(shù)。用于接收從倒車?yán)走_(dá)以及GPS模塊發(fā)送的距離和車速數(shù)據(jù)。第三部分，主函數(shù)，用于讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)條件判斷控制繼電器的開閉，達(dá)到控制手剎電機(jī)和電子油門踏板的目的。STC12C5A60S2單片機(jī)的電路圖如圖10所示。

程序部分代碼如下：

Char_Table;數(shù)碼管段碼

Rece_datas;定義要接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

Sun，temp_u2，tim;傳遞變量數(shù)據(jù)

Data_count_fg;接收數(shù)據(jù)量變量定義

TMOD=0X01;工作在十六位計(jì)算器模式

TH0=（66535-tim）/256;設(shè)定定時(shí)器高位初始值

TL0=（66535-tim）%256;設(shè)定定時(shí)器低位初始值

Void chuli（）;雷達(dá)與GPS接收數(shù)據(jù)處理

Void alarm（）;繼電器動(dòng)作

3測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，將單片機(jī)與倒車?yán)走_(dá)模塊、GPS模塊、繼電器連接。單片機(jī)同時(shí)連接筆記本，使用串口助手接收倒車?yán)走_(dá)和GPS發(fā)送的報(bào)文。將倒車?yán)走_(dá)探頭擺放至離桌面或障礙物小于安全距離1.5m時(shí)，單片機(jī)將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至常開繼電器，繼電器吸合，電子手剎執(zhí)行電機(jī)通電后運(yùn)行。使用串口助手模擬探頭與障礙物距離小于安全距離時(shí)，控制繼電器的效果相同。模擬駕駛員誤操作或直接踩下油門踏板，GPS車速大于6km/h時(shí)，單片機(jī)將觸發(fā)信號(hào)發(fā)送至常閉繼電器，繼電器斷開，電子油門踏板斷電，車速下降至低速狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合倒車?yán)走_(dá)，保證車輛處于安全倒車狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)倒車狀態(tài)下影響汽車制動(dòng)的因素進(jìn)行分析，介紹了車輛倒車制動(dòng)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)接收GPS車速信號(hào)和倒車?yán)走_(dá)距離信號(hào)，判斷車輛倒車的安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油門踏板及手剎電機(jī)的控制，增強(qiáng)車輛倒車的安全性。避免倒車時(shí)因駕駛員誤踩油門或延遲制動(dòng)造成的車輛事故。對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化和智能化開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。