周 萌

（鐵嶺師范高等?？茖W(xué)校，遼寧 鐵嶺 112008）

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平大幅度提高，汽車(chē)已走進(jìn)千家萬(wàn)戶。汽車(chē)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈設(shè)計(jì)涉及車(chē)輛的有序通過(guò)和行人的安全[1]。但部分駕駛員由于熟練度、緊張等問(wèn)題，在轉(zhuǎn)向時(shí)沒(méi)能及時(shí)提供轉(zhuǎn)向信號(hào)，給交通帶來(lái)安全隱患。為解決以上問(wèn)題，本文對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，取消轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)，取而代之的是纏繞在方向盤(pán)兩側(cè)的柔性壓阻式傳感器，駕駛員不再需要抬手撥動(dòng)轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)，只需單手在方向盤(pán)轉(zhuǎn)向側(cè)稍加用力緊握即可接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向電路，進(jìn)一步降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向燈的控制更加便捷。當(dāng)駕駛員忘記對(duì)轉(zhuǎn)向燈進(jìn)行操控時(shí)，該系統(tǒng)可利用方向盤(pán)上轉(zhuǎn)角傳感器自動(dòng)識(shí)別出駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并根據(jù)輸出信號(hào)自動(dòng)接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向電路，為其他車(chē)輛提供警示信號(hào)，保證車(chē)輛行駛安全。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的握力傳感器采用柔性壓阻式傳感器，該傳感器具有體積小、成本低、工作穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[2-3]，符合本設(shè)計(jì)設(shè)想要求。系統(tǒng)將柔性壓阻式傳感器均勻纏繞在方向盤(pán)的兩側(cè)。柔性壓阻傳感器利用串行方式將信號(hào)傳至控制單元，當(dāng)控制單元接收到左側(cè)壓阻傳感器信號(hào)時(shí)，控制汽車(chē)左轉(zhuǎn)向控制電路接通，使左側(cè)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈閃爍，當(dāng)其接收到右側(cè)壓阻傳感器信號(hào)時(shí)，同理控制右側(cè)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈閃爍。

當(dāng)駕駛員因各種原因忘記對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈進(jìn)行控制時(shí)，控制單元可根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度辨識(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。駕駛員在對(duì)汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，一般有以下三種情況：第一，駕駛員控制汽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，此種情況下，駕駛員需要對(duì)方向盤(pán)進(jìn)行大幅度操作，其轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大。第二，駕駛員控制汽車(chē)進(jìn)行變線操作，此種情況下，方向盤(pán)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)幅度較小，但變線過(guò)程中方向盤(pán)轉(zhuǎn)角會(huì)保持一段時(shí)間，以保證汽車(chē)完成邊線操作。第三，汽車(chē)直線行駛時(shí)，因路況等原因，為保持汽車(chē)直線行駛而對(duì)方向盤(pán)角度進(jìn)行微調(diào)，此種情況下方向盤(pán)轉(zhuǎn)角變化不大，且保持時(shí)間極短。通過(guò)以上分析，本系統(tǒng)為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角設(shè)定閾值α，當(dāng)方向盤(pán)實(shí)際轉(zhuǎn)角α1＞閾值α，或?qū)嶋H轉(zhuǎn)角α1保持時(shí)長(zhǎng)超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)長(zhǎng)，控制單元將轉(zhuǎn)向電路接通，使轉(zhuǎn)向信號(hào)燈閃爍。

中央控制部分主要對(duì)來(lái)自信息采集部分的各傳感器信號(hào)進(jìn)行分析處理。本系統(tǒng)選用的中央處理器為意大利的Arduino Mega。該處理器采用ATmega2560作為核心處理器，配備有54路數(shù)字輸入/輸出引腳、16路模擬輸入、4個(gè)UART（硬件串行接口）、一個(gè)16MHz集體振蕩器、一個(gè)USB接口、一個(gè)電源插座、一個(gè)ICSP接頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino Mega工作電壓為5V，串口輸出電流為40mA，內(nèi)存空間為256kB，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)外部中斷。Arduino可以使用現(xiàn)有的所有傳感器、開(kāi)關(guān)和其他控制裝置?？梢钥刂聘黝愝敵鲅b置例如LED、伺服電機(jī)等。Arduino的IDE界面基于開(kāi)放源代碼，可以免費(fèi)下載使用，使用方便。

