大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目電車車身安全系統(tǒng)研究報(bào)告

1、 . . . 大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究報(bào)告題 目： 電車車身安全系統(tǒng)的研究 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 姓 名：指導(dǎo)教師：完成日期：大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2016年6月目 錄摘要- 3 -Abstract- 3 -第1章緒論- 3 -1.1 項(xiàng)目背景- 5 -1.2電車車身安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀- 5 -1.3電車車身安全系統(tǒng)工作原理- 3 -第2章電車車身安全系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)- 5 -2.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇- 3 -2.1.1模型車比例的選擇- 3 -2.1.2模型車的結(jié)構(gòu)配置- 5 -2.2本章小結(jié)- 3 -第3章系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)- 3 -3.1 控制流程的要求- 3 -3.2控

2、制算法流程圖- 3 -3.3控制算法分析- 3 -3.4本章小結(jié)- 3 -第4章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)- 3 -4.1 系統(tǒng)硬件選擇- 3 -4.1.1 MCU的選擇- 3 -4.1.2測(cè)距傳感器選擇- 3 -4.1.3測(cè)速傳感器選擇- 3 -4.1.4控制信號(hào)反饋電路設(shè)計(jì)- 3 -4.2 系統(tǒng)硬件電路圖- 3 -4.3本章小結(jié)- 3 -第5章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)- 3 -5.1 測(cè)距傳感器信號(hào)的讀取- 3 -5.2 測(cè)速傳感器信號(hào)的讀取- 3 -5.3 反饋控制信號(hào)的讀取- 3 -5.4 電機(jī)控制信號(hào)輸出- 3 -5.5 算法的軟件實(shí)現(xiàn)- 3 -5.6 本章小結(jié)- 3 -結(jié)論- 3 - 28 - /

3、28摘要本課題研究報(bào)告重點(diǎn)介紹了一種用于電動(dòng)汽車的輔助駕駛控制系統(tǒng)的研究流程，該輔助駕駛控制系統(tǒng)目的即在糾正駕駛者錯(cuò)誤，保證車身安全。輔助駕駛控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器測(cè)量車輛距離周圍各個(gè)方向障礙物的距離以與自身速度，并通過(guò)反饋回的駕駛控制信號(hào)讀取對(duì)應(yīng)駕駛者的操作狀態(tài)，最終通過(guò)一定算法解算出系統(tǒng)應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的干預(yù)控制量，進(jìn)而達(dá)到輔助控制的目的。AbstractThis research report focuses on a research process of auxiliary driving control system for electric vehicles, which ow

4、ns a purpose of correcting drivers errors and ensuringthe vehicle safety. It reads the drivers operating status relying on the distance from the obstacles around measured by the sensors and the velocity of itself, and eventually calculates the system response to the driving motor and turning motorto

5、 control the amount of intervention and achieve the purpose of control.第1章 緒論1.1 項(xiàng)目背景隨著社會(huì)進(jìn)步和人員移動(dòng)性增強(qiáng)，全球汽車需求量不斷增加，迄今世界上汽車數(shù)量保有量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的10億且持續(xù)大幅增加，基于傳統(tǒng)燃機(jī)的燃油汽車難以降低燃料消耗量和污染物的排放，因而新興的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車快速發(fā)展，已經(jīng)得到國(guó)外高度重視。隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，隨之而來(lái)的問(wèn)題就是如何解決汽車行駛安全，而維持汽車行駛安全的電子系統(tǒng)也在不斷更新和完善，傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)如車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（牽引力控制系統(tǒng) ESP），ESP除用到了AB

6、S和TCS的車輪速度傳感器和液壓調(diào)節(jié)器之外，還包含了一個(gè)集成有側(cè)向加速度傳感器的橫擺角速度傳感器和方向傳感器，這兩只傳感器主要負(fù)責(zé)測(cè)量汽車圍繞其縱軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和記錄駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖。這一系統(tǒng)主要是測(cè)量汽車自身的狀態(tài)與預(yù)測(cè)駕駛者的操作意圖，能達(dá)到提高汽車自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)安全性的目的，而其不足之處則是不能根據(jù)外部路況輔助控制車輛運(yùn)行。因此要彌補(bǔ)以上介紹的ESP系統(tǒng)的不足之處，就要在原有安全控制系統(tǒng)的功能基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新的功能，也即開(kāi)發(fā)出能通過(guò)車身傳感器測(cè)量的外部信息結(jié)合讀取到的駕駛者操作意圖的信息，進(jìn)而輔助控制車輛的安全系統(tǒng)，這就是本項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能。1.2 電車車身安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀現(xiàn)具備類似于上述安

7、全系統(tǒng)功能的車輛輔助控制系統(tǒng)的研究最早于日本開(kāi)展，日產(chǎn)汽車公司使用超聲波傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)出了防止車輛在距離障礙物過(guò)近時(shí)駕駛者誤踩油門的系統(tǒng)，該方案在車輛前后保險(xiǎn)杠處各安裝四個(gè)超聲波傳感器，能判別駕駛員在停車場(chǎng)等場(chǎng)合誤踩油門并強(qiáng)制剎車，保證汽車在與障礙物距離20cm可以停下來(lái)。防止因踩錯(cuò)剎車而造成事故的步驟分兩步實(shí)施。當(dāng)駕駛員要在停車場(chǎng)停車時(shí)，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來(lái)提示危險(xiǎn)，并響起警報(bào)聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時(shí)（距障礙物距離過(guò)?。?，則強(qiáng)制剎車。該技術(shù)預(yù)定在23年實(shí)用化。1.3 電車車身安全系統(tǒng)工作原理本項(xiàng)目作品是一種微控制器根據(jù)測(cè)距傳感器和

