一種汽車轉(zhuǎn)向信號燈智能控制設想研究

周 萌

（鐵嶺師范高等?？茖W校，遼寧 鐵嶺 112008）

隨著社會的進步，人們的生活水平大幅度提高，汽車已走進千家萬戶。汽車轉(zhuǎn)向信號燈設計涉及車輛的有序通過和行人的安全[1]。但部分駕駛員由于熟練度、緊張等問題，在轉(zhuǎn)向時沒能及時提供轉(zhuǎn)向信號，給交通帶來安全隱患。為解決以上問題，本文對傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向信號控制系統(tǒng)進行改造，取消轉(zhuǎn)向開關，取而代之的是纏繞在方向盤兩側(cè)的柔性壓阻式傳感器，駕駛員不再需要抬手撥動轉(zhuǎn)向開關，只需單手在方向盤轉(zhuǎn)向側(cè)稍加用力緊握即可接通相應轉(zhuǎn)向電路，進一步降低駕駛員的勞動強度，使駕駛員對轉(zhuǎn)向燈的控制更加便捷。當駕駛員忘記對轉(zhuǎn)向燈進行操控時，該系統(tǒng)可利用方向盤上轉(zhuǎn)角傳感器自動識別出駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并根據(jù)輸出信號自動接通相應轉(zhuǎn)向電路，為其他車輛提供警示信號，保證車輛行駛安全。

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的握力傳感器采用柔性壓阻式傳感器，該傳感器具有體積小、成本低、工作穩(wěn)定性高等特點[2-3]，符合本設計設想要求。系統(tǒng)將柔性壓阻式傳感器均勻纏繞在方向盤的兩側(cè)。柔性壓阻傳感器利用串行方式將信號傳至控制單元，當控制單元接收到左側(cè)壓阻傳感器信號時，控制汽車左轉(zhuǎn)向控制電路接通，使左側(cè)轉(zhuǎn)向信號燈閃爍，當其接收到右側(cè)壓阻傳感器信號時，同理控制右側(cè)轉(zhuǎn)向信號燈閃爍。

當駕駛員因各種原因忘記對轉(zhuǎn)向信號燈進行控制時，控制單元可根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度辨識駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。駕駛員在對汽車進行轉(zhuǎn)向操作時，一般有以下三種情況：第一，駕駛員控制汽車進行轉(zhuǎn)彎，此種情況下，駕駛員需要對方向盤進行大幅度操作，其轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角度較大。第二，駕駛員控制汽車進行變線操作，此種情況下，方向盤轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動幅度較小，但變線過程中方向盤轉(zhuǎn)角會保持一段時間，以保證汽車完成邊線操作。第三，汽車直線行駛時，因路況等原因，為保持汽車直線行駛而對方向盤角度進行微調(diào)，此種情況下方向盤轉(zhuǎn)角變化不大，且保持時間極短。通過以上分析，本系統(tǒng)為方向盤轉(zhuǎn)角設定閾值α，當方向盤實際轉(zhuǎn)角α1＞閾值α，或?qū)嶋H轉(zhuǎn)角α1保持時長超過設置的閾值時長，控制單元將轉(zhuǎn)向電路接通，使轉(zhuǎn)向信號燈閃爍。

中央控制部分主要對來自信息采集部分的各傳感器信號進行分析處理。本系統(tǒng)選用的中央處理器為意大利的Arduino Mega。該處理器采用ATmega2560作為核心處理器，配備有54路數(shù)字輸入/輸出引腳、16路模擬輸入、4個UART（硬件串行接口）、一個16MHz集體振蕩器、一個USB接口、一個電源插座、一個ICSP接頭和一個復位按鈕。Arduino Mega工作電壓為5V，串口輸出電流為40mA，內(nèi)存空間為256kB，可實現(xiàn)6個外部中斷。Arduino可以使用現(xiàn)有的所有傳感器、開關和其他控制裝置?？梢钥刂聘黝愝敵鲅b置例如LED、伺服電機等。Arduino的IDE界面基于開放源代碼，可以免費下載使用，使用方便。

汽車上的電源一般為整車提供的電壓為12V或24V，選擇的中央處理器、AD芯片等元件所需要輸入電壓為3.3V或5V，因此需要將汽車電源的電壓轉(zhuǎn)換成符合中央處理器正常工作環(huán)境的電壓。優(yōu)秀的電源可以保證系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。根據(jù)需要，對電源的要求是應有穩(wěn)定的電壓及電流輸出和良好的散熱性能。通過以上描述，選用LM2596-ADJ可調(diào)電壓輸出的開關電壓調(diào)節(jié)器作為電源轉(zhuǎn)換電路的核心。該電壓調(diào)節(jié)器可以將4.75V～40V的輸入電壓調(diào)整為1.2V～37V的輸出電壓。輸出電流最高可達3A，采用150kHz的內(nèi)部震蕩器，具有過熱保護和限流保護功能，可實現(xiàn)外部斷電提高安全性。

電源轉(zhuǎn)換電路中電阻選型如下：

通過輸出電壓公式：

式中：參考電壓VREF=1.23V，輸出電壓VOUT=5V，R1的阻值選取可在240Ω至1.5kΩ中選擇。R1電阻選用精度為1%的金屬膜電阻，該電阻可降低溫度系數(shù)。該電阻的阻值選用R1=1kΩ。通過公式可以計算出R2電阻的阻值為3.07kΩ。