汽車(chē)上的電源一般為整車(chē)提供的電壓為12V或24V，選擇的中央處理器、AD芯片等元件所需要輸入電壓為3.3V或5V，因此需要將汽車(chē)電源的電壓轉(zhuǎn)換成符合中央處理器正常工作環(huán)境的電壓。優(yōu)秀的電源可以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。根據(jù)需要，對(duì)電源的要求是應(yīng)有穩(wěn)定的電壓及電流輸出和良好的散熱性能。通過(guò)以上描述，選用LM2596-ADJ可調(diào)電壓輸出的開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器作為電源轉(zhuǎn)換電路的核心。該電壓調(diào)節(jié)器可以將4.75V～40V的輸入電壓調(diào)整為1.2V～37V的輸出電壓。輸出電流最高可達(dá)3A，采用150kHz的內(nèi)部震蕩器，具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)外部斷電提高安全性。

電源轉(zhuǎn)換電路中電阻選型如下：

通過(guò)輸出電壓公式：

式中：參考電壓VREF=1.23V，輸出電壓VOUT=5V，R1的阻值選取可在240Ω至1.5kΩ中選擇。R1電阻選用精度為1%的金屬膜電阻，該電阻可降低溫度系數(shù)。該電阻的阻值選用R1=1kΩ。通過(guò)公式可以計(jì)算出R2電阻的阻值為3.07kΩ。

電源轉(zhuǎn)換電路中電感（L1）選型如下：

電感電壓與微秒計(jì)算公式有：

式中：VSAT為內(nèi)部開(kāi)關(guān)飽和電壓，VSAT=1.16V。VD為二極管正向壓降，VD=0.5V。F為開(kāi)關(guān)頻率為固定值，F(xiàn)=150kHz。VIN為輸入電壓，VIN=12V。通過(guò)公式3.5計(jì)算得到微秒常數(shù)為18.88μs。通過(guò)查表可得到電感值為68μH。

電源轉(zhuǎn)換電路中輸出電感（COUT）選型如下：

根據(jù)公式：

通過(guò)計(jì)算可知COUT≥469.4μF。輸出電感可在82μF～820μF間選擇。本課題選用475μF的低等效電解電容，該電容的穩(wěn)定性及使用效果最佳。

前饋電容（CFF）的選型：

當(dāng)輸入高于10V時(shí)，需要加裝一個(gè)補(bǔ)償電容，該電容應(yīng)在100pF～33nF間選擇。該電容由以下公式計(jì)算：

根據(jù)公式計(jì)算該電容可取3.3nF電容。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，該電容選擇云母電容。

吸納二極管（D1）的選型：D1二極管的最大承受電流能力要求為最大負(fù)載電流的1.3倍，反向耐壓應(yīng)為最大輸出電壓的1.25倍。本課題選用的二極管為肖特基二極管，該二極管具有工作穩(wěn)定性好，效率高等特點(diǎn)，適合要求。

輸入電容（CIN）的選擇：在系統(tǒng)工作時(shí)，輸入端有可能會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，為了防止該情況發(fā)生，要在輸入端及接地端之間加裝一個(gè)低等效電阻的鋁電解電容作為旁路電容。該電容的電流平方根應(yīng)不低于負(fù)載電流的一半。該電容的耐壓值應(yīng)為最大輸入電壓的1.5倍。由于選中央控制器最大驅(qū)動(dòng)電流為50mA，因此輸入電容的電流至少應(yīng)為5mA。因?yàn)橹醒肟刂破鬏斎腚妷簽?V，所以該電容的耐壓值應(yīng)大于7.5V。

2 控制流程設(shè)計(jì)