8、測(cè)速傳感器的數(shù)據(jù)，在危機(jī)情境下且駕駛者誤操作時(shí)干預(yù)人對(duì)電車驅(qū)動(dòng)電機(jī)以與轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制，能夠糾正駕駛者錯(cuò)誤操作的車身安全系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)輔助駕駛者控制車輛，達(dá)到提高行車安全系數(shù)的目的。該系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)包括八方向超聲波測(cè)距傳感器和霍爾測(cè)速傳感器以與主軸感應(yīng)磁鐵，反饋系統(tǒng)功能由微控制器測(cè)量駕駛者控制系統(tǒng)的兩路電機(jī)信號(hào)脈寬來(lái)實(shí)現(xiàn)（以本項(xiàng)目研究過(guò)程中使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件為研究對(duì)象）。在車輛運(yùn)行期間，測(cè)距傳感器測(cè)量對(duì)應(yīng)時(shí)刻車輛距離各個(gè)方向障礙物的距離，測(cè)速傳感器測(cè)量自身車速，同時(shí)反饋系統(tǒng)測(cè)得當(dāng)前的駕駛者控制各路電機(jī)的信號(hào)脈寬?？刂葡到y(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)角與其各路控制信號(hào)脈寬的關(guān)系，以當(dāng)前的

9、兩路信號(hào)脈寬值與其變化規(guī)律來(lái)判斷駕駛者當(dāng)前的操作狀態(tài)。同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的距離和車速數(shù)據(jù)，按照一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)評(píng)判駕駛者操作是否合理。而其中的算法優(yōu)劣決定著整車的安全性，算法的確定將是本項(xiàng)目的研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于當(dāng)前道路的多種路況，適用于中低車速的電動(dòng)汽車，能夠滿足中短距離的多方向避障的需求。第2章 電車車身安全系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇該系統(tǒng)的控制過(guò)程基于傳感器測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，控制對(duì)象為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)，受控結(jié)果前提需要保證車輛行駛的安全。而本研究項(xiàng)目為實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本項(xiàng)目選擇各項(xiàng)構(gòu)件與真車等比例縮小的RC遙控車作為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

10、選用RC遙控車作為系統(tǒng)的被控對(duì)象主要有以下幾點(diǎn)原因，第一，RC遙控車后輪安裝有差速器，滿足車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)需調(diào)整外驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差的要求；第二，RC遙控車整車動(dòng)力來(lái)源于無(wú)刷直流電機(jī)，這同現(xiàn)今的電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)，包含無(wú)刷直流電機(jī)）類型一樣，其控制方法類似，且該遙控車最高車速能接近實(shí)際車輛的時(shí)速。其次，RC遙控車使用舵機(jī)作為前輪轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向電機(jī)，因此能保證前輪轉(zhuǎn)向角度被精確控制，這與實(shí)際的電動(dòng)汽車對(duì)轉(zhuǎn)向功能的要求一樣。因此最終選擇RC遙控車作為模型車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2.1.1模型車比例的選擇在模型車電機(jī)和基本結(jié)構(gòu)確定的前提下，為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，模型車與真車的比例的確定也成為保證本項(xiàng)目研究

11、質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。由現(xiàn)有電動(dòng)汽車的長(zhǎng)寬分別為4.5m和1.5m，實(shí)際車輛行駛時(shí)其左右兩側(cè)的障礙物距車身邊緣的安全距離為30cm,而模型車行駛時(shí)其兩側(cè)邊與障礙物的安全距離可以小至2cm。按照模型車與實(shí)際車輛的距障礙物安全距離的比例來(lái)確定模型車的比例，也即模型車與實(shí)際車輛的車身比例約為1：15，并由實(shí)際車輛的大約長(zhǎng)寬尺寸可估算出模型車的實(shí)際尺寸，也即30cm和10cm?，F(xiàn)有的RC遙控車比例分別有1：8，1：10，1：16和1：18，按照約1：15的尺寸比例，我們?cè)诟飨盗械腞C遙控車中選擇接近該比例的車型，在保證價(jià)格合理的情況下我們選擇與預(yù)期車型比例最接近的1：16。該模型車車架如圖2-1所示，其中

