【正文】 輔助駕駛研究現(xiàn)狀 中國是一個(gè)發(fā)展中國家，其機(jī)動(dòng)車擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如美國和日本，但每年造成的交通事故傷亡人數(shù)及經(jīng)濟(jì)損失卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩個(gè)國家。中國的安全輔助駕駛研究工作現(xiàn)在才剛剛起步。 我國的相關(guān)研究已經(jīng)展開。在汽車導(dǎo)航、主動(dòng)避撞、車載微機(jī)等方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。配置規(guī)劃計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、 視覺計(jì)算機(jī)和多臺(tái)測(cè)控計(jì)算機(jī)，它們是按照分層遞階的結(jié)構(gòu)，分為智能級(jí)（規(guī)劃計(jì)算機(jī)），協(xié)調(diào)級(jí)（監(jiān)控計(jì)算機(jī)）和執(zhí)行級(jí)（視覺計(jì)算機(jī)和多臺(tái)測(cè)控計(jì)算機(jī)）。清華智能車 THMRV 在公路上，車道線自動(dòng)跟蹤時(shí)平均時(shí)速 100KM，最高時(shí)速達(dá)到 150KM。采用了STC12C5628AD 系列單片機(jī)，采用了以霍爾元件為基礎(chǔ)的速度采集、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集技術(shù)。因此，我們希望發(fā)動(dòng)機(jī)總是在最好的狀態(tài)下工作。這個(gè)矛盾要通過變速器來解決。為什么減速可以增扭，而增速又要減扭呢？設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率不變，功率可以表示為 N = wT，其中 w是轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度， T是扭距。所以增速必減扭，減速必增扭。 一般的手動(dòng)變速器內(nèi)設(shè)置輸入軸、中間軸和輸出軸，又稱三軸式，另外還有倒檔軸。不同的齒輪嚙合就有不同的傳動(dòng)比，也就有了不同的轉(zhuǎn)速。 當(dāng)汽車啟動(dòng)司機(jī)選擇 1檔時(shí)，撥叉將 1/2檔同步器向后接合 1檔齒輪并將它鎖定輸出軸上，動(dòng)力經(jīng)輸入軸、中間軸和輸出軸上的 1檔齒輪， 1檔齒輪帶動(dòng)輸出軸，輸出軸將動(dòng)力傳 4 遞到傳動(dòng)軸上（紅色箭頭）。當(dāng)汽車增速司機(jī)選擇 2檔時(shí)，撥叉將 1/2檔同步器與 1檔分離后接合 2檔齒輪并鎖定輸出軸上，動(dòng)力傳遞路線相似，所不同的是輸出軸上的 1檔齒輪換成 2檔齒輪帶動(dòng)輸出軸。 當(dāng)汽車加油增速司機(jī)選擇 3檔時(shí)，撥叉使 1/2檔同步器回到空檔位置，又使 3/4檔同步器移動(dòng)直至將 3檔齒輪鎖定在輸出軸上，使動(dòng)力可以從軸入軸 — 中間軸 — 輸出軸上的 3檔變速齒輪，通過 3檔變速齒輪帶動(dòng)輸出軸。當(dāng)汽車加油增速司機(jī)選擇 4檔時(shí)，撥叉將 3/4檔同步器脫離 3檔齒輪直接與輸入軸主動(dòng)齒輪接合，動(dòng)力直接從輸入軸傳遞到輸出軸，此時(shí)傳動(dòng)比 1:1，即輸出軸 與輸入軸轉(zhuǎn)速一樣。汽車多數(shù)運(yùn)行時(shí)間都用直接檔以達(dá)到最好的燃油經(jīng)濟(jì)性。一般汽車手動(dòng)變速器傳動(dòng)比主要分上述 1－ 4檔，通常設(shè)計(jì)者首先確定最低（ 1檔）與最高（ 4檔）傳動(dòng)比后，中間各檔傳動(dòng)比一般按等比級(jí)數(shù)分配。當(dāng)汽車要加速超過同向汽車時(shí)司機(jī)選擇 5檔，典型 5檔傳動(dòng)比是 :1，也就是用大齒輪帶動(dòng)小齒輪，當(dāng)主動(dòng)齒輪 轉(zhuǎn) ，被動(dòng)齒輪已經(jīng)轉(zhuǎn)完 1圈了。如果一對(duì)齒輪嚙合時(shí)大家反向旋轉(zhuǎn)，中間加上一個(gè)齒輪就會(huì)變成同向旋轉(zhuǎn)。倒檔軸獨(dú)立裝在變速器殼內(nèi)，與中間軸平行，當(dāng)軸上齒輪分別與中間軸齒輪和輸出軸齒輪嚙合時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)向會(huì)相反。由于有中間齒輪，一般變速器倒檔傳動(dòng)比大于 1檔傳動(dòng)比，增扭大，有些汽車遇到陡坡用前進(jìn)檔上不去就用倒檔開上去從駕駛平順 性考慮，變速器檔位越多越好，檔位多相鄰檔間的傳動(dòng)比的比值變化小，換檔容易而且平順。同時(shí)，變速器傳動(dòng)比都不是整數(shù)，而是都帶小數(shù)點(diǎn)的，這是因?yàn)閲Ш淆X輪的齒數(shù)不是整倍數(shù)所致，兩齒輪齒數(shù)是整倍數(shù)就會(huì)導(dǎo)致兩齒輪嚙合面磨損不均勻，使得輪齒表面質(zhì)量產(chǎn)生較大的差異?