宋傳旺 孫凡晴 韓悅 李恩玉 吳則舉 謝帥虎

摘 要： 目前減小后視鏡視野盲區(qū)是提高駕駛員行車安全的重要措施。利用無線通信技術設計了汽車后視鏡控制系統(tǒng)，發(fā)射端采用方向盤轉角傳感器采集方向盤的轉角數(shù)據(jù)，用NRF24L01模塊實時發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端采用NRF24L01模塊對數(shù)據(jù)進行無線接收，利用STM32進行數(shù)據(jù)處理后，控制后視鏡控制端的電機轉動，使后視鏡自適應地調整到最佳位置。經(jīng)過測試分析后得出，采用無線通信技術的方式實現(xiàn)了汽車后視鏡的自適應調整，減小了駕駛員行車過程中后視鏡視野盲區(qū)。

關鍵詞： 后視鏡控制系統(tǒng)； 無線通信技術； 方向盤轉角傳感器； 數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)處理； STM32

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）07?0004?04

Automobile rearview mirror control system based on wireless communication

SONG Chuanwang1， SUN Fanqing1， HAN Yue2， LI Enyu1， WU Zeju1， XIE Shuaihu1

（1. School of Communication & Electronic Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， China；

2. College of Automobile and Transportation， Qingdao University of Technology， Qingdao 266033， China）

Abstract： The reduction of rearview mirror′s blind area is an important measure to improve the traffic safety of driver. Therefore， an automobile rearview mirror control system was designed by means of wireless communication technology. The steering wheel angle sensor is used in the transmitting terminal to acquire the steering wheel angle data. The NRF24L01 module is used to transmit the data in real time. The NRF24L01 module is adopted in the receiving terminal to perform the wireless receiving for the data. The STM32 is employed to process the wheel angle data to control the motor of the rearview mirror′s control terminal， and adjust the rearview mirror to the best position. The test analysis results show that the method based on wireless communication technology can realize the adaptive adjustment of the automobile rearview mirror， and reduce the blind area of the rearview mirror in the driving process of driver.

Keywords： rearview mirror control system； wireless communication technology； steering wheel angle sensor； data acquisition； data processing； STM32

0 引 言

近年來，因為后視鏡視野出現(xiàn)盲區(qū)所引起的交通事故屢見不鮮，中國所占的比例約為30%、美國占的比例約為20%。駕駛員在行車過程中轉彎或者變換車道時由于后視鏡視野范圍有限，會出現(xiàn)一定的盲區(qū)，因此常常會發(fā)生交通事故。為減小事故的發(fā)生率，急需研究一種新的技術應用在汽車電子行業(yè)，提高行車的安全性[1?2]。

傳統(tǒng)的汽車后視鏡采用手動來操作，駕駛員可以根據(jù)個人需要手動調整后視鏡來獲得自己所需要的后視鏡視野，對于行駛過程中的車輛來說極為不便。另外一種是駕駛員可在駕駛室內(nèi)通過后視鏡調節(jié)開關來調節(jié)后視鏡，但需要駕駛員根據(jù)行車狀態(tài)進行不斷操作[3?4]。近年來，隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，人們對于汽車舒適感的需求也逐步增加[5]。文獻[6]用有線通信技術的方式實現(xiàn)對電動后視鏡的控制。文獻[7]考慮到每個駕駛員的身高和駕駛習慣的不同，首先對座椅位置和后視鏡位置進行調節(jié)，然后用有線通信技術方式來記憶駕駛員調整好的座椅和后視鏡位置。從上述文獻中可以看出，采用有線通信方式時，需要增加大量的線路或傳感器處理電路，而采用傳統(tǒng)有線方式不僅復雜、成本高，且不利于后期的功能擴展。

文獻[8]嘗試用無線通信方式實現(xiàn)行車記錄數(shù)據(jù)的顯示，為汽車駕駛員提供參考；文獻[9]用位置傳感器實現(xiàn)了倒車結束后后視鏡位置的自動回復。

