基于車聯(lián)網(wǎng)的汽車駕乘裝備個性化控制系統(tǒng)的研究*

賈秀珠 姜 瑋 劉 濤 馮 杰 胡 弢

1.放射學(xué)院，2.圖書館，山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)，山東 泰安 271016

隨著經(jīng)濟和汽車工業(yè)的發(fā)展，擁有汽車的家庭越來越多，汽車從一個普通的代步工具逐漸演變成為提高生活質(zhì)量的必須品，便捷、自如、舒適也逐漸成為人們在使用汽車過程中需要考慮的重要因素。隨著無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟以及普及，為汽車的日常的操控使用帶來了極大的便利。目前通訊技術(shù)發(fā)展速度很快，涵蓋無線短距離通訊、無線長距離通訊、車內(nèi)有線通訊幾種，他們的代表分別為Zigbee、GPRS、CAN總線等，這幾種通訊協(xié)議相互配合，實現(xiàn)整個車載智能系統(tǒng)的互聯(lián)[1-2]。本文所研究的系統(tǒng)可以通過發(fā)送手機APP指令到車載4G通訊模塊，微處理器接收到信息后把響應(yīng)的動作指令發(fā)送給電機控制系統(tǒng)，完成座椅的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了手機與汽車駕乘裝備的互聯(lián)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示，由有線數(shù)據(jù)通訊部分、無線數(shù)據(jù)通訊部分和控制器部分組成。有線數(shù)據(jù)傳輸部分主要由汽車CAN總線信號收發(fā)器件組成；無線數(shù)據(jù)通訊部分主要由QUECTEL EC20數(shù)據(jù)通訊模塊和SIM卡組成；控制器部分主要由STM32處理器、繼電器、霍爾傳感器和電機組成。

圖1 系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)的工作流程如下：用戶通過手機APP與系統(tǒng)中的通訊模塊進行數(shù)據(jù)交換，傳輸用戶設(shè)置數(shù)據(jù)與當(dāng)前狀態(tài)，微控制器通過CAN總線獲取當(dāng)前汽車狀態(tài)，然后駕乘裝備參數(shù)模型根據(jù)用戶信息生成各裝備的調(diào)節(jié)參數(shù)；最后在動作控制機構(gòu)的控制下完成對駕乘裝備姿態(tài)的調(diào)整。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分由微處理器、無線傳輸模塊、CAN總線接口模塊、繼電器、電機總成(包括霍爾傳感器)以及電源模塊組成。

2.1 微控制器模塊設(shè)計

微控制器模塊是整個系統(tǒng)的核心，通過微控制器將無線傳輸模塊、CAN總線接口模塊，以及控制電機的繼電器和電機總成(包括電機和霍爾傳感器系統(tǒng))結(jié)合在一起。解析無線傳輸模塊和CAN總線接口模塊接收到的信號，控制繼電器驅(qū)動電機完成響應(yīng)的操作。微控制器芯片采用意法半導(dǎo)體公司(STMicroelectronics)生產(chǎn)的STM32F103C8T6芯片，該芯片是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32位的微控制器，片上程序存儲器容量是64 KB，RAM容量為20 K，最高運行頻率為72 M，片內(nèi)集成CAN總線控制器，全雙工串行口，定時器/計數(shù)器，看門狗定時器，已經(jīng)低功耗時鐘晶振，具備良好的低功耗睡眠功能，能夠滿足本系統(tǒng)所需的各種算法的計算需求。

2.2 CAN總線模塊設(shè)計

CAN(Controller Area Network)總線網(wǎng)絡(luò)在汽車整車控制系統(tǒng)中越來越發(fā)揮出其重要作用。每條CAN總線一般都是由2根線組成的雙絞線構(gòu)成，一根為CAN_HIGH，另一根為CAN_LOW，分別代表兩種不同的電平，根據(jù)其差分信號的狀態(tài)表示0和1。CAN收發(fā)器芯片使用恩智浦公司的TJA1040芯片，該芯片待機模式功耗極低，具備單獨的睡眠控制引腳，睡眠后可通過總線喚醒，非常適合車載設(shè)備使用。