12、不含驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向電機(jī)以與驅(qū)動(dòng)電路。圖2-1.模型車車架2.1.2模型車的結(jié)構(gòu)配置模型車搭載直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作前后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，舵機(jī)作為前輪轉(zhuǎn)向架驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，后輪安裝差速器且車輪采用獨(dú)立懸掛系統(tǒng)。無(wú)刷電機(jī)按照能夠與模型車架尺寸配合的原則，選用型號(hào)為2440的電機(jī)，選擇可輸入PWM數(shù)字信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器為無(wú)刷電機(jī)調(diào)速，即無(wú)刷電調(diào)，圖2-2所示。無(wú)刷電調(diào)供電電壓為7.4-14.8V，可由外部電源供電，且該電調(diào)可由BEC電壓端輸出5V電壓（最大供電電流2A），此5V電壓可為整車的系統(tǒng)供電。 圖2-2.無(wú)刷電機(jī)和電調(diào) 圖2-3.模型車舵機(jī)轉(zhuǎn)向電機(jī)采用4.3g舵機(jī)，扭力足夠克服整車重量下產(chǎn)生的與地面間的摩擦力。其供

13、電電壓為4.0-5.5V，可由電調(diào)的BEC電源供電。車架所用舵機(jī)見(jiàn)圖2-3。模型車架每個(gè)車輪都配有獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。獨(dú)立懸掛系統(tǒng)核心部件為彈簧和萬(wàn)向聯(lián)軸器，各個(gè)車輪都有獨(dú)立的車輪軸，每對(duì)車輪采用萬(wàn)向聯(lián)軸器連接，車輪可獨(dú)立上下擺動(dòng)，彈簧的作用即減小行駛過(guò)程中由這種隨機(jī)擺動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)。圖2-4.車輪獨(dú)立懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2本章小結(jié)本章主要從電車車身安全系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇，以與其車身結(jié)構(gòu)配置和電機(jī)的參數(shù)與選擇兩大方面對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的電路系統(tǒng)的搭建與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了鋪墊。第3章 系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)3.1 控制流程的要求安全系統(tǒng)對(duì)車輛輔助控制的基本原則

14、為在車速一定的情況下，當(dāng)距障礙物的距離小于一定值且檢測(cè)到駕駛者未能降速或轉(zhuǎn)向時(shí)，才能觸發(fā)安全系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制，即優(yōu)先強(qiáng)制減速，必要時(shí)再干預(yù)駕駛者對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向操作。同時(shí)，反饋測(cè)量系統(tǒng)要對(duì)駕駛者控制系統(tǒng)產(chǎn)生的兩路電機(jī)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和并返回給控制系統(tǒng)處理。作為對(duì)預(yù)期功能的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目在系統(tǒng)控制流程中使用了一組預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)3.2節(jié)流程圖。3.2 控制算法流程圖在系統(tǒng)的算法流程圖中，我們通過(guò)對(duì)車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制信號(hào)的脈寬與車輛轉(zhuǎn)速和前輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系的研究，最終確定出根據(jù)信號(hào)脈寬值判斷出參考車速和前輪轉(zhuǎn)向狀態(tài)的方法，進(jìn)而對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了劃分。按照車身前后運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)分為前進(jìn)（G

15、）和后退（B），并對(duì)每種方向細(xì)分為直行（GST）和轉(zhuǎn)彎（GTN），又將轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分為左轉(zhuǎn)（LT）和右轉(zhuǎn)（RT）。流程圖中使用了英文字符或與數(shù)字的組合來(lái)表示流程圖對(duì)車輛狀態(tài)的劃分和傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，其具體含義與作用如下：PWW和PWD分別為反饋測(cè)量系統(tǒng)對(duì)駕駛者控制電路產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制信號(hào)的脈寬，用于作為判斷車輛運(yùn)行狀態(tài)的參考。d1,d2,d3,d4,d5,d6,d7,d8為傳感器系統(tǒng)測(cè)得的八方向障礙物的距離值，本項(xiàng)目規(guī)定其單位為cm，1-8號(hào)超聲波測(cè)距傳感器在模型車車身安裝狀態(tài)為由前向傳感器開(kāi)始，按照順時(shí)針?lè)较蚺挪紓鞲衅鞯奈恢?。LE和RE分別表示車身左邊和右邊障礙物距離過(guò)小的標(biāo)志。EK

16、EY_W和EKEY_D分別表示控制系統(tǒng)通過(guò)兩路繼電器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制信號(hào)的切換信號(hào)，其值為0也即繼電器啟動(dòng)，由常閉狀態(tài)（常閉狀態(tài)即默認(rèn)狀態(tài)，為駕駛者控制系統(tǒng)的信號(hào)直達(dá)兩路電機(jī)）切換到常開(kāi)狀態(tài)，即兩路電機(jī)控制信號(hào)將來(lái)自控制系統(tǒng)，車輛將由控制系統(tǒng)輔助控制。MPWM1和MPWM4表示當(dāng)車身安全系統(tǒng)的控制系統(tǒng)取代駕駛者的控制操作后，分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)產(chǎn)生的控制信號(hào)的脈寬，該脈寬值與PWW和PWD同樣具有作為車輛運(yùn)行狀態(tài)參考標(biāo)識(shí)的效力。在流程圖中，MPWM1和MPWM4常常同EKEY_W和EKEY_D一起出現(xiàn)，作為對(duì)車輛輔助控制的一對(duì)操作。在整個(gè)流程中，v為霍爾傳感器測(cè)得的車身速度，單位為