本文采用NRF24L01無線模塊實現(xiàn)方向盤轉角數(shù)據(jù)實時傳輸，進而對汽車后視鏡進行控制，自適應地調整后視鏡達到最佳位置，減小了駕駛員行車過程中后視鏡視野盲區(qū)，提高了行車的安全性。

1 系統(tǒng)的總體設計方案

駕駛員在行車過程中變換車道時，如圖1所示，左右后視鏡都出現(xiàn)了視野盲區(qū)，另外一車道的車輛在盲區(qū)范圍內(nèi)，此時兩輛車很有可能發(fā)生碰撞等交通事故。本文系統(tǒng)設計是通過檢測方向盤的轉動角度，自適應地調節(jié)后視鏡的視野范圍，即[α]的大小，目的是減小后視鏡視野盲區(qū)，提高行車的安全性。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，系統(tǒng)的整體結構框圖如圖2所示。采用STM32F103作為主控芯片，方向盤轉角傳感器和NRF24L01發(fā)射模塊均與發(fā)射端的STM32相連。方向盤轉角傳感器對方向盤的轉角數(shù)據(jù)進行實時采集，通過NRF24L01發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)實時發(fā)送。NRF24L01接收模塊和電機驅動模塊分別與接收端的STM32相連，STM32將接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理后對電機驅動模塊輸入端進行高低電平的控制，實現(xiàn)對后視鏡控制端電機的正反轉控制，進而實現(xiàn)后視鏡的角度調節(jié)。

2.1 發(fā)射端設計

本系統(tǒng)的發(fā)射端由方向盤轉角傳感器、CAN通信模塊、STM32以及NRF24L01發(fā)射模塊組成。

方向盤轉角采集是用經(jīng)緯恒潤科技公司生產(chǎn)的型號為C68049XF25849366ANA761008A的傳感器，其內(nèi)部電路有CAN通信電路、電源穩(wěn)壓電路、光電傳感器編碼陣列和角度測量芯片等。該傳感器的機械構造與汽車方向盤轉向柱相匹配，可以固定在轉向柱上[10]。駕駛員通過操作方向盤，使得傳感器的主齒輪發(fā)生轉動，其內(nèi)部小齒輪也隨之轉動，轉動圈數(shù)同方向盤轉動圈數(shù)保持一致。另外，小齒輪上的小磁鐵隨著齒輪發(fā)生轉動，周圍的磁場發(fā)生變化，通過傳感器內(nèi)部角度測量芯片的檢測輸出一個模擬電壓信號，此電壓信號與小磁鐵的轉動角度成線性關系。經(jīng)過該傳感器內(nèi)部的A/D模塊將模擬電壓信號轉換成數(shù)字信號后，由內(nèi)部DSP芯片進行數(shù)據(jù)處理，輸出方向盤轉角傳感器內(nèi)部齒輪的轉角值，從而得到方向盤的轉動角度。發(fā)射端的STM32以CAN通信方式接收方向盤轉角傳感器采集到的轉角值。采用的無線傳輸模塊即NRF24L01發(fā)射模塊內(nèi)置2.4 GHz天線，最高工作速率達到2 Mb/s，具有抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點。

2.2 接收端設計

接收端采用NRF24L01接收模塊接收數(shù)據(jù)，以SPI通信的方式將數(shù)據(jù)傳遞給STM32。接收端的STM32負責分析和處理數(shù)據(jù)。因為電機的負載較大，而單片機的輸出電壓和電流都比較小，不足以直接驅動電機，故采用電機驅動模塊對后視鏡控制端的電機進行控制。本設計采用L298N邏輯電路驅動后視鏡端電機的轉動[11]，電機驅動模塊的電路圖如圖3所示。

每個后視鏡控制端裝有2個小電機控制后視鏡的角度，通過改變輸入IN1和IN2的高低電平控制電機B的正轉、反轉和停止，改變輸入IN3和IN4的高低電平控制電機A的正轉、反轉和停止，A、B電機協(xié)調控制后視鏡角度的調整。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 發(fā)射端設計

