車(chē)輪位置顯示與輔助泊車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

周忠友 ，余 海 ，羅春瀟

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程分院，浙江 湖州 313000）

汽車(chē)工業(yè)已有百年歷史，在嶄新的21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)、通信、傳感器技術(shù)的發(fā)展，新型汽車(chē)日益趨向智能化，汽車(chē)的智能化成為汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，其智能化主要包括智能化的信息系統(tǒng)，智能化的安全系統(tǒng)，智能化的節(jié)能系統(tǒng)，智能化的輔助駕駛系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)就是車(chē)輪位置的即時(shí)顯示。通過(guò)顯示屏或者指示燈直接把車(chē)輪的即時(shí)位置顯示給駕駛員，可以在駕駛過(guò)程中或者停車(chē)過(guò)程中給駕駛員提供必要的信息，主要是在停車(chē)過(guò)程中給駕駛員提供車(chē)輪位置的即時(shí)信息，以便于駕駛員能夠擺正車(chē)輪位置，從而減少因車(chē)輪不正對(duì)車(chē)輛行駛和結(jié)構(gòu)造成的危害。

1 國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在自動(dòng)泊車(chē)。從21世紀(jì)90年代起，就有國(guó)外學(xué)者對(duì)汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)的問(wèn)題進(jìn)行研究。該系統(tǒng)包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、中央處理器、車(chē)輛策略控制系統(tǒng)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)和車(chē)載距離探測(cè)系統(tǒng)，可采集圖像數(shù)據(jù)及周?chē)矬w距車(chē)身的距離數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸給中央處理器；中央處理器可將采集到的數(shù)據(jù)分析處理后，得出汽車(chē)的當(dāng)前位置、目標(biāo)位置以及周?chē)沫h(huán)境參數(shù)，依據(jù)上述參數(shù)作出自動(dòng)泊車(chē)策略，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；車(chē)輛策略控制系統(tǒng)接受電信號(hào)后，依據(jù)指令作出汽車(chē)的行駛?cè)缃嵌?、方向及?dòng)力支援方面的操控［1］（P14）。2003年，豐田公司首先在其普銳斯混合動(dòng)力車(chē)型上配置了智能泊車(chē)系統(tǒng)；2007年，又在新款LS460轎車(chē)上使用了自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)；2006年，法國(guó)的汽車(chē)零部件供應(yīng)商法雷奧（Valeo）公司發(fā)布了其第一代汽車(chē)泊車(chē)系統(tǒng)，并已在大眾途安系列車(chē)型中運(yùn)用［2］（P5）。

國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)起步較晚，在自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的應(yīng)用上也落后于世界先進(jìn)國(guó)家。比亞迪股份有限公司于2003年12月向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提出了自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的實(shí)用新型專(zhuān)利的申請(qǐng)，并在2005年獲得授權(quán)，不過(guò)目前未得到更多關(guān)于在此技術(shù)上具體車(chē)型的應(yīng)用［2］（P6）。

但是，由于汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的苛刻條件，駕駛員選擇的路邊車(chē)位的長(zhǎng)度一定要大于汽車(chē)長(zhǎng)度1.5米以上，自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)才能自動(dòng)檢測(cè)出車(chē)位的存在，如果車(chē)位長(zhǎng)度過(guò)短，則自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)不能檢測(cè)出車(chē)位的存在；同時(shí)，自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的汽車(chē)停車(chē)輔助系統(tǒng)，雖然智能化很高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本非常高，需要在車(chē)輛制造過(guò)程中加裝，目前只有少數(shù)高檔轎車(chē)上才有出現(xiàn)，普遍程度很低。

