一種客車駕駛防干擾裝置設計

劉國兵 包夢涵 常兆瑞 顧芊芊

摘 要：為保障客車駕駛員的良好駕駛環(huán)境，防止乘客拉扯方向盤造成行車安全事故，設計了一種摩擦式客車駕駛防干擾裝置。本裝置采用高速攝像頭與LM1881圖像處理電路識別干擾源，采用角速度傳感器測量方向盤轉(zhuǎn)動角速度。中央處理模塊進行數(shù)值處理后，將其與數(shù)據(jù)庫中安全閾值進行對比，決定是否啟動摩擦鎖緊裝置與聯(lián)動制動系統(tǒng)，從而協(xié)助駕駛員控制方向并實現(xiàn)汽車減速，同時開啟危險警示燈，保障客車行車安全。

關(guān)鍵詞：客車;防干擾裝置;摩擦鎖緊裝置;聯(lián)動制動系統(tǒng)

中圖分類號：U436.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）01-0092-03

Abstract： In order to ensure a good driving environment for bus drivers and prevent passengers from pulling the steering wheel， a friction type anti-interference device for bus driving was designed. The device uses high-speed camera and LM1881 image processing circuit to identify the interference source， and uses the angular speed sensor to measure the steering wheel rotation angular speed. After numerical processing， the central processing module compares it with the safety threshold in the database to decide whether to start the friction locking device and the linkage braking system， so as to assist the driver to control the direction and realize the deceleration of the car， and at the same time， turn on the hazard warning light to ensure the driving safety of the bus.

Keywords： bus;anti-interference device;friction locking device;linkage brake system

目前，司機在駕駛客車過程中出現(xiàn)一些新的安全問題，例如，某些乘客因下站等問題與司機發(fā)生爭執(zhí)，出現(xiàn)了一些辱罵等不良行為，甚至惡意搶奪方向盤，造成行駛中的客車存在極大的安全隱患。如何應對這種極端的突發(fā)事件，成為各級公安部門和交通執(zhí)法員共同關(guān)注的熱點。

我國客運市場龐大，針對乘客拉扯方向盤造成安全隱患進行防范研究非常必要。但目前，國內(nèi)外針對此方面的研究比較罕見[1]。

針對上述問題，本文以金龍XMQ6119型客車為研究載體，設計出一種摩擦式汽車駕駛防干擾系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在客車駕駛員遇到非理性乘客拉扯搶奪方向盤時，鎖緊轉(zhuǎn)向柱、聯(lián)動制動系統(tǒng)，協(xié)助駕駛員控制方向，并開啟危險警示燈、實現(xiàn)減速停車，保障行車安全。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體框架

本裝置主要組成部件有電源模塊、89c51處理器、攝像頭、角速度傳感器、摩擦式鎖緊機構(gòu)、電磁閥、液壓缸等。裝置組成框架如圖1所示。

該系統(tǒng)綜合考慮了司機正常駕駛和乘員惡意干擾時方向盤的受力狀況，并進行了乘員干擾時的情景模擬，是結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和小組創(chuàng)新成果設計的。該裝置的基本工作原理為：通過圖像識別技術(shù)，預判干擾人員的存在，再結(jié)合壓力傳感器檢測轉(zhuǎn)向盤作用力，若超過閾值，判定有搶奪方向盤的行為。處理器判定干擾后，電磁閥動作，液壓缸帶動摩擦式鎖緊機構(gòu)、壓住轉(zhuǎn)向柱，兩者產(chǎn)生摩擦力，增加轉(zhuǎn)向阻力，從而穩(wěn)定汽車方向。與此同時，開啟危險警示燈，電磁閥動作，液壓缸帶動推桿，汽車制動系統(tǒng)協(xié)同動作，實現(xiàn)減速停車的功用[2]。

當速度傳感器檢測到速度為零后，處理器發(fā)出指令，操控電磁閥松開摩擦式鎖緊機構(gòu)，保證司機隨后的正常駕駛。

1.2 電源模塊設計

本裝置的電源由汽車蓄電池與交流發(fā)電機提供，電源電壓為24 V。采用LM2576降壓模塊將其降低為5 V，給中央處理模塊和各個傳感器供電。為防止電源電壓波動的影響，采用電容與傳感器并聯(lián)的電路，從而保障電路各設備的電壓穩(wěn)定。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要由GNOWBE高速攝像頭、LM1881圖像處理電路和QKJH-A型角速度傳感器組成。高速攝像頭、LM1881圖像處理電路主要用來監(jiān)測駕駛員右側(cè)固定區(qū)域有無乘員進入。高速攝像頭安裝在駕駛側(cè)的車頂棚上，拍攝區(qū)域為80 cm×80 cm的設定區(qū)域，并將測得的圖像送入LM1881圖像處理電路進行處理后，信號送入中央處理模塊。QKJH-A型角速度傳感器安裝在轉(zhuǎn)向軸管上，測量范圍是0°～359.9°，用于檢測轉(zhuǎn)向柱的角加速度，并將所測信號傳輸?shù)街醒胩幚砟K[3]。

