車輛倒車制動輔助系統設計與開發

郭威 喬雨恒

摘要：通過對目前車輛倒車制動系統進行分析，介紹了車輛在倒車狀態下的安全隱患、影響制動效果的因素以及制動系統控制方面的不足之處。針對現有問題，設計與開發車輛倒車制動輔助系統。通過STC12C5A60S2單片機接收GPS車速信號和倒車雷達距離信號，判斷車輛倒車的安全狀態，實現對油門踏板及手剎電機的控制，增強車輛倒車的安全性。避免倒車時因駕駛員誤踩油門或延遲制動造成的車輛事故。對車輛制動系統優化具有重要的指導意義。

關鍵詞：制動系統;單片機;油門踏板;手剎電機;安全性

中圖分類號：U463.5 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）02-0056-06

隨著汽車保有量的迅速增加以及車速的不斷提高，汽車的安全性得到了人們的廣泛關注，特別是主動安全性已經成為科研人員研究的重點。據統計，2011年至2014年，車輛事故死亡人數由29618人上升至34292人，增長率為15.8%;私家車保有量由5814萬量上升至10559萬輛，增長率為81.6%;駕齡一年內人員由2614萬人上升至2967萬人，增長率為13.5%。人們平時使用汽車時經常會使用制動系統，而手剎卻經常被人們所忽視，因手剎發生故障或使用不當而引起的事故也是屢見不鮮。在車輛事故中，倒車事故占了很大的比例：2011年《揚子晚報》報道稱，2011年1月至8月，該市僅交警六大隊轄區內所發生的41起交通事故中，倒車引發的比例占五成。2015年南京交管部門針對4月1日至19日發生的交通事故進行統計，20天內發生564起因倒車引發的事故，平均每天有近30起。

在這種嚴峻的形勢下，人們越來越認識到利用先進技術，輔助汽車駕駛者對影響公路交通安全的人、車、路等環境進行實時監控和報警，在危急情況下由系統主動干預駕駛操縱、輔助駕駛者進行應急處理、防止汽車碰撞事故發生的重要性。由此可見，車輛安全系統將朝著智能化、主動型的技術方向發展。

本文著重從倒車狀態下影響汽車制動的因素進行分析，設計與開發車輛倒車制動輔助系統。通過STC單片機接收GPS車速信號和倒車雷達距離信號，判斷車輛倒車的安全狀態，實現對油門踏板及手剎電機的控制，增強車輛倒車的安全性。避免倒車時因駕駛員誤踩油門或延遲制動造成的車輛事故。對車輛制動系統優化具有重要的指導意義。

1 倒車狀態下車輛安全性分析

目前大多數車輛都安裝有倒車雷達或倒車影像，但是從上述統計的數據來看，車輛倒車時仍存在較高的事故風險。本文以帶有電子手剎的乘用車型為研究對象，對車輛倒車狀態下車輛的安全性進行分析。

1.1電子手剎的原理

目前，電子手剎的形式分為三種：電子機械式手剎、電子控制拉鎖式手剎、整體卡鉗式手剎。隨著乘用車安全性能的不斷提升，鼓式制動器使用逐漸減少，電子機械式手剎也逐漸被淘汰。電子控制拉鎖式手剎很容易在原有機械式手剎上改動，但隨著使用時間的延長，手剎拉線會逐漸失去彈性，失去作用。因此，進行系統設計時選取整體式手剎車輛。

整體卡鉗式電子手剎通常有機電式制動控制單元、倒車燈開關、傾角傳感器、離合器踏板位置傳感器、制動執行電機和指示燈等組成，霍爾式離合器位置傳感器用來檢測離合器踏板位置信號，產生脈寬調制信號傳送至駐車制動控制單元，使車輛在行駛過程中，電子手剎功能安全起動。汽車兩后輪各有一個制動執行電機，其作用是通過裝置與剎車殼體上的電機來壓緊剎車蹄片，實現兩后輪的駐車制動。制動執行電機總體主要由直流電機、制動活塞、齒型帶、斜盤和驅動心軸等組成，如圖1、圖2所示。電機和驅動機構之間以橡膠軸承連接，同時齒型帶為斜齒帶，降低運行噪音。

進行駐車制動時，駕駛員操作電子駐車制動系統按鈕后，電控單元將控制集成在左右制動卡鉗中的電機啟動，并帶動制動卡鉗活塞移動，產生機械夾緊力從而完成制動。執行電機內部結構如圖3所示，電機驅動電壓為12V。

