莫勝軍　陳明霞　吳世江　黎國達(dá)

摘 要 本文主要介紹一套具備預(yù)警防撞、會車輔助、行車導(dǎo)向輔助、車距保持等多功能的夜間行車的輔助系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在以智能小車作為仿真車的設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，采用STC89C52RC單片機(jī)微處理器作為中心控制器，以紅外避障傳感器、光電避障傳感器、超聲波測距避障傳感器等多種傳感器作為信號采集器，對行車環(huán)境監(jiān)測。系統(tǒng)綜合自動分析輸入信號，然后控制器對智能小車電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制。并結(jié)合激光燈具設(shè)計(jì)作為輔助信號燈，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的多項(xiàng)安全功能。該系統(tǒng)以智能小車作為仿真車的平臺研究設(shè)計(jì)，與實(shí)際工程應(yīng)用車輛存在一定的差距，但本文的設(shè)計(jì)研究可為實(shí)際的工程研究提供一個初步的設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)方案[1]。

關(guān)鍵詞 智能汽車、安全系統(tǒng)、預(yù)警防撞、夜間行車

中圖分類號 U4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0135-02

1 緒論

近年來，隨著汽車的增加，駕駛危險(xiǎn)性也隨之增高。各種安全預(yù)警系統(tǒng)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。同時，隨著科技的發(fā)展帶來了安全預(yù)警系統(tǒng)的可靠性，復(fù)雜程度和種類都在增加。目前市場上較多的安全預(yù)警系統(tǒng)有行車防碰撞系統(tǒng)、車道保持系統(tǒng)、ACC自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、防疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)、超車預(yù)警系統(tǒng)等等。種類繁多，安全性能也不錯，不過在價格上都是較為昂貴。一般都會在較為高價位的車輛上有配置。還有很多低價位車輛甚至貨車沒有安裝安全預(yù)警系統(tǒng)。在此背景下，設(shè)計(jì)一個簡易、低價位、可靠的安全預(yù)警系統(tǒng)很有必要。另一方面，針對于夜間行車的安全預(yù)警系統(tǒng)市場上也比較少，這方面是值得研究開發(fā)的。這正是本課題的目的所在[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文研究的夜間行車預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)由超聲波測距傳感器、人體紅外傳感器、光電避障傳感器、測速編碼器作為信息采集部分。采集到的信息傳送給微型控制器STC89C52單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理控制L298N驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)停車、加減速、左右轉(zhuǎn)向功能，并通過數(shù)碼管顯示距離、速度信息。

本文研究設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)主要對車輛前方環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控。根據(jù)該系統(tǒng)所需要達(dá)到的功能要求進(jìn)行對各個模塊進(jìn)行排布設(shè)計(jì)。超聲波傳感器模塊設(shè)計(jì)安裝在車輛正前方中間位置，用于對車輛正前方障礙物探測，為預(yù)警防撞和車距保持提供距離數(shù)據(jù)；小型人體感應(yīng)模塊也安裝在車輛正前方中間位置，用于判斷車輛前方的人或動物，用于觸發(fā)緊急制動；光電傳感器其具有探測角度小，線性度高的特點(diǎn)，可模擬代替激光探測傳感器，將其設(shè)計(jì)安裝在車輛前方左右兩邊各一個，用于輔助超聲波傳感器檢測車輛前方的安全區(qū)域。并作為會車輔助的探測傳感器，使用傳感器手段檢測在會車時候是否有發(fā)生側(cè)碰撞的危險(xiǎn)，彌補(bǔ)駕駛員在會車時受車燈干擾視覺不清的不足；使用一字激光燈來輔助駕駛員對車輛前方安全范圍識別，使用激光光線顯示出安全范圍邊界，為駕駛員提供可視信號，因此也設(shè)計(jì)安裝在車輛前方左右邊沿，如果是真實(shí)的車輛可以安裝在其后視鏡上，它的另一個作用還可以為對方車輛提供提示作用。激光燈為導(dǎo)向燈的設(shè)計(jì)代替模塊，它能夠讓駕駛者預(yù)判車輛行車軌跡、方向以及車輛寬度，在窄小道路或者進(jìn)入門口的時候也有輔助作用。數(shù)碼管用于顯示數(shù)值，集成在控制器的電路板上。這就是整個系統(tǒng)在仿真車上的模塊安裝設(shè)計(jì)方案。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的調(diào)試主要包括PWM調(diào)速、測速調(diào)試、閉環(huán)控制、超聲波測距等功能的調(diào)試實(shí)現(xiàn)，以及整個系統(tǒng)綜合調(diào)試。首先對各功能進(jìn)行單獨(dú)的編程調(diào)試，檢驗(yàn)編制設(shè)計(jì)的可行性。當(dāng)各個功能單獨(dú)調(diào)試成功，再把各個功能設(shè)計(jì)成子程序的形式進(jìn)行調(diào)試整合。