2 汽車(chē)停車(chē)時(shí)車(chē)輪不正對(duì)汽車(chē)造成的影響

在這之前，筆者還對(duì)不同駕齡的車(chē)主進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，60%左右的車(chē)主是不關(guān)心汽車(chē)停車(chē)時(shí)車(chē)輪回正問(wèn)題，并且這些車(chē)主的駕齡一般都在3年以上；30%左右的車(chē)主是關(guān)注停車(chē)時(shí)車(chē)輪位置的情況，而且大部分人都是開(kāi)車(chē)實(shí)習(xí)階段，但他們經(jīng)常要特意探頭觀察車(chē)輪的位置，帶來(lái)了諸多的麻煩；將近10%的人認(rèn)為停車(chē)車(chē)輪擺正是無(wú)所謂的，而且有時(shí)為了顯擺故意將車(chē)輪停不正?？偠灾?，對(duì)車(chē)輪回正的情況帶來(lái)的危害大家還是一知半解，不放在心上。那么，汽車(chē)停車(chē)時(shí)車(chē)輪不正會(huì)對(duì)車(chē)造成哪些影響呢？

首先，對(duì)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)造成損害。如果你的車(chē)是有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的話(huà)，熄火停車(chē)前是必須將方向輪打直的，因?yàn)榉较蚱贿?，液壓油還沒(méi)有回卸到儲(chǔ)油缸，中尺里面的油壓和助力系統(tǒng)仍處于高壓狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間狀態(tài)易造成油路密封圈和膠管及接頭變形，這種停車(chē)習(xí)慣會(huì)使助力系統(tǒng)漏油而失去助力效果。如果是帶電動(dòng)助力系統(tǒng)，會(huì)使系統(tǒng)電阻值增大，起動(dòng)時(shí)電路耗損大。

其次。加劇懸掛的磨損。由于車(chē)輛的前懸掛的特殊結(jié)構(gòu)，主銷(xiāo)是后傾和內(nèi)傾的，車(chē)輪是外傾的，如果車(chē)輛停穩(wěn)后不回正的話(huà)，車(chē)輪的位置低于地平面的，但是地平面 是不會(huì)變的，相對(duì)地懸掛把車(chē)身抬起了。所以不回正會(huì)使這個(gè)力矩始終加在懸掛上，會(huì)加劇懸掛的磨損，縮短其使用壽命。

第三，對(duì)輪胎造成損害。方向沒(méi)回正停車(chē)，輪胎露在外邊容易使輪胎側(cè)壁受傷造成隱患，更嚴(yán)重的會(huì)造成內(nèi)部的鋼絲斷裂或鋼圈變形。

第四，對(duì)四輪定位的影響。轉(zhuǎn)向輪定位包括前輪外傾、主銷(xiāo)后傾、主銷(xiāo)前傾及前束四個(gè)參數(shù)。（1）當(dāng)汽車(chē)停車(chē)時(shí)車(chē)輪不正，主銷(xiāo)后傾、主銷(xiāo)內(nèi)傾，一直受到一個(gè)使車(chē)輪具有回復(fù)到原來(lái)中間位置的力矩，以至于破壞轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正的作用；（2）當(dāng)汽車(chē)停車(chē)時(shí)車(chē)輪不正，車(chē)輪外傾與主銷(xiāo)內(nèi)傾配合破壞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，輪胎磨損加劇；前輪前束的功用是消除因車(chē)輪外傾所造成的不良后果，保證車(chē)輪不向外滾動(dòng)，防止車(chē)輪側(cè)滑和減輕輪胎的磨損，當(dāng)前束和車(chē)輪外傾配合不當(dāng)，車(chē)輪向內(nèi)，外側(cè)滾動(dòng)偏移量就不會(huì)相互抵消，影響車(chē)輪每一瞬間的滾動(dòng)方向偏移，發(fā)生側(cè)滑，加劇輪胎磨損。

3 車(chē)輪位置顯示與輔助泊車(chē)系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)的基本工作原理（如圖1所示）按下電源開(kāi)關(guān)，電源電路就像控制電路供電；然后擺正方向盤(pán)的位置，按下復(fù)位重置按鍵，確定初始位置，此時(shí)，居于中間的指示燈亮起（綠色），當(dāng)方向盤(pán)不正時(shí)，居于中間綠色指示燈熄滅；在駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的同時(shí)，信號(hào)采集模塊（角度傳感器模塊）通過(guò)方向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)角度，采集方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角信號(hào)（即車(chē)輪位置信號(hào)），將信號(hào)輸送給控制模塊，控制模塊通過(guò)運(yùn)算處理將信號(hào)傳給顯示模塊；顯示模塊將方向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)處理，在顯示屏上以模擬角度信號(hào)顯示，由于顯示屏只能顯示一圈內(nèi)的角度（即360度），當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角超過(guò)一圈時(shí)，兩側(cè)指示燈就點(diǎn)亮。由于車(chē)輪有左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，為了識(shí)別方便，特別將左轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的指示燈和右轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)的指示燈的顏色加以區(qū)分（黃色或紅色）。