；旧贤?類型發(fā)動(dòng)機(jī)（自然吸氣跟渦輪增加是不同類）的曲線都相似，主要是平緩、弧度、最高點(diǎn)、最低點(diǎn)位置不同 。一般我們行駛時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)在油耗最低的轉(zhuǎn)速是最省油 的 。此時(shí)換擋還有另外一個(gè)缺點(diǎn)就是相對(duì)耗油，為什么呢，上面的油耗曲線沒有標(biāo)到 2021轉(zhuǎn)以前的，其實(shí)這條曲線是一條碗型的曲線，最低值約在 2021轉(zhuǎn)左右（大家可以參考其他車型的曲線），即隨轉(zhuǎn)速降低油耗也有所增加，具體增加多少要看前面曲線的彎曲度才知道，但一般來說不會(huì)很多 6 在 22002500轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到曲線比較平緩，即轉(zhuǎn)速下降一些但動(dòng)力下降不大，解決了換擋時(shí)轉(zhuǎn)速下降動(dòng)力損失的問題，并且在該轉(zhuǎn)速期間，扭矩也不小，在 2500 轉(zhuǎn)的時(shí)候就可輸出最大扭矩的 90%。 （三） 汽車檔位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和汽車車速之間的關(guān)系 精確計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系，首先需要要知道輪胎的規(guī)格，其次還要知道變速箱各檔位的傳動(dòng)比（包括最終傳動(dòng)比） ,條件是離合器完全結(jié)合。 車速 (km/h) ＝ [ 輪 胎 寬 度 (mm) ( 高 寬 比 /100)2 ＋ 輪 轂 直 徑(吋 ) ]60/100000 0/最終傳動(dòng)比 /對(duì)應(yīng)檔位傳動(dòng)比 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)其中： “ 60 ” 是將每分鐘的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)，轉(zhuǎn)換為每小時(shí)的轉(zhuǎn)速 (rph)， “/1000000” 則是將以毫米 (mm)為單位的輪胎圓周長，轉(zhuǎn)換成以公里 (km)為單位。 例如，對(duì)于凱越五檔手動(dòng)變速箱（ DOHC），各檔的傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速關(guān)系如下（ 表 1）： [最終傳動(dòng)比： ，輪胎 195/55R15，車速 (公里 /小時(shí) )＝ 位傳動(dòng)比 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速 (rpm)] 表 1各檔的傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速 檔位（傳動(dòng)比） 1500rpm 2021rpm 2500rpm 3000rpm 3500rpm 一檔 () 二檔 () 三檔 () 四檔 () 五檔 () 倒檔 () 檔位（傳動(dòng)比） 4000rpm 4500rpm 5000rpm 5500rpm 6000rpm 一檔 () 二檔 () 三檔 () 四檔 () 五檔 () 7 倒檔 () 三、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) （一） 控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)包括車速信號(hào)采集系統(tǒng)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 信號(hào)采集系統(tǒng)、中央控制器、語音輸出裝置組成。 本系統(tǒng)中所需要的中央處理器為單片機(jī)，單片機(jī)的工作電壓為 3— 5V，而一般的車載電壓為 12V，所以需要電源電路給單片機(jī)供電。發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器和車速傳感器都是采用霍爾元件采集的信號(hào)。此外，由于本系統(tǒng)采用的語音芯片需要存儲(chǔ)一些語 8 音信號(hào)，所以對(duì)語音芯片進(jìn)行擴(kuò)展，外加一個(gè)語音芯片存儲(chǔ)裝置用來存儲(chǔ)一些語 音信號(hào)，其硬件框圖如圖 3所示： 語音芯片語音芯片存儲(chǔ)器ttl r s 2 3 2 電平轉(zhuǎn)換232串口下載器單 片 機(jī) 開關(guān)電源脈 沖 整 形發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器 車速傳感器電源隔離脈沖整形 圖 3系統(tǒng)硬件流程圖 （二） 器件選型 中央控制器選型 該系統(tǒng)選用的單片機(jī)是 STC12C5620AD系列單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期的單片機(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)的 8051，但速度快 8— 12倍。 