17、m/s。圖3-1.流程圖開(kāi)始系統(tǒng)啟動(dòng)后，程序會(huì)根據(jù)實(shí)際測(cè)得的電機(jī)控制信號(hào)脈寬與其運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系對(duì)反饋控制信號(hào)脈寬值判斷，首先判斷車身直行的狀態(tài)，若PWW（單位：us）大于1335，則車輛處于前進(jìn)狀態(tài)，否則視為后退狀態(tài)。其次，再判斷車輛處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)還是處于直行狀態(tài)，若PWD處于1022與1386之間則車輛處于直行狀態(tài)，否則處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài)。實(shí)際上，流程和軟件的設(shè)計(jì)中考慮到駕駛者控制車輛微轉(zhuǎn)向的情況，我們將此類情況視為車輛直行，為此給PWD設(shè)置一個(gè)跳動(dòng)圍（1022，1386），若超出此圍，則判斷車輛正在轉(zhuǎn)向。該部分流程圖見(jiàn)圖3-1。下面將以車輛后退狀態(tài)的算法流程為例，對(duì)其中具體的判斷和決策方法進(jìn)行解釋

18、，具體的算法執(zhí)行程序見(jiàn)5.5節(jié)算法的軟件實(shí)現(xiàn)。圖3-2.后退直行流程圖3-3.后退轉(zhuǎn)彎流程3.3 控制算法分析沿著圖3-1的流程，當(dāng)判斷出車輛處于后退直行狀態(tài)時(shí)，如圖3-2，接著判斷車身是否處于微轉(zhuǎn)向狀態(tài)，即判斷PWD是否處于區(qū)間（1022，1265），若是則車身正向左微轉(zhuǎn)向，否則為向右微轉(zhuǎn)向。微轉(zhuǎn)向狀態(tài)下要保證車身安全，就要在車身向左（右）微轉(zhuǎn)向時(shí)判斷車身距左（右）側(cè)障礙物距離大小是否小于設(shè)定的安全距離，因此，在向右微轉(zhuǎn)向狀態(tài)下，要判斷車身3號(hào)傳感器測(cè)得的距離d3（單位：cm）是否小于5（安全距離），若是則安全系統(tǒng)啟動(dòng)干涉操作，即通過(guò)將EKEY_W置零來(lái)切換無(wú)刷電機(jī)的控制信號(hào)，接著MCU便將

19、其輸出的無(wú)刷電機(jī)控制信號(hào)脈寬相對(duì)于上一刻的PWW減小50（us），也就是執(zhí)行了直行減速的操作。如此，若d3仍小于5，則仍執(zhí)行該減速操作，直至檢測(cè)到駕駛者產(chǎn)生的控制信號(hào)有減小這種危害的趨勢(shì)時(shí)，才將駕駛權(quán)交給駕駛者。另一方面，為消除直行方向上障礙物可能產(chǎn)生的威脅，就要判斷車速與直行方向上車輛與障礙物距離的比值是否大于某一安全系數(shù)。因此，該部分流程中要判斷v/d5是否大于0.1（安全系數(shù)），若是則表明車身較危險(xiǎn)，安全系統(tǒng)應(yīng)輔助操作，MCU將啟動(dòng)無(wú)刷電機(jī)信號(hào)繼電器，接著將其產(chǎn)生的無(wú)刷電機(jī)控制信號(hào)脈寬相對(duì)于上一刻的PWW減小一個(gè)與d5成反比的數(shù)值，作為一次減速的程度。若MCU在執(zhí)行過(guò)程中檢測(cè)到駕駛者產(chǎn)生

20、的控制信號(hào)有減小這種危害的趨勢(shì)，則將駕駛權(quán)交給駕駛者，即將EKEY_W置為1（常閉狀態(tài)）。若MCU未檢測(cè)到駕駛者產(chǎn)生的控制信號(hào)有減小這種危害的趨勢(shì)，則在每個(gè)流程執(zhí)行周期都將執(zhí)行該部分的減速程序，直至不滿足v/d5>0.1這一條件，也即車速已降低到安全速度。當(dāng)車輛處于后退轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)，一方面要測(cè)量PWD是否處于區(qū)間（1386，1630），即判斷車輛是否正在右轉(zhuǎn)，若是則判斷d3是否小于5，即判斷車身右側(cè)與障礙物之間的距離是否小于安全距離；若不是則判斷d7是否小于5，即判斷車身左側(cè)與障礙物之間的距離是否小于安全距離。若d3小于安全距離，MCU將啟動(dòng)無(wú)刷電機(jī)信號(hào)切換繼電器，并將輸出的MPWM1相對(duì)

21、于PWW減小一定值，若此條件成立，將不斷執(zhí)行該部分減速操作。若d7小于安全距離，MCU則執(zhí)行上述一樣的操作。另一方面，系統(tǒng)同樣要判斷車速v與d5的比值是否小于安全系數(shù)，若是則將無(wú)刷電機(jī)控制信號(hào)切換到MCU控制器，然后將其產(chǎn)生的控制信號(hào)脈寬相對(duì)于上一刻的PWW減小一個(gè)與d5成反比的數(shù)值，即此刻d5值越小則車身更危險(xiǎn)，減速的幅度應(yīng)更大。至此，本項(xiàng)目已完成對(duì)車身處于后退狀態(tài)下的控制算法流程的分析，流程圖見(jiàn)圖3-2和圖3-3，后面將根據(jù)算法流程來(lái)編程。3.4 本章小結(jié)本章經(jīng)過(guò)對(duì)車身安全系統(tǒng)的控制流程的基本原則的解釋，進(jìn)一步引入了控制算法的流程，并對(duì)其中的簡(jiǎn)寫(xiě)標(biāo)志的含義進(jìn)行了解釋。經(jīng)過(guò)對(duì)控制算法流程圖的