圖1 車(chē)輪位置顯示與輔助泊車(chē)原理圖

圖2 系統(tǒng)模塊框圖

4 車(chē)輪位置顯示與輔助泊車(chē)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

車(chē)輪位置顯示與輔助泊車(chē)總體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）主要包括控制模塊、信號(hào)采集模塊、電源升壓模塊、顯示模塊、按鍵重置模塊等。

圖3 系統(tǒng)電路原理圖

4.1 控制模塊是以STC12C5A60S2為核心的最小系統(tǒng)板

STC12C5A60S2系列單片機(jī)式宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速／低功耗／超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8－12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位 A／D轉(zhuǎn)換（250K／S，即25萬(wàn)次／秒），針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

4.2 信號(hào)采集模塊選用

MMA7361角度傳感器 傾角傳感器 加速度模塊

1）板載MMA7361（取代MMA7260）低成本微型電容式加速度傳感器；

2）支持5V／3.3V電壓輸入，板載RT9161，比1117更低的壓降，更快的負(fù)載相應(yīng)速度，非常適合高噪聲電源環(huán)境；

3）量程通過(guò)單片機(jī)IO選擇，也可以電阻選擇；

4）常用的引腳已經(jīng)引出，插針為標(biāo)準(zhǔn)100mil（2.54mm），方便用于點(diǎn)陣板；

5）休眠使能可以通過(guò)單片機(jī)IO控制；

6）PCB板子雙面鍍金，尺寸：27.9mm×16.8mm 。

4.3 電源升壓模塊采用的ME2108A升壓芯片組成的電源電路

ME2108系列升壓轉(zhuǎn)換器具有以下特點(diǎn)：

1）只需少量的外接元件：僅一只肖特基二極管、一只電感和一只電容；

2）低紋波及及噪聲；

3）工作電壓范圍：0.9V－6.5V；

4）帶載能力強(qiáng)：當(dāng)Vin＝3.0V且Vout＝5.0V時(shí)Iout＝400mA；

5）輸出電壓范圍：2.7V－7.0V；

6）輸出電壓高精度：±2.5%；

7）低啟動(dòng)電壓：最高值為0.9V；

8）最大工作功率：180kHz；

9）高效率：典型值85% 。

圖4 電源升壓模塊電路

4.4 顯示模塊選用NOKIA 5110液晶模塊，帶藍(lán)色背光

該模塊具有以下特點(diǎn)：

1）84x48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有8條。支持單片機(jī)的SPI、MCS51的串口模式0等，傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間；

2）可通過(guò)導(dǎo)電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換；

3）LCD控制器／驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很??；

4）采用低電壓供電，正常顯示時(shí)的工作電流在200μA以下，且具有掉電模式。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)停車(chē)時(shí)車(chē)輪位置的判斷要求，研究設(shè)計(jì)了車(chē)輪位置顯示與輔助泊車(chē)系統(tǒng)，可以使駕乘人員實(shí)時(shí)了解車(chē)輪位置，確保停車(chē)時(shí)車(chē)輪的位置是擺正的，從而有效地解決了因?yàn)檐?chē)輪位置不正對(duì)汽車(chē)造成的損壞和帶來(lái)的安全隱患；同時(shí)該系統(tǒng)還能為汽車(chē)準(zhǔn)確泊入停車(chē)位提供幫助。

［1］李建鋒.汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的控制策略和算法研究［D］.西南交通大學(xué)，2010：14.

［2］何 峰.自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)［D］.廣東工業(yè)大學(xué).2009：6.