基于單片機的載貨汽車后視鏡轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)

王豐元，韓悅，孫凡晴，楊冉

（1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520；2.青島理工大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，山東 青島 266520）

基于單片機的載貨汽車后視鏡轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)

王豐元1，韓悅1，孫凡晴2，楊冉1

（1.青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院，山東 青島 266520；2.青島理工大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，山東 青島 266520）

載貨汽車轉(zhuǎn)彎時，固定后視鏡的視野范圍有限，容易引起事故，因此研究后視鏡隨動系統(tǒng)有重要意義。文章通過研究交叉路口車輛轉(zhuǎn)向時的后視鏡視野盲區(qū)，設(shè)計了載貨汽車后視鏡轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)。系統(tǒng)輸入端采用方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采集數(shù)據(jù)，由STM32單片機完成數(shù)據(jù)處理，最后通過電機驅(qū)動模塊控制后視鏡調(diào)整電機。研究結(jié)果表明在交叉路口載貨汽車轉(zhuǎn)向時，后視鏡隨動系統(tǒng)能夠有效改善駕駛員的后視鏡視野，提高載貨汽車的行駛安全性。

交叉路口；載貨汽車后視鏡；方向盤轉(zhuǎn)角

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-15-04

引言

目前各種汽車上安裝的后視鏡都存在不同程度的盲區(qū)，駕駛視野寬度的不足使車輛在行駛中始終存在安全隱患[1]。車輛在轉(zhuǎn)彎時駕駛員只能觀察到同水平線上車輛的后方視野，而看不到側(cè)方同向來車，尤其載貨汽車自身高度和長度的限制，使得駕駛員對后視鏡的依賴更加明顯，且載貨汽車貨箱長度大、載貨多、慣性大，轉(zhuǎn)彎時存在較大的內(nèi)輪差，一旦發(fā)生事故，死傷慘重。根據(jù)公安部道路交通安全研究中心的數(shù)據(jù)顯示，2014年貨車總量占全國汽車保有量的8%，但貨車事故致死人數(shù)卻達(dá)到28%[2-5]。因此提出針對改善載貨汽車轉(zhuǎn)向行駛過程中后視鏡視野的后視鏡隨動系統(tǒng)，對提高載貨汽車的行駛安全性具有重要意義。

載貨汽車后視鏡的控制系統(tǒng)主要是通過手動按鈕的方式完成對后視鏡的調(diào)節(jié)，并且載貨汽車在轉(zhuǎn)彎時的后視鏡不會自動調(diào)節(jié)，導(dǎo)致駕駛員的視野范圍很局限。后視鏡智能調(diào)整技術(shù)在轎車上有一些研究成果，有研究人員根據(jù)轉(zhuǎn)向燈的開啟及關(guān)閉為輸入信號，控制后視鏡電機的啟停及轉(zhuǎn)動方向[6]，但是這種后視鏡調(diào)節(jié)方法，不能準(zhǔn)確、實時性的為駕駛員提供最佳后視鏡駕駛視野；黃科[7]等人采用單片機實現(xiàn)了對后視鏡的自動翻轉(zhuǎn)控制，提高了后視鏡的調(diào)節(jié)精度，鄭芳芳[8]等人基于CAN總線實現(xiàn)了后視鏡的自動折疊展開及位置記憶功能，但都沒有結(jié)合后視鏡視野盲區(qū)對后視鏡的轉(zhuǎn)動做出調(diào)整。

