牽引車后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林晉召，贠海濤，曹愛霞，謝建新

(1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520；2.青島黃海學(xué)院交通與船舶工程學(xué)院，山東 青島 266427)

汽車駕駛過(guò)程中，視野盲區(qū)是導(dǎo)致交通事故的重要因素之一[1]。牽引車拐彎時(shí)，內(nèi)輪差(車輛內(nèi)前與內(nèi)后車輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)形成的半徑之差)形成視野盲區(qū)，車身越長(zhǎng)，內(nèi)輪差越大，形成的視野盲區(qū)范圍也越大[2]。通常，解決視野盲區(qū)的辦法是在路邊擺放具有較大凹凸度的凸面鏡，增加視野的廣角；或靠駕駛員手動(dòng)調(diào)節(jié)后視鏡的位置，以此減少轉(zhuǎn)彎時(shí)的視野盲區(qū)，但兩種方式均不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)[3]。李海濤等[4]用單片機(jī)控制后視鏡自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，提高了調(diào)整精度，解決倒車入庫(kù)或靠邊停車時(shí)的輪胎刮蹭問題；鄭芳芳等[5]用CAN總線實(shí)現(xiàn)后視鏡的自動(dòng)調(diào)節(jié)及增加后視鏡的記憶功能。但以上研究只是實(shí)現(xiàn)后視鏡的自動(dòng)調(diào)整功能，并沒有對(duì)轉(zhuǎn)彎時(shí)后視鏡的視野是否改善進(jìn)行研究。為從根本上解決后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向問題，本文采用智能控制芯片、單片機(jī)和舵機(jī)對(duì)后視鏡進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)牽引車后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向功能，提高牽引的安全性能。

1 后視鏡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

1.1 后視鏡轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)

下列數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)向原始參數(shù)。

工作狀態(tài)：后視鏡轉(zhuǎn)向角度極限約為70°。

動(dòng)力輸出：電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 200 r/s,單片機(jī)脈沖周期為0～20 ms。循環(huán)總時(shí)間和齒輪半徑計(jì)算公式為

t=n×T=0.06 s,

(1)

r=t×v。

(2)

式(1～2)中：t為總時(shí)間；n為循環(huán)次數(shù)；T為單片機(jī)脈沖周期；v為線速度；r為齒輪半徑，單位為mm。

由于電機(jī)速度過(guò)快，需要額外加裝減速機(jī)構(gòu)。后視鏡整體質(zhì)量較輕，需要扭矩較小。經(jīng)多方面考慮選取行星輪系為減速傳動(dòng)系統(tǒng)。

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 200 r·s-1，后視鏡轉(zhuǎn)向角度為0°～70°。

后視鏡外殼尺寸：長(zhǎng)100 mm，寬60 mm，高150 mm。

單片機(jī)脈沖單個(gè)周期T=0.1 ms，控制時(shí)間為0.3 ms。傳動(dòng)比

(3)

由式(3)可以確定行星輪系的傳動(dòng)比為0.2。

太陽(yáng)輪為主動(dòng)部件，行星齒圈為輸出部件。初步確定行星輪系尺寸：太陽(yáng)輪直徑為5 mm,行星輪直徑為20 mm,行星齒圈直徑為45 mm,行星架當(dāng)量直徑為25 mm，行星輪傳動(dòng)比為

(4)

1.2 后視鏡CATIA模型

CATIA軟件能夠提供產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)分析模擬等，尤其對(duì)于汽車中的曲面設(shè)計(jì)，相比于SolidWorks軟件，處理起來(lái)更加方便。經(jīng)過(guò)篩選，本文選用CATIA三維制圖軟件繪制牽引車后視鏡三維模型[6]。

牽引車后視鏡尺寸通常為長(zhǎng)60 mm，寬40 mm，高150 mm，根據(jù)車身整體長(zhǎng)度尺寸會(huì)有所改變。本文設(shè)計(jì)的后視鏡尺寸為：長(zhǎng)100mm，寬60 mm，高150 mm。

CATIA三維模型分為后視鏡外殼和內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。行星系統(tǒng)為傳動(dòng)系統(tǒng)，行星架與后視鏡的外殼相連，太陽(yáng)輪輸入轉(zhuǎn)矩，行星架輸出轉(zhuǎn)矩。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片

選用BTS7960芯片作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和接口數(shù)據(jù)如圖1和圖2所示。

圖1 BTS7960芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal Structure of the BTS7960 Chip

圖2 BTS7960接口數(shù)據(jù)圖Fig.2 BTS7960 chip used data

圖3 H橋控制電路圖Fig.3 Control circuit of H-bridge

BTS7960芯片是帶有一個(gè)N溝道的低邊 MOSFET、一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC和一個(gè)P溝道的高邊MOSFET的集成芯片，使用大電流半橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電源開關(guān)應(yīng)用垂直場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)來(lái)確保其具有最好阻態(tài)。而此時(shí)高電位按鈕屬于P型通道，會(huì)形成一些電磁干擾，因此增加電荷泵來(lái)清除電磁干擾。BTS7960芯片可兩兩結(jié)合形成全橋或者三相驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)IC集成化程度高，具有邏輯電平應(yīng)有的一般功能和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能；引腳IS可以檢測(cè)電流，在其正常工作模式下，經(jīng)IS引腳流出的電流與高邊MOS管的電流大小成正比例關(guān)系。