22、分析，我們清楚了流程中算法對(duì)數(shù)據(jù)流的處理過(guò)程，但是流程中算法的結(jié)構(gòu)仍不夠完善，其中的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能仍需經(jīng)過(guò)實(shí)際情況的檢驗(yàn)和糾正，才能滿足對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際要求。第4章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)硬件選擇經(jīng)過(guò)上述研究過(guò)程的分析，我們可最初確定出車身安全系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件的組成，即至少要包含微型計(jì)算機(jī)（MCU），測(cè)距傳感器，測(cè)速傳感器和兩路繼電器模塊，以與其他必要的組成元件。下面將介紹本項(xiàng)研究對(duì)主要組成元件和傳感器的選擇和實(shí)現(xiàn)特定功能的電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，主要是控制系統(tǒng)的MCU型號(hào)的選擇，測(cè)距傳感器和測(cè)速傳感器的選擇，以與駕駛者控制系統(tǒng)的兩路電機(jī)控制型號(hào)脈寬測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。4.1.1 MCU的選擇控制

23、系統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)的性能和速度應(yīng)該滿足功能要求，即MCU要能盡可能快速地讀取測(cè)距傳感器和測(cè)速傳感器的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)共包括九個(gè)傳感器，要能讀取所有傳感器的數(shù)據(jù)，則MCU需要一次捕獲9路PWM脈寬。同時(shí)，控制信號(hào)反饋電路要讀取到駕駛者控制系統(tǒng)產(chǎn)生的兩路電機(jī)PWM信號(hào)，也需要測(cè)量這兩路PWM信號(hào)的脈寬，因此一次測(cè)量周期需要測(cè)量11路信號(hào)。如果觸發(fā)輔助控制機(jī)制，則控制系統(tǒng)還需要產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)。因此要根據(jù)這些具體的性能需求來(lái)選擇MCU。當(dāng)今常用的高性能微型處理器主要有STC增強(qiáng)型單片機(jī)（STC15W系列），AVR單片機(jī)（Xmega AVR）以與ARM系列的stm32單片機(jī)（M3系列）。下面將通過(guò)

24、片有效資源的對(duì)比分析來(lái)選擇適合本項(xiàng)目的MCU。STC系列單片機(jī)以STC15W4K32S4型號(hào)為例，該型號(hào)單片機(jī)含5各16位定時(shí)器，因此可片輸出5路PWM信號(hào)，含3各PCA比較/捕獲寄存器，因此可捕獲3路外部PWM信號(hào)，顯然，該型號(hào)單片機(jī)不滿足一次捕獲9路PWM脈寬的需求。Xmega系列AVR最多輸出4路PWM信號(hào)，即OC0和OC2兩路8位的PWM分別由定時(shí)器0和定時(shí)器2控制輸出，OC1A和OC1B  兩路16位的PWM由定時(shí)器1控制輸出。當(dāng)被用于對(duì)外部PWM信號(hào)脈寬計(jì)數(shù)時(shí)，每路信號(hào)要占用一個(gè)定時(shí)器，則不能滿足對(duì)高達(dá)11路信號(hào)脈寬計(jì)數(shù)的要求。以stm32單片機(jī)中的f103系列

25、的型號(hào)為例，其中的stm32f103zet6擁有8個(gè)16位定時(shí)器，其中有6個(gè)定時(shí)器每一個(gè)可同時(shí)輸出最多4路PWM信號(hào)，或輪流捕獲4路PWM信號(hào)，顯然滿足本項(xiàng)目功能需求。而該型號(hào)單片機(jī)配置較高，片資源利用率低且成本較高，而同系列的stm32f103c8t6芯片可用的定時(shí)器為TIM1-4，也可滿足項(xiàng)目需求，例如可用其中的3個(gè)定時(shí)器對(duì)11路PWM脈寬計(jì)數(shù)，剩余的一個(gè)輸出兩路電機(jī)的控制信號(hào)。將常用單片機(jī)片有效資源與功能需求對(duì)比，最終選擇stm32f103c8t6單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片。4.1.2 測(cè)距傳感器的選擇以模型車為平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要測(cè)距傳感器能對(duì)車身某方向障礙物全面探測(cè)，且最低測(cè)距能力要達(dá)到