電源轉(zhuǎn)換電路中電感（L1）選型如下：

電感電壓與微秒計算公式有：

式中：VSAT為內(nèi)部開關飽和電壓，VSAT=1.16V。VD為二極管正向壓降，VD=0.5V。F為開關頻率為固定值，F(xiàn)=150kHz。VIN為輸入電壓，VIN=12V。通過公式3.5計算得到微秒常數(shù)為18.88μs。通過查表可得到電感值為68μH。

電源轉(zhuǎn)換電路中輸出電感（COUT）選型如下：

根據(jù)公式：

通過計算可知COUT≥469.4μF。輸出電感可在82μF～820μF間選擇。本課題選用475μF的低等效電解電容，該電容的穩(wěn)定性及使用效果最佳。

前饋電容（CFF）的選型：

當輸入高于10V時，需要加裝一個補償電容，該電容應在100pF～33nF間選擇。該電容由以下公式計算：

根據(jù)公式計算該電容可取3.3nF電容。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，該電容選擇云母電容。

吸納二極管（D1）的選型：D1二極管的最大承受電流能力要求為最大負載電流的1.3倍，反向耐壓應為最大輸出電壓的1.25倍。本課題選用的二極管為肖特基二極管，該二極管具有工作穩(wěn)定性好，效率高等特點，適合要求。

輸入電容（CIN）的選擇：在系統(tǒng)工作時，輸入端有可能會出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，為了防止該情況發(fā)生，要在輸入端及接地端之間加裝一個低等效電阻的鋁電解電容作為旁路電容。該電容的電流平方根應不低于負載電流的一半。該電容的耐壓值應為最大輸入電壓的1.5倍。由于選中央控制器最大驅(qū)動電流為50mA，因此輸入電容的電流至少應為5mA。因為中央控制器輸入電壓為5V，所以該電容的耐壓值應大于7.5V。

2 控制流程設計

為更加準確的辨識駕駛員對方向盤的操作意圖，本系統(tǒng)將駕駛員對方向盤的握力設定閾值F，當駕駛員對方向盤某一側(cè)的實際握力F1＞F時，系統(tǒng)判定駕駛員準備轉(zhuǎn)向，此時控制單元接通相應轉(zhuǎn)向信號燈控制電路，使轉(zhuǎn)向燈閃爍。駕駛員完成轉(zhuǎn)向后，方向盤回正，轉(zhuǎn)角為0，控制單元通過轉(zhuǎn)角傳感器輸出轉(zhuǎn)角為0信號來判斷方向盤已回正，此時，控制單元切斷轉(zhuǎn)向信號燈控制電路，轉(zhuǎn)向燈熄滅。如駕駛員正常直線行駛時，因?qū)Ρ鞠到y(tǒng)進行了誤操作，而點亮了轉(zhuǎn)向信號燈，此時，只需雙手同時握緊方向盤兩側(cè)，兩側(cè)柔性壓阻傳感器實際握力同時大于設置閾值時，控制單元將切斷轉(zhuǎn)向信號燈控制電路，使轉(zhuǎn)向燈熄滅。在轉(zhuǎn)向燈沒有接通情況下，方向盤兩側(cè)實際握力均大于設置閾值，兩側(cè)轉(zhuǎn)向燈將同時閃爍，激活危險警告功能，方向盤兩側(cè)同時緊握則關閉危險警告功能。這樣，在緊急情況下，駕駛員不需將手離開方向盤，依然可點亮危險警告燈，保證駕駛員的安全，避免交通事故的發(fā)生。

如控制單元沒有接收到大于握力閾值的握力信號，但方向盤實際轉(zhuǎn)角信號α1＞α，或α1保持時長t1≥閾值時長t，控制單元判定駕駛員正在實施轉(zhuǎn)向操作，根據(jù)轉(zhuǎn)角信號的輸出方向，自動接通相應轉(zhuǎn)向信號燈控制電路，使相應轉(zhuǎn)向燈閃爍。如駕駛員通過握力觸發(fā)轉(zhuǎn)向燈點亮，該設置將不啟動。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

對于駕駛員對方向盤的握力閾值應根據(jù)對不同性別、不同年齡、不同駕駛習慣的駕駛員進行大量實驗后，根據(jù)實驗結(jié)果綜合分析得出。如該閾值設置過大，部分駕駛員因力量較小，在緊握方向盤后將不會出發(fā)控制電路，導致無法提前點亮轉(zhuǎn)向信號燈。如該閾值設置過小，部分駕駛員因緊張、駕駛習慣等問題，系統(tǒng)將誤判駕駛員操作意圖，無故點亮轉(zhuǎn)向信號燈，對其他車輛產(chǎn)生誤導。方向盤實際轉(zhuǎn)角保持時間也要通過大量實驗得出，如其時間過短將出現(xiàn)系統(tǒng)誤判，過長將不能起到轉(zhuǎn)向提示作用。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)的設計構(gòu)想，主要通過纏繞在方向盤兩側(cè)的柔性壓阻傳感器感知駕駛員對方向盤的握緊力度，辨識駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖，并通過方向盤轉(zhuǎn)角傳感器幫助駕駛員自動接通轉(zhuǎn)向信號燈控制電路，為駕駛員因各種原因沒有對轉(zhuǎn)向信號控制系統(tǒng)進行操作的行為進行補救，除了夜間照明外，更重要的是對對其他行駛車輛和行人起到警示和提醒作用[4]，以此提高駕駛員的駕駛安全性，避免交通事故的發(fā)生。