發(fā)射端的軟件流程如圖4所示，主要包括各模塊的初始化和方向盤轉角數(shù)據(jù)的實時發(fā)送。初始化程序主要完成對NRF24L01發(fā)射模塊的發(fā)送模式設置，數(shù)據(jù)的實時發(fā)送是將STM32接收到的轉角數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給接收端。

3.2 接收端設計

接收端的軟件流程如圖5所示，主要包括NRF24L01接收模塊的初始化設置以及數(shù)據(jù)的分析和處理。首先判斷NRF24L01接收模塊是否接收到轉角數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析后判斷方向盤是左轉還是右轉，如果采集到的轉角值大于45°，且轉角值發(fā)生變化，則實時控制電機轉動，實現(xiàn)自適應的改變視野范圍，否則繼續(xù)接收方向盤轉角數(shù)據(jù)進行分析。

首先是模塊的初始化，包括TIMER，SPI，NRF24L01，串口等模塊。將NRF24L01模塊設置成接收模式，通過無線的方式接收發(fā)射端的轉角數(shù)據(jù)。對接收端是否接收到數(shù)據(jù)進行判斷，如果接收到轉角數(shù)據(jù)則進一步判斷方向盤轉動的方向，分為左轉和右轉兩種情況。

在檢測到方向盤轉動的情況下，如果轉角值不超過45°，考慮到駕駛員的視野變化范圍相對較小，保持電機狀態(tài)即后視鏡端狀態(tài)不變；如果轉角值超過45°，并且短時間內(nèi)不斷發(fā)生變化，表明駕駛員正在變換車道或轉彎，對方向盤進行不斷調整，控制電機轉動；若是短時間內(nèi)轉角值在超過45°的情況下不發(fā)生變化，表明駕駛員正在等待變換車道或轉彎，同樣需要將后視鏡視野調整至最佳，故保持當前電機狀態(tài)不變，以減小視野盲區(qū)。電機的轉動隨著方向盤轉角的變化而改變，實現(xiàn)后視鏡的自適應調整。

4 系統(tǒng)測試與分析

本系統(tǒng)轉角數(shù)據(jù)的接收測試通過上位機軟件進行顯示，結果如圖6所示。方向盤分別左轉和右轉一定的角度，方向盤轉角傳感器將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸，無線接收端接收到的數(shù)據(jù)信息通過串口在PC機上顯示。結果表明本系統(tǒng)實現(xiàn)了轉角數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收。

接收端收到方向盤轉角數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行實時處理，利用電機驅動模塊對后視鏡控制端進行電機的調整。后視鏡控制端實物圖如圖7所示，通過控制2個電機的轉動，對后視鏡進行上下、左右調節(jié)，實現(xiàn)后視鏡視野的調整。

經(jīng)實驗測得：后視鏡控制端中的電機在正常工作區(qū)域內(nèi)轉動時間是6 s。后視鏡控制端的參數(shù)如表1所示，控制端工作角度大于或等于26°，本系統(tǒng)中取26°進行研究，設定車輛方向盤轉角[β]的轉動范圍為：[-450°≤β≤450°，]通過角度與時間的對應關系可得，方向盤轉角大于45°情況下，方向盤轉角每轉動10°，后視鏡變化角度為0.64°，即對電機的控制時間約為74 ms。

方向盤轉角值的絕對值與后視鏡變化角度關系為：

式中：[β]為方向盤轉角值；[γ]為后視鏡變化角度。

實驗測得的方向盤轉角值和對應的后視鏡變化角度數(shù)據(jù)如表2所示，所得后視鏡的變化角度的平均誤差約為0.07°，實現(xiàn)了后視鏡的自適應調整。

5 結 語

本文設計的基于無線通信的汽車后視鏡控制系統(tǒng)實現(xiàn)了汽車方向盤轉角數(shù)據(jù)的采集和實時無線傳輸，通過無線接收后對汽車后視鏡的自適應調整來獲得行車過程中轉彎或者變換車道時的最佳視野。本系統(tǒng)減小了駕駛員在行車過程中變換車道或者轉彎情況下后視鏡的視野盲區(qū)，提高了行車的安全性。

參考文獻

[1] 王昊.汽車視野安全的研究與進展[J].江蘇理工大學學報（自然科學版），2001，23（2）：46?50.