2.3 無線模塊設(shè)計

無線模塊主要實現(xiàn)與手機APP的相互通訊，通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)控制狀態(tài)信息和控制指令。本系統(tǒng)選用支持4G通訊無線模塊作為無線通訊接口器件，模塊型號為QUECTEL EC20。本模塊支持短信、套接字、HTTP和GPS多種工作方式，可以通過AT指令對其進行控制。模塊內(nèi)置多星座高精度定位GNSS(GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo/QZSS)接收機。該模塊與微控制器模塊之間使用RS232串口雙向通信。

2.4 電機控制系統(tǒng)

電機控制系統(tǒng)包括繼電器驅(qū)動模塊和霍爾傳感器。

繼電器模塊由2片達林頓管芯片ULN2003和10個CMA51H-S-DC12V-C繼電器組成。每片ULN2003具有7路輸出，能夠同時驅(qū)動7個繼電器，該芯片具有集成度高、驅(qū)動電流大、耐壓性能好的特點。實現(xiàn)汽車座椅前后、上下，靠背傾斜角度6個自動度的調(diào)節(jié)，以及倒車后視鏡左右、上下調(diào)整，4個自由度狀態(tài)的調(diào)節(jié)，共計10個自由度的調(diào)節(jié)。

霍爾傳感器是一種應(yīng)用霍爾效應(yīng)記錄電機主軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的儀器。它的主要工作原理為，當(dāng)半導(dǎo)體薄片置于磁場中，流過它的電流方向與磁場方向不一致時，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢。在電機軸上固定一個磁片，電機主軸旋轉(zhuǎn)時，磁片從傳感器前劃過，傳感器將產(chǎn)生一個電信號，將電信號放大后可以產(chǎn)生方波，通過計數(shù)方波的個數(shù)可得出電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)[3]。

本研究使用了型號為ES3144的霍爾元件，該元件的輸出信號經(jīng)過運算放大器放大后，可輸出標(biāo)準(zhǔn)方波，通過計數(shù)方波個數(shù)，進而推算出電機驅(qū)動各部件的移動距離，最終精確獲取當(dāng)前駕乘裝備在各個自由度的準(zhǔn)確位置[4]。

2.5 統(tǒng)計學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)采用圖表法進行統(tǒng)計學(xué)描述。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 節(jié)能低功耗設(shè)計

為了確保在車輛停放期間，汽車蓄電池不被快速的消耗，對汽車各用電器的待機電流有著嚴(yán)格限制，通常為30～50 mA，低能耗設(shè)計對于車載電子設(shè)備尤其重要[5]。因此在整體設(shè)計時需要充分考慮低功耗設(shè)計。STM32芯片有3種低功耗模式：①睡眠模式，在此模式下芯片的內(nèi)核停止運行，外設(shè)部分，例如NVIC、系統(tǒng)時鐘Systick仍運行，在此模式下芯片的待機電流能夠降低到1 mA左右。②停止模式，在此模式下所有時鐘都已停止，1.8 V內(nèi)核電源工作，PLL、HIS和HSERC振蕩器將停止工作，寄存器和SRAM內(nèi)容保留，在此模式下芯片的待機電流能夠降低到200 μA左右。③待機模式，在此模式下1.8 V內(nèi)核電源關(guān)閉，只有備份寄存器和待機電路維持供電，寄存器和SRAM內(nèi)容全部丟失，在此模式下芯片的待機電流能夠降低到20 μA左右，功耗最低。

根據(jù)本系統(tǒng)功能方面的需要，選擇停止模式，在此模式下寄存器和SRAM中的內(nèi)容能夠完整保留，喚醒后程序可快速恢復(fù)運行。低功耗模式的運行流程如圖2所示。

圖2 低功耗模式的運行流程

為保障系統(tǒng)的可靠運行，睡眠狀態(tài)下也必須設(shè)置看門狗。在睡眠前，首先要啟動鬧鐘，在睡眠狀態(tài)下利用鬧鐘的定時喚醒不斷重置看門狗電路。當(dāng)進入停止模式后，可以通過鬧鐘或外部中斷喚醒系統(tǒng)，通過中斷源寄存器得到喚醒系統(tǒng)的中斷源類型，如果是鬧鐘喚醒則在重置看門狗電路后再次進入睡眠，如果是外部中斷喚醒(例如：CAN總線的中斷喚醒信號)，則重啟系統(tǒng)時鐘，系統(tǒng)重新恢復(fù)正常。

3.2 車聯(lián)網(wǎng)總線系統(tǒng)

