基于紅外感應的新能源汽車主動剎車控制系統

王偉偉，李京娜，陳婭君

（云南工商學院，云南昆明 651701）

新能源汽車包括混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車等。在當前環(huán)境污染與能源危機兩方面問題日益嚴峻的背景下，新能源汽車受到了人們的廣泛關注，并且越來越多的人開始購買這一類型汽車。當前，制約新能源汽車發(fā)展的主要因素包括車輛的電池儲存量過低、充電時間過長等[1]。在城市工況條件下，新能源汽車在行駛的過程中，有超過30%的能量被用于驅動車輛運行以及制動過程中的消耗。若能夠有效利用這部分能源，則可在極大程度上提升車輛整體經濟性能[2]。同時，當前交通運輸變得日益繁忙，疲勞駕駛、酒后駕車等都會造成安全事故，且這一類型事故頻繁發(fā)生。有效防止車輛的碰撞是實現自動剎車裝置經濟實用性的主要研究方向，同時也是亟待解決的問題。針對這一問題，相關領域研究人員開展了深入的探究，并嘗試研發(fā)出可實現汽車主動剎車控制的系統。但是目前，研發(fā)出的控制系統一方面不適用于新能源汽車，另一方面在實際應用中系統的靈敏度不高，產生的剎車信號距離范圍較小，無法為駕駛人員以及剎車裝置提供有利的響應時間等[3]。因此，針對上述問題，為了進一步提高新能源汽車運行安全性，本文嘗試引入紅外感應技術，開展對新能源汽車主動剎車控制系統設計研究。

1 系統硬件設計

為實現新能源汽車在行駛的過程中，對其剎車進行主動控制，本文引入紅外感應技術，控制系統硬件結構，如圖1所示。

結結合圖1可以看出，該剎車控制系統中包含新能源汽車本身自帶的速度表以及頻/伏轉換器、電壓比較器、穩(wěn)壓電源、紅外線發(fā)生器等裝置。系統中各個硬件連接后，分析汽車主動剎車控制的主要原理，具體為：新能源汽車在行駛的過程中，其速度可以通過電磁速度表顯示，該裝置發(fā)射一個頻率脈沖信號。若新能源汽車的行駛速度越快，相應頻率越高，反之，則相應頻率越低。將獲取到能夠表示汽車行駛速度的脈沖信號輸入到頻/伏轉換器中，并通過該裝置實現對信號的轉換[4]。當頻率足夠高時，此時電壓信號會觸發(fā)電壓比較器發(fā)生翻轉，并進一步觸發(fā)紅外線發(fā)射裝置，由該裝置發(fā)出脈沖調制紅外光。通過紅外光檢測汽車行駛時周圍是否存在障礙物，并實現對剎車控制裝置的主動控制，達到剎車效果。根據上述論述，本文主要針對剎車控制系統中的紅外線發(fā)射器、頻/伏轉換器進行選型設計說明。

圖1 基于紅外感應的剎車控制系統硬件結構

1.1 紅外線發(fā)射器選型

該系統選用TSAL6200型紅外線發(fā)射器，紅外線發(fā)射電路如圖2所示。該型號發(fā)射器的主要參數：最小輻射強度為40mW/sr；波長為940nm；電壓-正向（Vf）為1.35V；最小電源電壓為3V；最大電源電壓為6.5V；運行過程中的溫度為-40～85℃；視角為34°。TSAL6200型紅外線發(fā)射器電路工作原理：將頻/伏轉換器集成電路與該電路連接，汽車在行駛過程中車速頻率信號從15腳輸入，并在A1輸出端轉換為與輸入頻率成正比例關系的負向直流電壓。利用RW1實現對電壓幅值的調節(jié)，并將調節(jié)后的信號送入到電壓比較器中，將電壓數值與預置電壓數值進行對比[5]。當汽車行駛速度低于設定的閾值時，則A3輸出電壓，并經過R2輸入到比較器中，促使T1達到飽和并導通。在這一過程中，為確保TSAL6200型紅外線發(fā)射器的穩(wěn)定運行，將CW46890型三端式集成穩(wěn)壓電源與其進行連接，同時CW46890型穩(wěn)壓電源也可為整個連接電路提供靜態(tài)偏置電壓。這一電源裝置所需的電源由新能源汽車的電瓶提供。