26、5米左右。而考慮到實(shí)際汽車車身尺寸，慣性和剎車能力等方面的問(wèn)題，應(yīng)用于實(shí)際車身安全系統(tǒng)的測(cè)距傳感器測(cè)距能力更要達(dá)到車速（m/s）的1.5倍，以電動(dòng)汽車最高車速為30m/s為例，車身前端測(cè)距傳感器要能探測(cè)到45米圍的障礙物。測(cè)距傳感器按照原理有激光測(cè)距傳感器，紅外傳感器，超聲波測(cè)距傳感器等。下面根據(jù)各種測(cè)距傳感器的功能適用性，輸出信號(hào)類型以與成本等方面展開(kāi)對(duì)比分析，以確定出最合適本項(xiàng)目系統(tǒng)的測(cè)距傳感器。激光測(cè)距傳感器以LDM301型號(hào)為例，測(cè)量距離圍0.5-300米，誤差為20毫米，但是激光傳感器對(duì)微處理器的計(jì)數(shù)頻率要求很高，且造價(jià)昂貴，只能實(shí)現(xiàn)單線程測(cè)距，不能滿足本項(xiàng)目車身安全系統(tǒng)對(duì)車身某方向

27、障礙物全面探測(cè)的要求。以日本SHARP公司的GP2D12的紅外距離傳感器為例，該型號(hào)紅外測(cè)距傳感器測(cè)距圍為10-80厘米，且紅外傳感器測(cè)距圍都很有限，且紅外測(cè)距傳感器同樣對(duì)微處理器的計(jì)數(shù)頻率要求很高，不能滿足項(xiàng)目要求。超聲波傳感器發(fā)射探頭輻射圍大，可以滿足對(duì)車身某方向障礙物全面探測(cè)的要求，以小功率的超聲波測(cè)距模塊HC-SR04 為例，其發(fā)射探頭發(fā)射超聲波的聲波開(kāi)闊角可達(dá)30度，示意圖見(jiàn)圖4-1，該模塊可探測(cè)距離為450cm，探測(cè)距離與模塊的供電電壓有關(guān)。作為小功率的超聲波探測(cè)模塊，其性能滿足本項(xiàng)目系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要求。且該模塊供電電壓為3.3-5V，輸入輸出接口為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字脈沖信號(hào)，故該信

28、號(hào)與系統(tǒng)電路的電平兼容。因此，本項(xiàng)目中超聲波測(cè)距傳感器選擇該超聲波測(cè)距模塊。圖4-1.超聲波輻射圍超聲波測(cè)距原理即通過(guò)微處理器的定時(shí)器對(duì)超聲波在傳感器與障礙物之間的空間傳播的時(shí)間精心測(cè)量，便可根據(jù)聲速計(jì)算出傳感器與障礙物間的距離。本項(xiàng)目所用的超聲波測(cè)距模塊控制方式簡(jiǎn)單，輸入輸出引腳分別為TRIG和ECHO，直接與MCU的IO管腳連接，見(jiàn)圖4-2。準(zhǔn)備測(cè)距時(shí)，由MCU給TRIG端輸出一個(gè)約20us寬度的脈沖，ECHO引腳電平由默認(rèn)的低電平跳變?yōu)楦唠娖?，?dāng)接收探頭檢測(cè)到超聲波時(shí)，ECHO端變?yōu)榈碗娖?，在此過(guò)程中，MCU的定時(shí)器要對(duì)ECHO端高電平時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，該時(shí)間即為超聲波在傳感器與障礙物之間的

29、空間傳播的時(shí)間，最終可測(cè)出該次距離值。圖4-2.超聲波測(cè)距模塊4.1.3 測(cè)速傳感器的選擇本系統(tǒng)所用測(cè)速傳感器模塊應(yīng)能安裝于模型車身上，測(cè)量對(duì)后輪主軸的轉(zhuǎn)速，因此要求測(cè)速傳感器模塊體積較小，且其整體的部件不能干涉轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。常用測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器主要有光電編碼盤測(cè)速模塊，磁電式傳感器和霍爾測(cè)速傳感器，下面是各類傳感器的原理以與相對(duì)于模型車車身系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并確定出適用于模型車車身系統(tǒng)的傳感器類型以與其安裝方法。光電編碼測(cè)速模塊常用于對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量分辨率較高或被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合，其工作正常工作需要附加一片刻有均勻柵格孔的碼盤，該碼盤需要安裝于被測(cè)轉(zhuǎn)軸上。光電編碼測(cè)速模塊含有一副光電對(duì)管，碼盤需要放入

30、兩對(duì)管中間的位置，當(dāng)碼盤上的柵格孔轉(zhuǎn)到光電對(duì)管光線通道的位置時(shí)，接受管便能接收到信號(hào)，該模塊輸出引腳OUT端輸出低電平，否則輸出高電平。MCU的IO端口接至模塊的OUT端，即可對(duì)相鄰兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間計(jì)時(shí)，該次測(cè)量時(shí)間t (單位：s)即為碼盤轉(zhuǎn)過(guò)相鄰兩柵格孔之間角度的時(shí)間, 則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為2*/N/t（單位：rad/s）。圖4-3.光電編碼測(cè)速模塊磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出。這一功能需要測(cè)速發(fā)電機(jī)（磁電式傳感器）連接轉(zhuǎn)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)，它直接將被測(cè)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，工作不需要外加電源，是一種典型的有源傳感器。測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)兩端電壓即與轉(zhuǎn)速成正比，實(shí)