WANG Hao. Research and development of automobile visual field safety [J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology （natural science）， 2001， 23（2）： 46?50.

[2] 吳佳林，孔軍.汽車后視鏡盲區(qū)及預測方法[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2010，32（6）：958?961.

WU Jialin， KONG Jun. Blind area and prediction method of auto rearview mirror [J]. Journal of Wuhan University of Technology （information & management engineering）， 2010， 32（6）： 958?961.

[3] 王琛瑋，楊林，程雨恒，等.基于航向角的汽車后視鏡轉動規(guī)律研究[J].中國高新技術企業(yè)，2016（29）：23?26.

WANG Chenwei， YANG Lin， CHENG Yuheng， et al. Study on rotation law of auto rearview mirror based on heading angle [J]. China high technology enterprises， 2016（29）： 23?26.

[4] 趙治國，鐘一鳴，趙楚豪，等.乘用車隨動后視鏡視野范圍測量及轉角分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2014，42（9）：1408?1414.

ZHAO Zhiguo， ZHONG Yiming， ZHAO Chuhao， et al. Visual field measurement and rotation?angle analysis of follow?up rota?ting rear?view mirrors for passenger cars [J]. Journal of Tongji University （natural science）， 2014， 42（9）： 1408?1414.

[5] 童有好.中國汽車電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].中國經(jīng)貿(mào)導刊，2007（11）：27?29.

TONG Youhao. The current situation and trend of the development of China′s auto electronics industry [J]. China economic trade herald， 2007（11）： 27?29.

[6] 黃科，陳賢，李海濤.一種汽車后視鏡自動翻轉控制系統(tǒng)的改進設計[J].科技創(chuàng)新導報，2010（16）：33?35.

HUANG Ke， CHEN Xian， LI Haitao. An improved design of auto rearview mirror flipping control system for automobile [J]. Science and technology innovation herald， 2010（16）： 33?35.

[7] 鄭芳芳，李娟，劉成厚，等.一種基于CAN總線的汽車后視鏡控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014，52（2）：44?47.

ZHENG Fangfang， LI Juan， LIU Chenghou， et al. Automobile′s rearview mirror control system based on CAN bus [J]. Agricultural equipment & vehicle engineering， 2014， 52（2）： 44?47.

[8] 廖海鴻，吳明，趙惠，等.汽車后視鏡和行車記錄系統(tǒng)：CN202186333U[P].2012?04?11.

LIAO Haihong， WU Ming， ZHAO Hui， et al. Auto rearview mirror and vehicle record system： CN202186333U [P]. 2012?04?11.

[9] 張澤修.一種汽車后視鏡控制裝置：CN203753009U[P].2014?08?06.

ZHANG Zexiu. A car rearview mirror control device： CN203753009U [P]. 2014?08?06.

[10] 陳富安，李江江.邁銳寶等汽車用方向盤轉角傳感器工作原理研究[J].汽車實用技術，2015（4）：4?6.

CHEN Fuan， LI Jiangjiang. Study on the working principle of the Malibu car and so on with a steering wheel angle sensor [J]. Automobile applied technology， 2015（4）： 4?6.

[11] 何雍奧，張衛(wèi)波.新款汽車后視鏡自動調節(jié)裝置的研發(fā)[J].海峽科學，2010（12）：41?43.

HE Yongao， ZHANG Weibo. Research and development of a new auto rearview mirror adjusting device [J]. Straits science， 2010（12）： 41?43.