考慮到單片機(jī)內(nèi)部定時器資源有限，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了雙系統(tǒng)獨(dú)立工作相互配合的形式組合。為了更方便程序設(shè)計(jì)與調(diào)試。設(shè)計(jì)使用系統(tǒng)1進(jìn)行信號采集，包括對超聲波測距、人體紅外避障和光電傳感器避障檢測采集。在后期如需添加其他傳感器，也可以在該系統(tǒng)中整合。系統(tǒng)1采集信號，計(jì)算判斷，然后給系統(tǒng)2輸送加減速、起停、左右轉(zhuǎn)彎指令。系統(tǒng)2接收系統(tǒng)1指令，進(jìn)行控制PWM輸出，并對電機(jī)轉(zhuǎn)速采集反饋。兩系統(tǒng)分工合作，在系統(tǒng)1調(diào)整時候，不會影響系統(tǒng)2的工作，有利于程序的調(diào)整。

4 閉環(huán)調(diào)速

由直流動電機(jī)的工作特性方程是，轉(zhuǎn)矩特性方程是，可知電動機(jī)除了由電壓影響，還受到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，還有小車左右電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在差異，單純由PWM開環(huán)控制無法使左右電機(jī)速度相等，因此需要加入閉環(huán)調(diào)速控制，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。閉環(huán)的控制框圖如圖1所示，給定速度值，經(jīng)過一定的算法控制PWM的占空比輸出，然后通過編碼器測量電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制。

常用的控制算法有位式控制法、位置式PID算法、增量式PID算法。位式法控制簡單，但精度低，僅通過判斷輸出是否達(dá)標(biāo)而控制是否給定輸出。位置式PID算法兼顧了歷史偏差的積累、當(dāng)前偏差和最近兩次偏差的差值的情況進(jìn)行對輸出給定控制。位置式PID算法的公式為：。當(dāng)前偏差可反映系統(tǒng)當(dāng)前情況是否達(dá)標(biāo)；最近兩次偏差的差值可反映系統(tǒng)的趨向，如果差值為正說明輸出在偏離穩(wěn)定值，如果差值為負(fù)說明輸出趨向穩(wěn)定值。歷史偏差的累加表達(dá)的是一個積分效果，可決定系統(tǒng)穩(wěn)定時為無差控制系統(tǒng)。位置式PID適用于給定值較為固定的系統(tǒng)，對于小車轉(zhuǎn)速給定值經(jīng)常變化的情況不適用。精準(zhǔn)的小車轉(zhuǎn)速控制常用增量式PID算法。增量式PID算法針對于給定值多變的情況，控制器輸出的是控制量的增量。經(jīng)整理可得到公式：[3]。

5 結(jié)論

近年來，智能汽車的研究一直是國內(nèi)外的一個研究熱門領(lǐng)域，汽車的發(fā)展和科技的發(fā)展，人們對于追求智能、安全的汽車需求強(qiáng)烈，所以智能汽車安全系統(tǒng)在目前具有廣闊的應(yīng)用市場與研究價值[4]。

安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究對于大學(xué)生來說也是一項(xiàng)極為具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)課題。因?yàn)橹悄苄≤嚢踩到y(tǒng)的設(shè)計(jì)研究包含了多個領(lǐng)域的理論知識與應(yīng)用。本課題研究的夜間行車預(yù)警系統(tǒng)包含了單片機(jī)應(yīng)用、傳感器技術(shù)與應(yīng)用、控制工程的應(yīng)用以及電機(jī)等多方面知識應(yīng)用。

文章介紹了夜間行車預(yù)警系統(tǒng)的研究背景與價值，并分析了設(shè)計(jì)方案原理，之后分別介紹了系統(tǒng)的硬件模塊的應(yīng)用原理與功能實(shí)現(xiàn)的程序調(diào)試。在做出系統(tǒng)的仿真車后進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，最終得到一個比較滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果。從目前的實(shí)驗(yàn)情況，本設(shè)計(jì)中的夜間行車預(yù)警系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的各項(xiàng)目標(biāo)與要求。

參考文獻(xiàn)

[1]董濤，劉進(jìn)英，蔣蘇.基于單片機(jī)的智能小車的設(shè)計(jì)與制作[J].連云港工貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，2009（2）：18.

[2]孫樂春.汽車安全系統(tǒng)現(xiàn)狀研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（19）：50.

[3]董宗祥，石紅瑞，楊杰.嵌入式智能小車測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2010.

[4]宋曉琳，李詩福，馮廣剛.汽車主被動安全集成控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].長沙：湖南大學(xué)，2009.