31、際安裝時(shí)需要傳動(dòng)元件如帶輪或齒輪將車輪轉(zhuǎn)軸動(dòng)力引出，因此車輪轉(zhuǎn)軸需要安裝傳動(dòng)元件，這將需要模型車后輪軸處能提供足夠空間，并需要為測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)提供安裝位置，且整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此該方案不宜選擇。霍爾測(cè)速傳感器模塊是基于霍爾元件通電后在磁場(chǎng)中兩側(cè)邊會(huì)有電壓差的原理而設(shè)計(jì)的，以圖4-4圖示的霍爾測(cè)速傳感器模塊為例，其設(shè)有兩個(gè)輸出信號(hào)端DO和AO，分別為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)輸出端，且模塊供電電壓為3.3-5V，同樣與系統(tǒng)電路的電平兼容。正常工作時(shí)要將磁鐵片安裝于后輪轉(zhuǎn)軸或車輪，以便為霍爾元件提供信號(hào)。該傳感器與光電編碼測(cè)速傳感器相比，將轉(zhuǎn)速調(diào)制為電路可測(cè)量信號(hào)的方式簡(jiǎn)單，所占空間小，且磁鐵安裝位置易于確定

32、。因此本系統(tǒng)優(yōu)先選用該類型測(cè)速傳感器。圖4-4.霍爾測(cè)速傳感器模塊4.1.4 控制信號(hào)反饋電路設(shè)計(jì)圖4-5.控制信號(hào)反饋電路車身安全系統(tǒng)的控制系統(tǒng)要獲取駕駛者控制系統(tǒng)產(chǎn)生的兩路電機(jī)信號(hào)，就需要將這兩路信號(hào)引回控制系統(tǒng)的MCU的輸入捕獲引腳。盡管這兩路電機(jī)控制信號(hào)為與控制系統(tǒng)電平兼容的PWM信號(hào)，但是卻不能直接輸入給MCU管腳，因?yàn)檫@兩路信號(hào)同時(shí)是與無(wú)刷電調(diào)的信號(hào)輸入端和舵機(jī)信號(hào)輸入端相連的，而電機(jī)在接受信號(hào)控制而運(yùn)行時(shí)其驅(qū)動(dòng)電路會(huì)在信號(hào)線上隨機(jī)產(chǎn)生瞬間的高壓波動(dòng)，這瞬間的高壓來(lái)源于電機(jī)線圈斷電瞬間的自感效應(yīng)。因此，為避免這種隨機(jī)的高壓信號(hào)被引入MCU，就需要為該部分電路提供保護(hù)措施，也即添加隔

33、離元件，例如三極管或光耦。另一方面，在MCU輸出控制信號(hào)控制電機(jī)時(shí)，也不能直接將該信號(hào)直接加在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線上，同樣需要附加隔離電路。以光耦作為信號(hào)隔離元件為例，本系統(tǒng)將光耦隔離電路設(shè)計(jì)為輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，光耦隔離電路見(jiàn)圖4-5。圖中左側(cè)上部的接收機(jī)信號(hào)電源引入端口是將駕駛者控制電路產(chǎn)生的兩路電機(jī)信號(hào)和電源引入安全系統(tǒng)的電路，這兩路電機(jī)控制信號(hào)為XW與XD，通過(guò)光耦隔離電路輸出同相的PWM信號(hào)，輸出信號(hào)端與MCU的TIM3CH1和CH2輸入捕獲引腳相連。4.2 系統(tǒng)硬件電路圖系統(tǒng)的硬件電路的整體結(jié)構(gòu)以與組成將根據(jù)對(duì)功能的要求來(lái)確定，首先引入系統(tǒng)硬件框圖，便于從整體上理解各部分硬件結(jié)構(gòu)

34、的作用，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4-6。圖4-6.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖車身安全系統(tǒng)是在原有的駕駛者控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，以接收機(jī)的兩路電機(jī)信號(hào)作為輸入，經(jīng)過(guò)安全系統(tǒng)的電路和程序處理，作為輸出信號(hào)控制電機(jī)，系統(tǒng)硬件電路圖見(jiàn)圖4-7。系統(tǒng)電路圖中不包含超聲波傳感器模塊和霍爾傳感器模塊的電路，而用P1和P2兩個(gè)輸出接口作為系統(tǒng)電路與傳感器電路信息交換的接口。兩路繼電器為EKEY1和EKEY2，NC和NO引腳為常閉和常開(kāi)端，分別在繼電器斷開(kāi)和接通時(shí)與COM端連接。其中，兩繼電器NC端分別與來(lái)自駕駛者控制電路的兩路電機(jī)信號(hào)相連，COM端分別與最終需要控制的兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線相連，NO端則分別

35、與MCU產(chǎn)生的兩路電機(jī)控制信號(hào)引腳連接。兩繼電器的COM端則在P4端口引出，該端口作為兩電機(jī)信號(hào)源輸入端的接口。圖4-7.系統(tǒng)硬件電路圖4.3 本章小結(jié)本章主要以整體功能的要求為基礎(chǔ)來(lái)確定電路的硬件，首先根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)處理的需求選擇合適的MCU，對(duì)同類中各種傳感器的適用性能進(jìn)行比較，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的條件合理選擇傳感器類型。最后對(duì)系統(tǒng)的控制信號(hào)反饋電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖分析了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 測(cè)距傳感器信號(hào)的讀取在一個(gè)測(cè)距周期，控制系統(tǒng)要完成對(duì)八個(gè)超聲波測(cè)距傳感器ECHO端高電平時(shí)間的計(jì)數(shù)，stm32單片機(jī)每個(gè)通用定時(shí)器可通過(guò)對(duì)應(yīng)四個(gè)輸