增強(qiáng)型 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 1） 工作電壓： 5V 2） 工作頻率范圍 0— 35MHZ，相當(dāng)于普通 8051的 0—— 420MHZ 3） 用戶應(yīng)用程序空間 30K/28K/24K/20K/16K/12K/8K/4K 4） 片上集成 768字節(jié) RAM 5） 通用 I/O，復(fù)位后位：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽 /強(qiáng)上啦，僅為輸入 /高阻，開漏每個(gè) I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20MA，但整個(gè)芯片不要超過 55MA 6） ISP(在系統(tǒng)可編程 )/IAP(在應(yīng)用課編程 )無需專用編程器，無需專用仿真器課通過串口（ ）直接下載用戶程序數(shù)秒即可完成一片 7） 有 EEPROM 8） 看門狗 9 9） 內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體 20M以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路） 10） 時(shí)鐘源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C振蕩器用戶在下載程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C振蕩器還是外部晶體 /時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部 R/C振蕩器頻率為： — ,精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn) 11） 共用 6個(gè) 16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 16位定時(shí)器 T0和 T1，沒有定時(shí)器 2， PCA模塊可再實(shí)現(xiàn) 4個(gè) 16位定時(shí)器 12） 2個(gè)時(shí)鐘輸入出口，可由 T0溢出在 ，可由 T1的溢出在 鐘 13） 外部中斷 9路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， PCA模式可分別或同時(shí)支 持上升沿中斷 /下降沿中斷， POWERDOWN模式可由外部中斷喚醒， INT0/， INT1/， T0/，T1/， RXD/， PCA0/， PCA1/， PCA2/， PCA3/ 14） PWM/PCA 也可用來當(dāng) 4路 D/A使用、也可用來再實(shí)現(xiàn) 4個(gè)定時(shí)器、也可用來再實(shí)現(xiàn) 4個(gè)外部中斷 15） A/D轉(zhuǎn)換， 10位精度 ADC，共 8路 16） 通用全雙工串行口，由于 STC12系列高速 8051，也可再用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多串口 17） SPI同步通信口，主模式 /從模式 18） 工作溫度范圍 40— 85 度 圖 4為 STC12C5620AD單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 10 圖 4STC12C5620AD單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC12C5620AD系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART串口、 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) R/C振蕩器和外部晶振電路電路模塊，幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 WT588D 是意亂功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語言單片機(jī)。配套 WT— APP 上位機(jī)操作軟件可隨意更換 WT588D語音單片機(jī)芯片的任何一種控制模式。 