CAN總線的數(shù)據(jù)幀分為數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、幀間隔5種，在正常運行狀態(tài)，汽車CAN總線上門通常使用的為數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩種，目前使用較多的為標(biāo)準(zhǔn)幀，一個標(biāo)準(zhǔn)幀包含11個字節(jié)的信息，前3個字節(jié)為信息部分，后面8個字節(jié)為數(shù)據(jù)部分，一個標(biāo)準(zhǔn)幀最少傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，最多可以傳輸8個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息。

通過CAN接口，本系統(tǒng)可以從汽車的CAN總線上讀取汽車的狀態(tài)信號，例如：車門是否打開、車窗狀態(tài)、汽車擋位狀態(tài)、汽車的點火狀態(tài)等。

3.3 電機控制系統(tǒng)

STM32具有多組可自定義的外部中斷，在本系統(tǒng)中，使用中斷模式對多路電機的霍爾信號進行計數(shù)，如果電機還未運行到位，電機繼續(xù)運行，如果運行到位，電機停止。算法流程如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器信號計數(shù)算法流程

3.4 駕乘裝備位姿調(diào)整模型

為了能夠更快速的完成座椅姿態(tài)調(diào)節(jié)，本研究通過擬合不同身高、體型人群的駕乘裝備位姿參數(shù)，建立回歸方程。駕駛?cè)说谝淮紊宪囌{(diào)整座位時，只需要在APP上輸入身高和體重參數(shù)，座椅會自動調(diào)整至模型最佳位置。由于不同駕車者調(diào)整后視鏡時，對后方觀察范圍差異較大，在本研究中只是對倒車后視鏡的位置進行記憶。

本研究使用吉利博越汽車的座椅進行測試，首先對其座椅在各參數(shù)進行測量。然后，通過不同身高體重的試驗者在座椅上調(diào)整好姿態(tài)后，對各項狀態(tài)參數(shù)進行再次測量。最后，使用線性回歸的方法，構(gòu)建“身高”與“座椅位置”的回歸方程，并使用此模型根據(jù)駕乘人的身高體重，對座椅的姿態(tài)進行調(diào)整。測試車輛的主駕座椅的前后行程為21.5 cm，上下行程為3 cm。

座椅前后位置模型：測試時選擇身高155、160、170、172、175、186 cm的6位測試者，體型為中等體型，其中155 cm和160 cm測試者均將座位移至最前端(即0 cm處)，因此選取其余5位測試者數(shù)據(jù)。詳細測量結(jié)果見表1。

使用回歸的方法擬合線性方程，結(jié)果為y = 0.4769x - 75.319(x>160)，其中R2= 0.9567。詳細結(jié)果見圖4。

表1 身高與座椅位置測量結(jié)果(cm)

圖4 身高與座椅位置的關(guān)系

當(dāng)駕乘者體型較胖時，根據(jù)其BMI指數(shù)對前后移動位置進行修正，BMI大于22 kg/m2，每增加一個單位，座椅位置向后移動4 mm。

由于座椅上下調(diào)整的范圍較小，只有3 cm，在測試中，初步將上下調(diào)節(jié)參數(shù)定位為身高≤160 cm，升高3 cm；身高>180 cm，升高0 cm；身高>160 cm并且身高≤170 cm，升高1 cm；身高>170 cm并且身高≤180 cm，升高2 cm。

在實際使用中，駕乘人員第一次使用該車輛時，系統(tǒng)通過手機APP獲知駕乘人員體態(tài)參數(shù)，通過上述駕乘裝備模型計算出座椅響應(yīng)位置，根據(jù)霍爾傳感器反饋的數(shù)據(jù)調(diào)整好座椅位置，當(dāng)駕乘者對位置微調(diào)后，存儲當(dāng)前位置，駕乘者下次再次使用該車輛時，系統(tǒng)可以直接將位置調(diào)整到位。當(dāng)用戶掛倒擋倒車時，通過CAN總線獲得車輛運行狀態(tài)信號，將后視鏡向下翻轉(zhuǎn)一個固定角度，方便用戶觀察車輛后方，倒車結(jié)束后，后視鏡自動翻轉(zhuǎn)回原來角度。

綜上所述，汽車的智能化和遠程控制是發(fā)展的必然趨勢。本研究通過構(gòu)建一個包含微控制器、無線傳輸模塊、車身通訊線路以及電機總成的汽車駕乘裝備個性化控制系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確完成預(yù)設(shè)的控制任務(wù)流程。