大電流驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)相同的BTS7960芯片構(gòu)成，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)形成回轉(zhuǎn)。 H橋電路具有使能控制和方向邏輯的功能，設(shè)計(jì)的H橋控制電路如圖3所示。

2.2 單片機(jī)

單片機(jī)型號(hào)的選擇對(duì)于設(shè)計(jì)系統(tǒng)尤為重要，需要從技術(shù)性、實(shí)用性和可開發(fā)性等方面考慮。選擇宏晶科技新一代8051單片機(jī)——STC12C2052AD，其具有高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)，完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，運(yùn)行速度提高8～12倍，工作頻率為0～35 MHz，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，其時(shí)鐘周期(或者稱機(jī)械周期)為1[7]。STC12C2052AD系列單片機(jī)所有的I/O接口均按標(biāo)準(zhǔn)配置準(zhǔn)雙向接口(標(biāo)準(zhǔn)8051輸出模式)、推挽輸出、僅為輸入(高阻)和開漏輸出4種類型。每個(gè)I/O接口配置2個(gè)控制寄存器，用于決定輸出引腳的輸出類型。工作溫度范圍為-40～85 ℃，完全可以滿足牽引車在惡劣環(huán)境下工作的需求。STC12C2052AD單片機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 STC12C2052AD單片機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of SCM

2.3 傳感器

后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要一個(gè)傳感器將采集的數(shù)據(jù)作為輸入變量。傳感器的選擇要考慮其使用的環(huán)境、傳感器的靈敏度以及穩(wěn)定性和精度。方向盤轉(zhuǎn)角傳感器(SAS)具有多圈絕對(duì)角度測(cè)量、非接觸式測(cè)量、工作壽命多達(dá)800萬(wàn)次以上、CAN總線通訊接口、支持客戶自定義協(xié)議、通過(guò)CAN協(xié)議進(jìn)行下線零位標(biāo)定、Bootloader軟件在線升級(jí)、電源管理和過(guò)壓、低壓、反接保護(hù)等特點(diǎn)。考慮牽引車行駛的路況比較惡劣以及天氣影響，選擇牽引車方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，將其采集的數(shù)據(jù)作為輸入量。傳感器用于測(cè)量牽引車過(guò)彎道時(shí)方向盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度，本文選定的轉(zhuǎn)角傳感器以多圈絕對(duì)角度的方式為輸出，能夠測(cè)量方向盤絕對(duì)角度范圍較廣[8-9]。SAS的電氣特性如表2所示。

表2 SAS的電氣特性Table 2 Electrical characteristics of SAS

圖4 SAS的輸出特性曲線Fig.4 Output characteristic curve of SAS

傳感器輸出特性呈線性變化，具有可變的最小值和最大值，并在最小值和最大值之間線性變化，易于目標(biāo)后視鏡轉(zhuǎn)角變量的標(biāo)定[10]。SAS的輸出特性曲線如圖4所示。

2.4 后視鏡驅(qū)動(dòng)舵機(jī)

本文選用的舵機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成，是一套完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)。舵機(jī)工作過(guò)程為：先由主機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，再由接收機(jī)的通道至信號(hào)調(diào)制芯片，最后計(jì)算得到直流偏置電壓。參考信號(hào)由基準(zhǔn)電路產(chǎn)生，并將直流偏置電壓與電位器兩端的電壓進(jìn)行比較，自動(dòng)運(yùn)算得到電壓差，而電壓差的正負(fù)可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變時(shí)，減速齒輪組帶動(dòng)電位器扭轉(zhuǎn)，調(diào)整電機(jī)兩端的電勢(shì)差，電勢(shì)差為0時(shí)電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

角度控制脈沖中，舵機(jī)工作要求一個(gè)20 ms的時(shí)基脈沖，且高電平在0.5～2.5 ms區(qū)域內(nèi)。本文采用脈沖調(diào)制的控制方法，即舵機(jī)的伺服系統(tǒng)由寬度變化范圍廣的脈沖進(jìn)行控制，角度由控制線的持續(xù)的脈沖所產(chǎn)生，控制線的作用是傳送脈沖。脈沖的尺寸控制了舵機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的角度，即后視鏡的旋轉(zhuǎn)角度。