1.2 頻/伏轉換器選型

選用SN74LVC2GU04DCKR型頻/伏轉換器，該頻/伏轉換器電路為2Circuit型電路；邏輯系列為74LVC；邏輯類型為Inverting；運行過程中電源電壓最大值為5.5V，最小值為1.65V；運行中的工作溫度最大值為+125℃，最小值為-45℃；采用SC70-6封裝結構，輸入的信號為CMOS或TTL類型。除此之外，SN74LVC2GU04DCKR型頻/伏轉換器運行中高電平輸出電流為32mA，低電平輸出電流為-32mA。各項運行參數均符合本文剎車控制系統對頻/伏轉換器提出的選型要求。

2 系統軟件設計

2.1 新能源汽車主動剎車控制指令的接收與發(fā)送

為實現對新能源汽車主動剎車控制，在進行模糊控制前，首先需要確定系統中控制指令的接收和發(fā)送方式。在新能源汽車行駛過程中，針對剎車裝置的參數變化，可通過RS485串口接收的方式獲得控制系統的控制請求，并通過單片機完成對各項程序的執(zhí)行中斷。接收數據包括穩(wěn)壓電源運行數據、電壓比較器比較結果數據、速度表顯示數據等。其中穩(wěn)壓電源運行中的電壓可通過公式（1）計算得出：

式中，U'為穩(wěn)壓電源運行電壓，δ為占空比，U為輸入電壓。公式（1）中，δ可通過導通時間T與開關時間t的比值得出，其表達式為：

通過單片機判斷傳輸的數據是否為接收數據，若是接收數據則進入相應處理機制當中，若不是接收數據，則該數據在傳輸過程中，數據傳輸串口不對其產生反應。當發(fā)出控制指令后，由剎車控制系統中的MCU結構判斷是否可以滿足請求包的需求，再針對寄存器的數量是否滿足預置要求進行判斷，若滿足則還需要對起始地址是否正常以及起始地址和寄存器數量是否正常進行判斷。在完成判斷后，對請求進行處理，并查看讀/寫多個寄存器是否處于正常運行的工作狀態(tài)。最后由剎車控制MCU發(fā)送正常響應的數據包，由SN74LVC2GU04DCKR型頻/伏轉換器負責接收，并將控制數據轉變?yōu)榭刂蒲b置能夠識別的控制指令。

在接收到主動控制的請求時，剎車控制主芯片先對其數據幀的地址進行解析，并判斷該幀是否為發(fā)送給主芯片的幀。若得出的判斷結果是數據幀地址正確，則對其功能碼進行解析處理，并能夠判斷功能碼是否正確。若正確則進入到數據接收模塊中，若不正確則自動跳過這一環(huán)節(jié)。再從數據幀當中去除掉最后CRC校驗的兩個字節(jié)，并對處理后的數據幀進行CRC16校驗。將檢驗得出的數值與標準CRC校驗數值進行對比，若數值相同，則說明檢驗正確，若數值不同，則說明檢驗錯誤。接收正確檢驗的數據幀，并將標志位flag設置為零，同時將產生的應答數據返回。若在上述過程中，出現數據幀存在地址錯誤或功能不正確等問題，則通過控制系統的控制器返回存在異常的代碼，并將標志位flag設置為1，同時控制系統自動中斷跳出串口，等待下一次請求中斷。據此，完成對主動剎車控制指令的接收和發(fā)送。

2.2 基于紅外感應的剎車角度模糊控制

在對新能源汽車進行主動剎車控制時，引入紅外感應技術，基于上述選擇的TSAL6200型紅外線發(fā)射器，通過對紅外線的接收和處理，對剎車角度進行模糊控制。紅外線發(fā)射器啟動后，通過紅外線接收電路完成接收，在信號放大電路中對其產生的信號進行處理，再進行檢波整形。通過紅外線接收二極管接收發(fā)射器發(fā)出的紅外脈沖信號，利用IC對紅外線信號放大，并在這一過程中完成對信號的濾波、計分檢波等操作，以此提供偏置電壓。根據得到的偏置數據，將剎車的制動分為緊急停車和定位停車兩種。在緊急停車時，通過主控制器傳遞紅外線信號，此時剎車控制器能夠快速做出反應，并下達相應的輸出控制信號，通過上述控制指令接收和發(fā)送的方式實現傳遞，并達到緊急停車效果。當進行定位停車時，需要對剎車的精度進行控制，通過主軸的轉速以及角度，對剎車角度的提前量進行計算，確保停車角的精度。針對緊急停車和定位停車兩種控制方式，需要明確剎車滯后時間、角速度以及剎車角度滑移之間的關系，見公式（3）。