支持插入靜音模式，插入靜音不占用 SPI— FLASH內(nèi)存的容量，一個(gè)地址位可插入 10ms— 25min的靜音； 按鍵控制模式 下觸發(fā)方式靈活，課隨意設(shè)置任意按鍵為脈沖可重復(fù)觸發(fā)、脈沖不可重復(fù)觸發(fā)、無效按鍵、電平保持不循環(huán)、電平保持可循環(huán)、非電平保持可循環(huán)、單鍵向前不循環(huán)、單鍵向后不循環(huán)、單鍵向前可循環(huán)、單鍵向后可循環(huán)、音量 +、音量 — 、播放 /暫停、停止、播放 /停止等 15 種觸發(fā)方式，最多可控制 10個(gè)按鍵觸發(fā)輸出； 一線串口控制模式 可通過發(fā)碼端控制語音播放、停止、循環(huán)播放和音量大小，或者直接觸發(fā) 0— 219地址位的任 意語音，發(fā)碼速度 600us— 2021us； 三線串口控制模式和三線串口控制 I/O口擴(kuò)展輸出模式之間可通過發(fā)碼切換，三線串口控制模式下，能控制語音播放、停止、循環(huán)播放和音量大小，或者直接觸發(fā) 0— 219 地址位任意語音，發(fā)碼速度 40us— 4000us可調(diào)，三線串口控制 I/O口擴(kuò)展輸出可以擴(kuò)展輸出 8位，早兩種模式下切換，能讓上一個(gè)模式的最后一種狀態(tài)保持著靜茹下一個(gè)模式。 流垂直于外磁場(chǎng)方向通過導(dǎo)體時(shí) ，在垂直于磁場(chǎng)和電流方向的導(dǎo)體的兩個(gè)端面之間出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)差（霍爾電壓）。 霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要 ， 如果對(duì)位于磁場(chǎng) (B)中的導(dǎo)體 (d)施加一個(gè)電壓 (V)，該磁場(chǎng)的方向垂直于所施加電壓的方向，那么則在既與磁場(chǎng)垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓 (UH)，人們將這個(gè)電壓叫 做霍爾電壓，產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。 當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí) , 大家可能會(huì)被推到靠路的右邊行走 。 這個(gè)就叫 “ 霍爾效應(yīng) ” 。 + + + + + + + + + + + + + +dFEFLBeVLII WUH 圖 5 霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾傳感器常用來檢測(cè)車輛上車速和轉(zhuǎn)速的信號(hào)?；魻栜囁賯鞲衅鞯墓ぷ髟恚涸邶X蹦轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，使得通過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從 而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一準(zhǔn)正旋波電壓，此信號(hào)由電子電路轉(zhuǎn)換成表中的脈沖電壓?；魻栞喫賯鞲衅鬟€有 1000Km/h，以下優(yōu)點(diǎn)：一是輸出信號(hào)電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響；二是頻率響應(yīng)高，其幅頻響應(yīng)可高達(dá) ,相當(dāng)于車速為時(shí)所檢測(cè)的信號(hào)頻率；三是抗電磁波干擾能力強(qiáng)。 霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓 U的大小為：dneIBU 0? 式中： I ：控制電流， A； 0e ：帶電粒子的電荷， 0e = ?? ； 12 B：磁感應(yīng)強(qiáng)度， T； d：半導(dǎo)體的厚度， mm； n：電 子濃度。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，使得通過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，從而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一準(zhǔn)正弦波電壓，此信號(hào)由電子電路轉(zhuǎn)換成表中的脈沖電壓。主要的傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和汽車車速傳感器。它主要是由特定刺激對(duì)數(shù)的永久磁鐵（一般為 4或 8對(duì)）、霍爾元件、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及輸入 /輸出插件等組成?；魻柦Y(jié)構(gòu)的車速傳感器主要電氣技術(shù)參數(shù)包括：輸出信號(hào)高電壓、低電壓、占空比、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間、周期脈沖數(shù)等。 圖 6為轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路： 圖 6轉(zhuǎn)速信號(hào)采集電路 （三） 基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法及原理 單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的 13 主要方法，這種測(cè)量方法在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求