1.2影響車輛安全倒車的因素

影響車輛安全倒車的因素有很多，包括：駕駛員視野，倒車速度，制動時間、制動距離，駕駛員的反應時間等。目前市面上大部分的車輛都裝有倒車雷達或者銷售后改裝有倒車雷達，能夠幫助駕駛員判斷和提示安全的倒車距離。但倒車時事故仍然頻發，主要在于駕駛員的倒車速度過快或誤踩油門、倒車距離報警后未及時制動，導致車輛直接撞向后方行人、車輛或其他障礙物。

以普通車輛為例，大多數倒車雷達設定的安全距離為1.5 m，設車輛的倒車速度為V，車輪與地面的摩擦系數為μ，摩擦力為f，剎車后的末速度為V₀，制動時間為t，制動距離為S。電子手剎起作用時，電機輸出的扭矩恒定，設車輛的減速度為a，可得：

剎車后的末速度V0為0（車輛靜止狀態）。據統計，反應良好的駕駛員一般的反應時間在0.4-0.6 s之間，駕駛員受到驚嚇時反應大多數大于1s，一般在1.5 s以內，這時極易發生誤踩油門的現象。

以兩種情況為例，第一種情況為延遲制動，第二種情況為誤踩油門。

第一種情況下，設車輛倒車速度為V（正常情況下倒車速度低于6 km/h，使用手剎可以制動），正常駕駛員制動反應時間為T1，制動時間為t₁，制動距離為S₀，制動減速度為a₀;駕駛員延遲的制動反應時間為T₂，制動時間為t₂，制動距離為S₂，制動減速度為a₂。安全距離為S=1.5 m，即車輛后方距障礙物1.5 m時報警。制動后距障礙物的距離為S。。可得：

△T=T₂-T₁

（4）

S₁=Vt₁+1/2a₁t₁²

（5）

S₂=Vt₂+1/2 a₂t₂²

（6）

S=S₁+S₀₁

（7）

S=△S+S₂+S₀₂

（8）

將△T帶入公式，可得：

△S=V×△T

（9）

由于采用電子手剎，電機輸出扭矩在上述兩種情況下相同，且制動時速度不變，所以制動減速度距離不變，制動時間不變，制動距離也不變。所以S₁和S₂相等。假設車輛倒車至安全距離臨界點開始報警，司機反應迅速采取電子手剎制動，車輛完全停下時，車輛與障礙物距離S₀₁處于臨界狀態，即剛好沒撞到。則司機延遲操作后，車輛在超出安全距離△S后開始制動，則車輛未制動至停止狀態就已經和障礙物發生相撞。

第二種情況下，設車輛正常倒車速度為V（車速低于6 km/h，電子手剎起作用），安全距離為S，踩油門狀態下車速為V₁，加速度為a₁，加速時間為t₁，加速行駛距離為S₁，加速行駛t₁時間后，車輛與障礙物距離為S₀。可得：

S₁=Vt₁+1/2 a₁t₁²

（10）

S₀=S-S₁

（11）

如果踩下油門時，車速V₁一旦超過6km/h，電子手剎失效，駕駛員反應過來時，再采用制動踏板制動，此時時間至少在2s以上，而安全距離僅有1.5 m，加速至6 km/h時僅需1s就可行使1.67 m，此時已發生相撞。顯然誤踩油門時，極易發生車輛事故。

2 倒車制動輔助系統設計

為了避免上述問題，設計一種倒車制動輔助系統。考慮到市面上大部分車輛的通用性，該系統采用單片機監控與調節，采用車輛倒車雷達和GPS模塊監測車輛倒車時的狀態，車輛倒車時通過判斷安全距離來控制電子油門踏板以及電子手剎執行電機實現快速、有效的制動。

2.1系統方案和主要電路

系統硬件主要由STC12C5A60S2單片機（雙串口數據傳輸板）、超聲波雷達監測電路、GPS感應電路、常開繼電器、常閉繼電器、電子油門踏板、電子手剎執行電機組成。STC12C5A60S2單片機是具有8051內核的增強性單片機，無需外擴數據儲存器和程序儲存器就能很好的運行較為復雜的系統程序。單片機內置60KB的Flash程序儲存器、集成1280B數據存儲器。STC12C5A60S2單片機為整套系統的控制核心。超聲波雷達監測電路通過安裝在車輛尾部的探頭，將測量信號反饋至單片機并解析成距離數值。GPS感應電路將車輛倒車時的車速信號傳遞至單片機，與倒車雷達的監測距離一起作為判定條件。當需要進行制動輔助時，單片機通過常閉繼電器斷開電子油門控制，通過常開繼電器控制電子手剎執行電機運轉。