鑒于目前后視鏡系統(tǒng)的局限性，本文對載貨汽車交匯路口轉(zhuǎn)彎時的后視鏡視野情況做了分析，采用單片機作為主控單元，以方向盤的轉(zhuǎn)角作為輸入信號，設(shè)計了后視鏡隨動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的傳輸，并通過L298N后視鏡電機驅(qū)動模塊完成了對后視鏡鏡面的自適應(yīng)控制，使車輛在交叉路口轉(zhuǎn)彎時駕駛員的后視鏡視野得到很大程度的改善，提高了載貨汽車在轉(zhuǎn)彎情況下的行車安全性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所涉及的后視鏡隨動系統(tǒng)，主要由輸入端、主控單元、執(zhí)行端三大部分組成。其中輸入端主要由方向盤轉(zhuǎn)角傳感器和CAN模塊組成；主控單元采用STM32系列單片機作為微處理器模塊的核心器件，執(zhí)行算法及控制工作；執(zhí)行端包括后視鏡鏡面控制器及電機驅(qū)動模塊L298N。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采集到的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，通過CAN模塊傳送給主控單元STM32系列單片機，STM32系列單片機將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后對電機驅(qū)動模塊輸入端進(jìn)行高低電平的控制，可以實現(xiàn)對后視鏡鏡面控制器中調(diào)整電機的正反轉(zhuǎn)控制，后視鏡的轉(zhuǎn)動角度則通過時間控制來實現(xiàn)。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 隨動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure diagram of the follow-up system

1.1 輸入端的設(shè)計

該后視鏡隨動系統(tǒng)采用的是型號為C68049XF25849366 ANA76100BA的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，該型號的傳感器抗干擾性能較強且工作信號穩(wěn)定可靠。轉(zhuǎn)角傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括1個角度測量芯片MLX90316、5個槽型光電傳感器SG278編碼陣列、電源穩(wěn)壓電路等。轉(zhuǎn)角傳感器安裝在方向盤下方的轉(zhuǎn)向管柱上，能夠檢測方向盤轉(zhuǎn)動角度及轉(zhuǎn)動方向。

轉(zhuǎn)角傳感器的基本工作原理：方向盤轉(zhuǎn)動時通過轉(zhuǎn)向柱帶動主動齒輪轉(zhuǎn)動，此時從動齒輪的轉(zhuǎn)動引起從動齒輪上方小磁鐵周圍磁場方向的改變，這種變化由MLX90316芯片檢測并輸出與小磁鐵轉(zhuǎn)動角度呈線性關(guān)系的模擬電壓[9-10]，此電壓經(jīng)DSP芯片計算得到的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過CAN模塊轉(zhuǎn)換傳送給主控單元STM32單片機。轉(zhuǎn)角傳感器的各引腳定義，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)角傳感器引腳功能Tab.1 pin function of angle sensor

1.2 主控單元STM32系列單片機

后視鏡隨動系統(tǒng)所采用的主控單片機型號為STM32 F103VCT6，其微控制器使用Cortex-M3內(nèi)核，是由ARM公司設(shè)計，高性能、低功耗且具有價格優(yōu)勢，同時Thumb-2指令集具有更高的指令效率使終端的響應(yīng)比以往更加迅速。與傳統(tǒng)的單片機相比較，STM32的主頻及定時器的頻率通過PLL倍頻能夠達(dá)到72MHz，這種高分辨率的定時器提高了系統(tǒng)對時間控制的精確度[11]。

主控單片機的主要作用：從CAN模塊接收并讀取方向盤轉(zhuǎn)角值；根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角值與后視鏡鏡面轉(zhuǎn)角的關(guān)系，及后視鏡鏡面的轉(zhuǎn)動度，計算后視鏡鏡面控制器需要運行的時間，這是由芯片內(nèi)部定時器的計時功能完成的；通過串口將信息傳輸給電機驅(qū)動模塊。

1.3 執(zhí)行端

圖2 后視鏡鏡面控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of Rear view mirror mirror controller

后視鏡鏡面控制器是安裝在載貨汽車后視鏡殼里的，由兩個控制鏡面上下和左右轉(zhuǎn)動的微型直流電機組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。STM32系列單片機輸出的電流比較微弱，不能直接驅(qū)動后視鏡鏡面控制器的調(diào)整電機，需要增加電機驅(qū)動模塊對電機進(jìn)行控制。因此執(zhí)行端包括了L298N型電機驅(qū)動模塊和后視鏡鏡面控制器。

后視鏡調(diào)整電機轉(zhuǎn)動驅(qū)動電路采用H橋式電路，電機驅(qū)動模塊的電路原理圖如圖3所示。通過改變輸入端IN3和IN4的高低電平來控制電機A的正反轉(zhuǎn)與停止，改變輸入端IN1 和IN2的高低電平來控制電機B的正反轉(zhuǎn)與停止。