為更加準(zhǔn)確的辨識(shí)駕駛員對(duì)方向盤(pán)的操作意圖，本系統(tǒng)將駕駛員對(duì)方向盤(pán)的握力設(shè)定閾值F，當(dāng)駕駛員對(duì)方向盤(pán)某一側(cè)的實(shí)際握力F1＞F時(shí)，系統(tǒng)判定駕駛員準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向，此時(shí)控制單元接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路，使轉(zhuǎn)向燈閃爍。駕駛員完成轉(zhuǎn)向后，方向盤(pán)回正，轉(zhuǎn)角為0，控制單元通過(guò)轉(zhuǎn)角傳感器輸出轉(zhuǎn)角為0信號(hào)來(lái)判斷方向盤(pán)已回正，此時(shí)，控制單元切斷轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路，轉(zhuǎn)向燈熄滅。如駕駛員正常直線行駛時(shí)，因?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進(jìn)行了誤操作，而點(diǎn)亮了轉(zhuǎn)向信號(hào)燈，此時(shí)，只需雙手同時(shí)握緊方向盤(pán)兩側(cè)，兩側(cè)柔性壓阻傳感器實(shí)際握力同時(shí)大于設(shè)置閾值時(shí)，控制單元將切斷轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路，使轉(zhuǎn)向燈熄滅。在轉(zhuǎn)向燈沒(méi)有接通情況下，方向盤(pán)兩側(cè)實(shí)際握力均大于設(shè)置閾值，兩側(cè)轉(zhuǎn)向燈將同時(shí)閃爍，激活危險(xiǎn)警告功能，方向盤(pán)兩側(cè)同時(shí)緊握則關(guān)閉危險(xiǎn)警告功能。這樣，在緊急情況下，駕駛員不需將手離開(kāi)方向盤(pán)，依然可點(diǎn)亮危險(xiǎn)警告燈，保證駕駛員的安全，避免交通事故的發(fā)生。

如控制單元沒(méi)有接收到大于握力閾值的握力信號(hào)，但方向盤(pán)實(shí)際轉(zhuǎn)角信號(hào)α1＞α，或α1保持時(shí)長(zhǎng)t1≥閾值時(shí)長(zhǎng)t，控制單元判定駕駛員正在實(shí)施轉(zhuǎn)向操作，根據(jù)轉(zhuǎn)角信號(hào)的輸出方向，自動(dòng)接通相應(yīng)轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路，使相應(yīng)轉(zhuǎn)向燈閃爍。如駕駛員通過(guò)握力觸發(fā)轉(zhuǎn)向燈點(diǎn)亮，該設(shè)置將不啟動(dòng)。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

對(duì)于駕駛員對(duì)方向盤(pán)的握力閾值應(yīng)根據(jù)對(duì)不同性別、不同年齡、不同駕駛習(xí)慣的駕駛員進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析得出。如該閾值設(shè)置過(guò)大，部分駕駛員因力量較小，在緊握方向盤(pán)后將不會(huì)出發(fā)控制電路，導(dǎo)致無(wú)法提前點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)燈。如該閾值設(shè)置過(guò)小，部分駕駛員因緊張、駕駛習(xí)慣等問(wèn)題，系統(tǒng)將誤判駕駛員操作意圖，無(wú)故點(diǎn)亮轉(zhuǎn)向信號(hào)燈，對(duì)其他車(chē)輛產(chǎn)生誤導(dǎo)。方向盤(pán)實(shí)際轉(zhuǎn)角保持時(shí)間也要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出，如其時(shí)間過(guò)短將出現(xiàn)系統(tǒng)誤判，過(guò)長(zhǎng)將不能起到轉(zhuǎn)向提示作用。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，主要通過(guò)纏繞在方向盤(pán)兩側(cè)的柔性壓阻傳感器感知駕駛員對(duì)方向盤(pán)的握緊力度，辨識(shí)駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并通過(guò)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器幫助駕駛員自動(dòng)接通轉(zhuǎn)向信號(hào)燈控制電路，為駕駛員因各種原因沒(méi)有對(duì)轉(zhuǎn)向信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行操作的行為進(jìn)行補(bǔ)救，除了夜間照明外，更重要的是對(duì)對(duì)其他行駛車(chē)輛和行人起到警示和提醒作用[4]，以此提高駕駛員的駕駛安全性，避免交通事故的發(fā)生。