硬件框圖如圖4所示：

2.2超聲波倒車雷達電路

超聲波倒車雷達電路是利用超聲波脈沖回波渡越時間法來實現測量距離，根據系統發射超聲波與接收反射波的時間差，結合修正后的波速計算出車輛與障礙物的距離。超聲波倒車雷達電路選取市面上常用的倒車雷達主機，數據輸出方式為TTL串口通訊方式。與單片機連接時，將倒車雷達電路的UART_TX數據線連接單片機RXDO（P3.0）針腳，另引出一根GND線，使倒車雷達電路接地。超聲波倒車雷達電路與單片機連接方式如圖5所示。

2.3 GPS車速電路

GPS車速電路選用U-BLOX NEO-6M模塊，體積小巧，增加放大電路，有利于快速與衛星通訊。該模塊通過串口與單片機進行通訊，兼容3.3V及SV電平。GPS車速電路與單片機連接方式如圖6所示。GPS模塊監測車速范圍：0-1851.8 km/h。與單片機連接時，GPS模塊的RXD連接單片機的TXD1（P1.3）針腳，TXD連接單片機的RXD1（P1.2）針腳。

2.4常開/常閉繼電器

硬件系統中通過單片機控制常開繼電器，調整電子手剎執行電機的工作狀態，實現駐車功能;通過單片機控制常閉繼電器，調整電子油門踏板的響應狀態，防止倒車時車速過快。工作原理如圖7所示。

2.5系統軟件與控制流程

系統軟件主要是通過編譯器進行編輯，使用Proteus軟件進行硬件模擬，模擬完畢后，將單片機用串口通訊的方式與電腦連接，使用串口助手發送觸發代碼，查看系統是否按照相應的邏輯進行動作執行。調試完成后，將寫好的代碼轉換格式，用燒錄器燒寫到單片機中。系統程序控制流程如圖9所示。

2.6主要應用程序

系統程序主要分為三個部分：第一部分，將16進制的數值（例如0x66）轉換為十進制（102）。由于倒車雷達發送的報文為16進制，需要將報文中的數值進行轉化。第二部分，串口0和串口1中斷函數。用于接收從倒車雷達以及GPS模塊發送的距離和車速數據。第三部分，主函數，用于讀取數據，通過條件判斷控制繼電器的開閉，達到控制手剎電機和電子油門踏板的目的。STC12C5A60S2單片機的電路圖如圖10所示。

程序部分代碼如下：

Char_Table;數碼管段碼

Rece_datas;定義要接收的數據緩沖區

Sun，temp_u2，tim;傳遞變量數據

Data_count_fg;接收數據量變量定義

TMOD=0X01;工作在十六位計算器模式

TH0=（66535-tim）/256;設定定時器高位初始值

TL0=（66535-tim）%256;設定定時器低位初始值

Void chuli（）;雷達與GPS接收數據處理

Void alarm（）;繼電器動作

3測試驗證

通過進行實物測試，將單片機與倒車雷達模塊、GPS模塊、繼電器連接。單片機同時連接筆記本，使用串口助手接收倒車雷達和GPS發送的報文。將倒車雷達探頭擺放至離桌面或障礙物小于安全距離1.5m時，單片機將觸發信號發送至常開繼電器，繼電器吸合，電子手剎執行電機通電后運行。使用串口助手模擬探頭與障礙物距離小于安全距離時，控制繼電器的效果相同。模擬駕駛員誤操作或直接踩下油門踏板，GPS車速大于6km/h時，單片機將觸發信號發送至常閉繼電器，繼電器斷開，電子油門踏板斷電，車速下降至低速狀態，同時結合倒車雷達，保證車輛處于安全倒車狀態。測試結果與系統設計目標一致。

4結語

本文通過對倒車狀態下影響汽車制動的因素進行分析，介紹了車輛倒車制動輔助系統的設計方案。通過STC12C5A60S2單片機接收GPS車速信號和倒車雷達距離信號，判斷車輛倒車的安全狀態，實現對油門踏板及手剎電機的控制，增強車輛倒車的安全性。避免倒車時因駕駛員誤踩油門或延遲制動造成的車輛事故。對車輛制動系統優化和智能化開發具有重要的指導意義。