圖3 電機驅(qū)動模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of Motor drive module

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 交叉口盲區(qū)分析

按照《城市道路設(shè)計規(guī)范》，交叉路口車道寬度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為3.5米[12]，并根據(jù)載貨汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)畫出車輛的簡圖，假定汽車能夠按照理想的軌跡轉(zhuǎn)彎通過路口，得到載貨汽車在平面交叉路口轉(zhuǎn)向時，駕駛員的視野盲區(qū)，如圖4所示。

圖4中的陰影面積表示車輛向左向右轉(zhuǎn)彎情況下不調(diào)整后視鏡所產(chǎn)生的盲區(qū)，根據(jù)陰影面積的大小可以直觀的看出載貨汽車右側(cè)盲區(qū)比左側(cè)的大。車輛右轉(zhuǎn)時，右側(cè)非機動車道的行人處于載貨汽車的盲區(qū)范圍之內(nèi)，事故風(fēng)險較大。

圖4 交叉路口左右后視鏡原視野盲區(qū)Fig.4 left and right rear view mirror blind spot in the crossroads

2.2 盲區(qū)解決辦法和基本理論分析

后視鏡隨動系統(tǒng)能夠檢測方向盤轉(zhuǎn)動角度并且隨著方向盤的轉(zhuǎn)動和車身的移動，緩慢調(diào)節(jié)右側(cè)后視鏡鏡面向遠(yuǎn)離車身的方向移動，適當(dāng)增加α的大小，右側(cè)后視鏡視野范圍擴大，使右側(cè)非機動車道的行人處于視野范圍內(nèi)，有效降低事故發(fā)生率，提高載貨汽車的行駛安全性。

為了達(dá)到上述功能，系統(tǒng)執(zhí)行端的后視鏡鏡面控制器具體參數(shù)如表2，后視鏡鏡面控制器電機完成一次完整的左右轉(zhuǎn)動所需要的時間為6s，表2給出了該后視鏡鏡面控制器的工作角度大于等于26°，取后視鏡鏡面控制器的轉(zhuǎn)動范圍為26°進(jìn)行研究，方向盤轉(zhuǎn)動角度的范圍根據(jù)車型確定，一般方向盤從直線行駛位置向右或者向左打死需要轉(zhuǎn)動兩圈半左右，本系統(tǒng)取方向盤轉(zhuǎn)動角度γ的范圍是-810°≤γ≤+810°。方向盤超過360°后，轉(zhuǎn)角每增加10°，對應(yīng)后視鏡的轉(zhuǎn)動角度為0.58°，根據(jù)后視鏡的轉(zhuǎn)動速度可得轉(zhuǎn)角每增加10°需要對后視鏡調(diào)整電機控制67ms。方向盤轉(zhuǎn)角的絕對值與后視鏡轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系如公式（2-1）。

式中，γ為方向盤轉(zhuǎn)角值；

ε為后視鏡鏡面的轉(zhuǎn)角值。

表2 后視鏡鏡面控制器相關(guān)參數(shù)Tab.2 related parameters of Rear view mirror mirror controller

2.3 交叉路口轉(zhuǎn)彎過程中后視鏡控制基本策略

交叉路口轉(zhuǎn)彎后視鏡隨動系統(tǒng)的軟件邏輯流程圖如圖5所示，首先將基于單片機的載貨汽車后視鏡轉(zhuǎn)向隨動裝置進(jìn)行初始化，其中初始化包括CAN模塊、主控單元STM32中TIMER、SPI等部分的初始化。在檢測到車速大于0的情況下即車輛的非靜止?fàn)顟B(tài)的前提下，對CAN模塊是否輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若輸出轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)就可進(jìn)一步對車輛行駛方向進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)大于0為左轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)小于0則為右轉(zhuǎn)。