36、入捕獲引腳對(duì)四路信號(hào)脈寬計(jì)時(shí)，因此需要使用兩個(gè)通用定時(shí)器對(duì)八路信號(hào)捕獲。我們按照傳感器探測(cè)障礙物的方向?qū)寺穫鞲衅鞣譃閮山M，一組為直向安裝方向，編號(hào)分別為1，3，5，7，另一組為斜向安裝方向，編號(hào)分別為2，4，6，8。要用一個(gè)定時(shí)器對(duì)四路信號(hào)脈寬計(jì)時(shí)，考慮到四個(gè)傳感器工作不同步，即輸出脈寬起始點(diǎn)不在同一時(shí)刻，就必須要輪流對(duì)脈寬計(jì)時(shí)。以讀取1，3，5，7號(hào)傳感器數(shù)據(jù)為例，要讀取數(shù)據(jù)就要先觸發(fā)傳感器，這四路傳感器都要經(jīng)過(guò)觸發(fā)和接收信號(hào)才算完成一個(gè)方向的測(cè)距。為此，程序中定義一個(gè)標(biāo)志變量flag，初始值為1，表示系統(tǒng)初始化后先啟動(dòng)1號(hào)傳感器，啟動(dòng)程序如圖5-1。接著MCU輸入捕獲上升沿中斷被觸發(fā)并對(duì)

37、脈寬計(jì)時(shí)，捕獲結(jié)束后將執(zhí)行圖5-3所示的程序，該段程序包含距離計(jì)算和狀態(tài)標(biāo)志位清零以與flag賦值的操作。flag的值被置為下一次要啟動(dòng)傳感器的編號(hào)，同時(shí)，MCU執(zhí)行到圖5-2的傳感器輪流觸發(fā)程序時(shí)，將給對(duì)應(yīng)的TRIG端發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。如此輪流啟動(dòng)四路傳感器測(cè)距，測(cè)得的距離值將參與系統(tǒng)算法的輸入數(shù)據(jù)流，被用于后續(xù)處理。圖5-1.超聲波傳感器觸發(fā)程序 圖5-2.輪流觸發(fā)程序圖5-3.脈寬計(jì)時(shí)程序5.2 測(cè)速傳感器信號(hào)的讀取在一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量周期，控制系統(tǒng)要對(duì)霍爾傳感器模塊的DO端輸出信號(hào)的相鄰兩個(gè)下降沿的時(shí)間計(jì)時(shí)，即當(dāng)磁鐵到達(dá)霍爾元件感應(yīng)區(qū)時(shí)，DO端產(chǎn)生下降沿，MCU輸入捕獲端口產(chǎn)生下降沿中斷，定時(shí)器

38、開(kāi)始計(jì)時(shí)，下一次磁鐵到達(dá)霍爾元件感應(yīng)區(qū)時(shí)，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)，該段時(shí)間即為磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用的時(shí)間。用圖5-4所示的測(cè)速計(jì)時(shí)乘程序測(cè)量最終的轉(zhuǎn)過(guò)一周的時(shí)間temp_V，其中包含定時(shí)器溢出次數(shù)與一次最大計(jì)數(shù)長(zhǎng)度乘積與最后一次計(jì)數(shù)長(zhǎng)度之和（時(shí)間單位：us），程序預(yù)先為D_circle設(shè)置了宏定義，其表示磁鐵回轉(zhuǎn)圓的直徑，單位為毫米，若磁鐵固定于車輪邊緣，則由此可計(jì)算出車輪邊緣的線速度，進(jìn)一步估算出模型車前進(jìn)速度。其中，程序里面同樣定義了標(biāo)志變量flagDWV，其作用與MCU輪流對(duì)超聲波傳感器數(shù)據(jù)讀取類似，該變量用作 TIM3輪流對(duì)駕駛者控制電路的兩路電機(jī)信號(hào)脈寬以與測(cè)速傳感器DO端口兩相鄰下降沿間時(shí)間寬度計(jì)時(shí)的標(biāo)志，如本部分程序所示，flagDWV被置為6時(shí)才能執(zhí)行測(cè)速程序，完成后再把其置為2，用于下一個(gè)周期輪流對(duì)兩路電機(jī)控制信號(hào)脈寬計(jì)時(shí)。圖5-4.測(cè)速計(jì)時(shí)程序5.3 反饋控制信號(hào)的讀取本部分程序用于獲取反饋控制信號(hào)，即對(duì)駕駛者控制電路的兩路電機(jī)信號(hào)脈寬進(jìn)行測(cè)量，以判斷出駕駛者操作車輛時(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。程序中的temp_W與temp_D用于存放測(cè)得的反饋控制信號(hào)脈寬值，后續(xù)的算法控制程序?qū)?duì)其值進(jìn)行判斷并得出當(dāng)前車身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中使用TIM3的通道1和2分別對(duì)兩路反饋控制信號(hào)脈寬計(jì)時(shí)，同樣