1.4 中央處理模塊設計

系統(tǒng)所采用的中央處理模塊主要是89c51系列單片機，其是應用較廣泛的一種單片機，速度快，成本低，滿足本系統(tǒng)的需求。中央處理模塊實時接收I/O端口的圖像處理電路信號、角加速度、汽車車速等信號，經(jīng)過處理，預判有無干擾駕駛因素存在，并將結(jié)果預存在數(shù)據(jù)存儲單元。當圖像處理模塊判定有人員干擾駕駛員駕駛時，根據(jù)角加速度信號與程序設定的閾值對比，系統(tǒng)開始工作，執(zhí)行機構(gòu)開始動作，電磁閥帶動液壓機構(gòu)動作。首先，帶動推桿動作，聯(lián)動制動系統(tǒng)動作，汽車開始制動、減速;其次，帶動摩擦式鎖緊機構(gòu)動作，給轉(zhuǎn)向柱施加摩擦力矩，鎖緊方向盤，控制汽車突然轉(zhuǎn)向;最后，處理器發(fā)出指令，開啟汽車危險警示燈。當速度傳感器檢測到汽車行駛速度接近零或為零時，將信息傳遞給處理器，處理器接受后自動做出中斷該裝置的指令，保證司機隨后的正常駕駛。

1.5 執(zhí)行機構(gòu)設計

執(zhí)行機構(gòu)主要由電磁閥和液壓缸組成。中央處理器根據(jù)信號處理結(jié)果，評定有人干擾汽車正常駕駛動作時，電磁閥開始動作，帶動液壓缸工作。由液壓缸帶動摩擦式鎖緊機構(gòu)和推桿動作，一方面聯(lián)動汽車制動系統(tǒng)動作，實現(xiàn)汽車減速目的;另一方面，通過對轉(zhuǎn)向柱施加摩擦力矩，控制方向盤轉(zhuǎn)向動作，從而協(xié)助駕駛員控制汽車行駛方向，防止意外事故發(fā)生。

2 摩擦力矩計算與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角速度閾值的選定

《機動車運行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）中3.6條規(guī)定：機動車在平坦、硬實、干燥和清潔的水泥或瀝青路面上，以10 km/h的速度從直線行駛過渡到直徑為24 m的圓周行駛，其施加于方向盤外緣的最大圓周力不得大于245 N。

關(guān)于汽車的方向盤半徑及轉(zhuǎn)向軸半徑，國際上并沒有相關(guān)標準，但大多數(shù)汽車的方向盤半徑為19 cm左右，轉(zhuǎn)向軸半徑為2 cm左右。根據(jù)最大圓周力245 N，其干擾力作用在方向盤上的最大力矩為：

根據(jù)《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應試驗（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）》（GB/T 6323.2—1994），選定汽車方向盤轉(zhuǎn)動角速度閾值為20°/s。當系統(tǒng)檢測到有干擾源存在時，且方向盤轉(zhuǎn)動角速度大于閾值時，中央控制器啟動摩擦式鎖緊機構(gòu)，給轉(zhuǎn)向柱施加相應的摩擦力矩，阻礙方向盤非正常轉(zhuǎn)動。

3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。系統(tǒng)啟動后，首先要進行MCU初始化，初始化的內(nèi)容包括配置中斷及IO口的功能。然后進行干擾力接收的初始化，初始化的內(nèi)容包括配置工作寄存器、設置方向盤安全作用力范圍、司機正常駕駛和乘客惡意干擾對方向盤壓力的判別功能。初始化完成后，圖像處理模塊開始工作，檢測有無干擾源進入相應區(qū)域。當系統(tǒng)檢測到有干擾源存在后，對方向盤角加速度進行循環(huán)檢測，一旦檢測到有異常情況出現(xiàn)，自動判斷轉(zhuǎn)向角速度有無超出預設的安全范圍（20°/s）。若超出預設的安全范圍，則立即啟動方向盤的摩擦鎖止功能，并聯(lián)動汽車制動系統(tǒng)實現(xiàn)客車降速，同時觸發(fā)危險報警裝置。系統(tǒng)會持續(xù)檢測客車行駛速度和方向盤角速度，若車速下降至零，則結(jié)束方向盤鎖止，系統(tǒng)重新進入循環(huán)檢測模式，若車速不為零，則繼續(xù)執(zhí)行上述程序。如果未超出預設范圍，則系統(tǒng)不動作。

4 結(jié)語

為了解決客車駕駛干擾問題，本文設計了一種客車駕駛防干擾裝置，其通過圖像處理模塊識別干擾源的存在，通過監(jiān)測汽車車速與方向盤的轉(zhuǎn)動角速度，與方向盤轉(zhuǎn)動的閾值對比，適時啟動摩擦式鎖緊機構(gòu)與聯(lián)動汽車制動系統(tǒng)，開啟危險警示燈，降低汽車行駛速度，協(xié)助駕駛員控制行駛方向，從而保障行駛安全。

參考文獻：

[1]雷斌，曾偉.車輛產(chǎn)生仿真模型[J].計算機與數(shù)字工程，2005（10）：127-129.

[2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[3]劉勇，蔣世貴，王乾，等.一種防貨物撞傷運輸車設計[J].內(nèi)燃機與配件，2018（24）：163-165.