基于無線通信的汽車后視鏡控制系統(tǒng)

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(shù)設(shè)計(jì)了汽車后視鏡控制系統(tǒng)，發(fā)射端采用方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采集方向盤的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，用NRF24L01模塊實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端采用NRF24L01模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線接收，利用STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，控制后視鏡控制端的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使后視鏡自適應(yīng)地調(diào)整到最佳位置。經(jīng)過測(cè)試分析后得出，采用無線通信技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn)了汽車后視鏡的自適應(yīng)調(diào)整，減小了駕駛員行車過程中后視鏡視野盲區(qū)。

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

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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?yàn)楹笠曠R視野出現(xiàn)盲區(qū)所引起的交通事故屢見不鮮，中國(guó)所占的比例約為30%、美國(guó)占的比例約為20%。駕駛員在行車過程中轉(zhuǎn)彎或者變換車道時(shí)由于后視鏡視野范圍有限，會(huì)出現(xiàn)一定的盲區(qū)，因此常常會(huì)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(shù)應(yīng)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(dòng)來操作，駕駛員可以根據(jù)個(gè)人需要手動(dòng)調(diào)整后視鏡來獲得自己所需要的后視鏡視野，對(duì)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(diào)節(jié)開關(guān)來調(diào)節(jié)后視鏡，但需要駕駛員根據(jù)行車狀態(tài)進(jìn)行不斷操作[3?4]。近年來，隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于汽車舒適感的需求也逐步增加[5]。文獻(xiàn)[6]用有線通信技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)后視鏡的控制。文獻(xiàn)[7]考慮到每個(gè)駕駛員的身高和駕駛習(xí)慣的不同，首先對(duì)座椅位置和后視鏡位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后用有線通信技術(shù)方式來記憶駕駛員調(diào)整好的座椅和后視鏡位置。從上述文獻(xiàn)中可以看出，采用有線通信方式時(shí)，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(fù)雜、成本高，且不利于后期的功能擴(kuò)展。

文獻(xiàn)[8]嘗試用無線通信方式實(shí)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(xiàn)[9]用位置傳感器實(shí)現(xiàn)了倒車結(jié)束后后視鏡位置的自動(dòng)回復(fù)。

本文采用NRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，進(jìn)而對(duì)汽車后視鏡進(jìn)行控制，自適應(yīng)地調(diào)整后視鏡達(dá)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(shè)計(jì)方案

駕駛員在行車過程中變換車道時(shí)，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(shí)兩輛車很有可能發(fā)生碰撞等交通事故。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過檢測(cè)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，自適應(yīng)地調(diào)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由發(fā)射端和接收端組成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采用STM32F103作為主控芯片，方向盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角傳感器對(duì)方向盤的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過NRF24L01發(fā)射模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送。NRF24L01接收模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分別與接收端的STM32相連，STM32將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸入端進(jìn)行高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)后視鏡控制端電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)后視鏡的角度調(diào)節(jié)。

2.1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

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

方向盤轉(zhuǎn)角采集是用經(jīng)緯恒潤(rùn)科技公司生產(chǎn)的型號(hào)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(cè)量芯片等。該傳感器的機(jī)械構(gòu)造與汽車方向盤轉(zhuǎn)向柱相匹配，可以固定在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)，其內(nèi)部小齒輪也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)同方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)，周圍的磁場(chǎng)發(fā)生變化，通過傳感器內(nèi)部角度測(cè)量芯片的檢測(cè)輸出一個(gè)模擬電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)與小磁鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)角度成線性關(guān)系。經(jīng)過該傳感器內(nèi)部的A/D模塊將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，由內(nèi)部DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出方向盤轉(zhuǎn)角傳感器內(nèi)部齒輪的轉(zhuǎn)角值，從而得到方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。發(fā)射端的STM32以CAN通信方式接收方向盤轉(zhuǎn)角傳感器采集到的轉(zhuǎn)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(dá)到2 Mb/s，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 接收端設(shè)計(jì)

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(fù)責(zé)分析和處理數(shù)據(jù)。因?yàn)殡姍C(jī)的負(fù)載較大，而單片機(jī)的輸出電壓和電流都比較小，不足以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)后視鏡控制端的電機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)采用L298N邏輯電路驅(qū)動(dòng)后視鏡端電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)[11]，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路圖如圖3所示。

每個(gè)后視鏡控制端裝有2個(gè)小電機(jī)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(jī)B的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，改變輸入IN3和IN4的高低電平控制電機(jī)A的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，A、B電機(jī)協(xié)調(diào)控制后視鏡角度的調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射端設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送。初始化程序主要完成對(duì)NRF24L01發(fā)射模塊的發(fā)送模式設(shè)置，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送是將STM32接收到的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給接收端。

3.2 接收端設(shè)計(jì)

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(shè)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(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后判斷方向盤是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，如果采集到的轉(zhuǎn)角值大于45°，且轉(zhuǎn)角值發(fā)生變化，則實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的改變視野范圍，否則繼續(xù)接收方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)置成接收模式，通過無線的方式接收發(fā)射端的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。對(duì)接收端是否接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果接收到轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)則進(jìn)一步判斷方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，分為左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩種情況。

在檢測(cè)到方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，如果轉(zhuǎn)角值不超過45°，考慮到駕駛員的視野變化范圍相對(duì)較小，保持電機(jī)狀態(tài)即后視鏡端狀態(tài)不變；如果轉(zhuǎn)角值超過45°，并且短時(shí)間內(nèi)不斷發(fā)生變化，表明駕駛員正在變換車道或轉(zhuǎn)彎，對(duì)方向盤進(jìn)行不斷調(diào)整，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；若是短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎，同樣需要將后視鏡視野調(diào)整至最佳，故保持當(dāng)前電機(jī)狀態(tài)不變，以減小視野盲區(qū)。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)隨著方向盤轉(zhuǎn)角的變化而改變，實(shí)現(xiàn)后視鏡的自適應(yīng)調(diào)整。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的接收測(cè)試通過上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示，結(jié)果如圖6所示。方向盤分別左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)一定的角度，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，無線接收端接收到的數(shù)據(jù)信息通過串口在PC機(jī)上顯示。結(jié)果表明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收。

接收端收到方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)后視鏡控制端進(jìn)行電機(jī)的調(diào)整。后視鏡控制端實(shí)物圖如圖7所示，通過控制2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)后視鏡進(jìn)行上下、左右調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)后視鏡視野的調(diào)整。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：后視鏡控制端中的電機(jī)在正常工作區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(jìn)行研究，設(shè)定車輛方向盤轉(zhuǎn)角[β]的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為：[-450°≤β≤450°，]通過角度與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得，方向盤轉(zhuǎn)角大于45°情況下，方向盤轉(zhuǎn)角每轉(zhuǎn)動(dòng)10°，后視鏡變化角度為0.64°，即對(duì)電機(jī)的控制時(shí)間約為74 ms。

方向盤轉(zhuǎn)角值的絕對(duì)值與后視鏡變化角度關(guān)系為：

式中：[β]為方向盤轉(zhuǎn)角值；[γ]為后視鏡變化角度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的方向盤轉(zhuǎn)角值和對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)了后視鏡的自適應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于無線通信的汽車后視鏡控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了汽車方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)無線傳輸，通過無線接收后對(duì)汽車后視鏡的自適應(yīng)調(diào)整來獲得行車過程中轉(zhuǎn)彎或者變換車道時(shí)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(zhuǎn)彎情況下后視鏡的視野盲區(qū)，提高了行車的安全性。

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