電機(jī)工作電壓為12 V，為滿足電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的需求，采用H橋驅(qū)動(dòng)電路支配電動(dòng)機(jī)，保證電機(jī)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn))。完整的H橋式驅(qū)動(dòng)電路包含4個(gè)三極管和1個(gè)電機(jī)，等效電路圖如圖5所示。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的條件為對(duì)角線上的一對(duì)三極管通路，根據(jù)三極管的通路控制情況，從而可設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)三極管Q1和Q4形成通路時(shí)，電流從電源陽(yáng)極經(jīng)Q1從左至右流經(jīng)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源陰極，如圖6中箭頭所示，此種流向的電流將帶動(dòng)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電流從左至右流過(guò)電機(jī)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)就按照指定方向旋轉(zhuǎn)一定的角度(順時(shí)針方向)。同理，如圖7所示，當(dāng)另外一對(duì)三極管Q2和Q3形成通路時(shí)，電流將從右至左流經(jīng)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流從右至左流過(guò)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿相反方向旋轉(zhuǎn)一定的角度(逆時(shí)針方向)。

圖5 電機(jī)控制電路Fig.5 Motor control circuit

圖6 電機(jī)正轉(zhuǎn)電流輸出Fig.6 Current output of motor turns

圖7 電機(jī)反轉(zhuǎn)電流輸出Fig.7 Current output of motor reversal

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言一樣是一種符號(hào)語(yǔ)言，具有門檻低、易理解、易操作的編程特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行程序均采用匯編語(yǔ)言編寫，精確地定義在不同情況下所應(yīng)當(dāng)采用的數(shù)據(jù)，從而向計(jì)算機(jī)發(fā)出指令。 表3為單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路邏輯表，通過(guò)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的輸入信號(hào)控制輸出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的邏輯流程圖如圖8所示。

表3 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路邏輯表Table 3 SCM-driving circuit logic

圖8 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)邏輯流程圖Fig.8 Program logic flow of steering system

大部分的微控制器都包含有PWM控制器。PIC16C67包含2個(gè)PWM控制器，每一個(gè)PWM控制器都可以選擇接通時(shí)刻和周期。接通花費(fèi)的總時(shí)間與周期的比值為占空比，周期的倒數(shù)為調(diào)制頻率。預(yù)先執(zhí)行PWM操作時(shí)，微處理器可以在軟件中完成以下設(shè)置：(1)設(shè)置方波器上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期；(2)在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)刻；(3)配置PWM輸出的方向，輸出為一個(gè)通用I/O管腳；(4)啟動(dòng)定時(shí)器；(5)使用PWM控制器[11]。根據(jù)牽引車后視鏡設(shè)定的功能，可以確定延時(shí)程序片段,再利用延時(shí)加條件循環(huán)，實(shí)現(xiàn)具體脈寬調(diào)制程序。

根據(jù)牽引車行駛時(shí)轉(zhuǎn)彎操作的經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)彎時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角小于360°時(shí)，后視鏡的視野能夠保證行車安全，不需要進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)設(shè)定后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)閉；當(dāng)檢測(cè)到方向盤轉(zhuǎn)角絕對(duì)值在360°～780°區(qū)間時(shí)(約定方向盤向右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角為正值，向左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角為負(fù)值)，后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開啟，根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向盤角度，后視鏡自動(dòng)跟隨向著相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度由單片機(jī)控制時(shí)間確定。

4 仿真分析

準(zhǔn)備工作完成后，開始模擬測(cè)試。

1)當(dāng)駕駛員左轉(zhuǎn)彎時(shí)，左后視鏡自主向外(左)旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使駕駛員能夠看到內(nèi)輪差之間的視野；

2)當(dāng)駕駛員右轉(zhuǎn)彎時(shí)，右后視鏡根據(jù)駕駛員方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度向右旋轉(zhuǎn)一定的角度；

3)旋轉(zhuǎn)后的左(右)后視鏡會(huì)在駕駛員修正方向盤的時(shí)候，恢復(fù)原位置。

將系統(tǒng)中采集到的方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)實(shí)時(shí)通過(guò)串口連接的電腦顯示，方向盤轉(zhuǎn)角與后視鏡轉(zhuǎn)角的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。表4中，方向盤轉(zhuǎn)角表示駕駛員轉(zhuǎn)彎時(shí)方向盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度，“+”表示右轉(zhuǎn)彎，“-”表示左轉(zhuǎn)彎；后視鏡轉(zhuǎn)角表示與方向盤轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的后視鏡旋轉(zhuǎn)的角度，“+”表示右后視鏡向右旋轉(zhuǎn)，“-”表示左后視鏡向左旋轉(zhuǎn)。通過(guò)表4可知，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠有效增大牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)的后視鏡的視野，與固定后視鏡相比，駕駛員的視野面積可擴(kuò)寬4.8%～26.7%。

表4 方向盤轉(zhuǎn)角與后視鏡轉(zhuǎn)角關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 4 Angles of steering wheel and rear-view mirror compared

5 結(jié)語(yǔ)

為解決牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)形成的視野盲區(qū)問題，設(shè)計(jì)了牽引車后視鏡的隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中運(yùn)用了智能芯片、單片機(jī)和舵機(jī)等硬件設(shè)備和匯編程序控制后視鏡，使后視鏡能夠跟隨方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)位置，消除牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)形成的視野盲區(qū)。通過(guò)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，后視鏡隨輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足駕駛員在駕駛過(guò)程中的視野需求，極大提高了牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)的安全系數(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。