實車試驗證明方向盤轉(zhuǎn)動在360°之內(nèi)，對駕駛員視野的影響不大，因此設(shè)定CAN模塊輸出的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)大于360°時隨動裝置開始啟動。根據(jù)采集到的方向盤轉(zhuǎn)角信息判斷方向盤轉(zhuǎn)角值是否發(fā)生變化，隨著接收到轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的增大，右側(cè)后視鏡向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，外視野區(qū)逐漸增大。以交匯路口車輛右轉(zhuǎn)為例，在檢測到轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)小于0的情況下，若方向盤轉(zhuǎn)角角度值在360°以內(nèi)，則系統(tǒng)不啟動，后視鏡鏡面不發(fā)生變化；如果方向盤的轉(zhuǎn)角角度超過360°且短時間內(nèi)持續(xù)變化，此時駕駛員不斷調(diào)整方向盤的角度，即車輛處于轉(zhuǎn)彎或者變道的情況下，后視鏡調(diào)整電機啟動控制后視鏡鏡面向遠(yuǎn)離車身的方向的轉(zhuǎn)動，鏡面的轉(zhuǎn)動角度通過控制電機的時間來完成。

圖5 軟件邏輯流程圖Fig.5 Software logic flow chart

3 系統(tǒng)試驗測試

3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與傳輸測試

對系統(tǒng)中方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采集與傳輸通過上位機軟件進(jìn)行測試，方向盤轉(zhuǎn)動的角度通過CAN模塊實時傳輸?shù)缴衔粰C，接收到的方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)通過串口在PC機上顯示。觀察測試過程可知上位機軟件中轉(zhuǎn)角的變化范圍在-810°—+810°之間，同時，導(dǎo)出軟件中一段時間的轉(zhuǎn)角讀數(shù)如表3所示，正為左轉(zhuǎn)，負(fù)為右轉(zhuǎn)。因此可知該系統(tǒng)能夠完成對方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采集與傳輸，能夠滿足車輛轉(zhuǎn)彎情況下對信息采集實時性的要求。

表3 上位機轉(zhuǎn)角讀數(shù)Tab.3 PC angle readings

3.2 方向盤轉(zhuǎn)角與后視鏡鏡面轉(zhuǎn)角的關(guān)系

試驗測試得到的方向盤轉(zhuǎn)角與后視鏡鏡面轉(zhuǎn)角的對應(yīng)關(guān)系如下表4所示。通過分析實驗結(jié)果和理論數(shù)據(jù)可知，試驗測得的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相符，表明該系統(tǒng)可以較好的達(dá)到改善車輛交叉路口轉(zhuǎn)彎時后視鏡視野的功能。

表4 方向盤轉(zhuǎn)角與后視鏡鏡面轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)Table4 angledataofsteeringwheelangleandrearviewmirrormirror

4 總結(jié)

本文通過對載貨汽車在交叉路口轉(zhuǎn)彎時盲區(qū)的分析，設(shè)計了基于單片機的轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)。在合理的對該系統(tǒng)中硬件和軟件的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化配比后，該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)彎過程中，后視鏡鏡面可隨方向盤的轉(zhuǎn)動而做出自適應(yīng)調(diào)整，增大右側(cè)后視鏡視野范圍，并明顯提高載貨汽車在交叉路口的行駛安全性，在載貨汽車上的應(yīng)用前景極大。

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The Follow-up System of Car Rearview Mirror Based on Single Chip Microcomputer

Wang Fengyuan1, Han yue1, Sun Fanqing2, Yang Ran1
（1.College of Automobile and Transportation, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520; 2.College of College of Communication and Electronic Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520）

When the truck turns, the fixed rearview mirror has a limited field of view, which may cause an accident. Therefore, it is important to study the rearview mirror follower system.In this paper, a vehicle rearview mirror steering follower system was designed by studying the blind spot of dynamic rearview mirror when the truck was was changing direction at the crossroads. The input module of the system used the steering wheel angle sensor to collect the data. And then used the STM32 microcontroller to complete the processing of data, and finally controlled rearview mirror motor through the motor drive module. The results showed that the rearview mirror follow-up system can effectively reduce the blind spot of the rearview mirror and improve the driving safety of the truck when the truck was changing direction at the crossroads.

Crossroads; Truck rearview mirror; Steering wheel angle

U462.1

A

1671-7988(2017)15-15-04

王豐元（1963-），男，博士，教授，就職于青島理工大學(xué)。主要研究方向：智能汽車，車輛人機工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.006