式中，θ為剎車角的滑移角預測數值，t為剎車滯后時間，n為當前汽車主軸運動的角速度，U為汽車主軸轉速對調整角度產生的影響系數；θ0為需要調整的角度。根據公式（3）的計算，可以在發(fā)出控制指令時，將剎車滯后時間考慮到控制時間當中，確保對新能源汽車剎車控制的及時性，并實現對汽車剎車的主動控制。

3 對比實驗

選擇基于非線性干擾觀測器的剎車控制系統作為對照組，將本文提出的控制系統作為實驗組，將兩種控制系統應用到相同的運行環(huán)境當中，針對運行效果進行對比。選擇以某品牌兩臺新能源汽車作為實驗對象，其中一臺安裝實驗組控制系統，另一臺安裝對照組控制系統，兩臺汽車規(guī)格、運行性能等完全相同。圖2為安裝實驗組控制系統的汽車紅外線發(fā)射器發(fā)射光線示意圖。

圖2 實驗組汽車紅外發(fā)射器發(fā)射光線

在運行前，對兩組汽車進行調試，控制汽車在相同的轉速下，對比其剎車控制后停車時的角度精度，以此對控制系統的運行精度進行分析。在利用兩種控制系統對車輛的剎車進行控制時，規(guī)定汽車的標準停車角為300°，在這一標準下，共完成6次車輛停車操作，記錄剎車后車輛停車角的偏移量，見表1。

表1 實驗組與對照組車輛停車角偏移量對比

通常情況下，新能源汽車在完成剎車動作后，其實際停車角與標準停車角的偏差在±5°以內，都認為符合正常剎車的標準?；谶@一理論，結合表1中得到的實驗結果可以看出，實驗組控制系統的實際停車角與標準停車角之間產生的偏移量均在±5°以內，而對照組控制系統實際停車角與標準停車角之間產生的偏移量均超過了標準范圍。因此，通過上述得出的實驗結果能夠初步證明，本文提出的基于紅外感應的控制系統在實際應用中能夠實現對新能源汽車主動剎車的高精度控制，對于提高新能源汽車的行駛安全具有極高的現實意義。

為了進一步對兩種控制系統的靈敏度進行對比，選擇將剎車信號產生時與障礙物之間的距離范圍作為評價指標。二者之間的距離范圍越大，說明控制系統的靈敏度越高，越能夠及時給出剎車響應；反之，二者之間的距離范圍越小，則說明控制系統的靈敏度越低，越無法及時給出剎車響應。為此，針對兩臺新能源汽車，對其在遇到不同障礙物時的剎車信號距離范圍進行測量，結果見表2。

表2 實驗組與對照組控制系統靈敏度對比

從表2中得出的實驗結果可以看出，實驗中組剎車信號距離范圍均超過15m，并且不會隨著障礙物規(guī)格的變化而發(fā)生改變，始終保持在安全距離范圍內，而對照組剎車信號距離范圍最大為6.8m，最小僅為1.1m，且會受到障礙物規(guī)格的影響。障礙物越小，則剎車信號距離范圍越小，在對障礙物E進行剎車控制時，其距離范圍僅為1.1m。在實際情況下對障礙物以及汽車都會造成一定損害。因此，本文提出的基于紅外感應的控制系統在實際應用中具備更高的靈敏度。

綜合上述兩組實驗結果得出，本文提出的控制系統在控制精度和控制靈敏度上均更加理想，以實現更及時和有效的剎車控制，從而確保新能源汽車的安全行駛，保障駕駛人員的人身安全。

4 結束語

為了提升新能源汽車行駛過程中的安全性，針對當前剎車不及時、疲勞駕駛、酒后駕車等造成汽車相撞頻發(fā)的問題，引入紅外感應技術，提出了一種全新的剎車控制系統，并通過實驗的方式驗證了這一系統的應用優(yōu)勢，可以在較大程度上降低甚至避免汽車相撞的問題。