基于單片機的載貨汽車后視鏡轉向隨動系統

王豐元，韓悅，孫凡晴，楊冉

（1.青島理工大學汽車與交通學院，山東 青島 266520；2.青島理工大學通信與電子工程學院，山東 青島 266520）

基于單片機的載貨汽車后視鏡轉向隨動系統

王豐元1，韓悅1，孫凡晴2，楊冉1

（1.青島理工大學汽車與交通學院，山東 青島 266520；2.青島理工大學通信與電子工程學院，山東 青島 266520）

載貨汽車轉彎時，固定后視鏡的視野范圍有限，容易引起事故，因此研究后視鏡隨動系統有重要意義。文章通過研究交叉路口車輛轉向時的后視鏡視野盲區，設計了載貨汽車后視鏡轉向隨動系統。系統輸入端采用方向盤轉角傳感器采集數據，由STM32單片機完成數據處理，最后通過電機驅動模塊控制后視鏡調整電機。研究結果表明在交叉路口載貨汽車轉向時，后視鏡隨動系統能夠有效改善駕駛員的后視鏡視野，提高載貨汽車的行駛安全性。

交叉路口；載貨汽車后視鏡；方向盤轉角

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-15-04

引言

目前各種汽車上安裝的后視鏡都存在不同程度的盲區，駕駛視野寬度的不足使車輛在行駛中始終存在安全隱患[1]。車輛在轉彎時駕駛員只能觀察到同水平線上車輛的后方視野，而看不到側方同向來車，尤其載貨汽車自身高度和長度的限制，使得駕駛員對后視鏡的依賴更加明顯，且載貨汽車貨箱長度大、載貨多、慣性大，轉彎時存在較大的內輪差，一旦發生事故，死傷慘重。根據公安部道路交通安全研究中心的數據顯示，2014年貨車總量占全國汽車保有量的8%，但貨車事故致死人數卻達到28%[2-5]。因此提出針對改善載貨汽車轉向行駛過程中后視鏡視野的后視鏡隨動系統，對提高載貨汽車的行駛安全性具有重要意義。

載貨汽車后視鏡的控制系統主要是通過手動按鈕的方式完成對后視鏡的調節，并且載貨汽車在轉彎時的后視鏡不會自動調節，導致駕駛員的視野范圍很局限。后視鏡智能調整技術在轎車上有一些研究成果，有研究人員根據轉向燈的開啟及關閉為輸入信號，控制后視鏡電機的啟停及轉動方向[6]，但是這種后視鏡調節方法，不能準確、實時性的為駕駛員提供最佳后視鏡駕駛視野；黃科[7]等人采用單片機實現了對后視鏡的自動翻轉控制，提高了后視鏡的調節精度，鄭芳芳[8]等人基于CAN總線實現了后視鏡的自動折疊展開及位置記憶功能，但都沒有結合后視鏡視野盲區對后視鏡的轉動做出調整。

鑒于目前后視鏡系統的局限性，本文對載貨汽車交匯路口轉彎時的后視鏡視野情況做了分析，采用單片機作為主控單元，以方向盤的轉角作為輸入信號，設計了后視鏡隨動系統，該系統可以實現方向盤轉角數據的傳輸，并通過L298N后視鏡電機驅動模塊完成了對后視鏡鏡面的自適應控制，使車輛在交叉路口轉彎時駕駛員的后視鏡視野得到很大程度的改善，提高了載貨汽車在轉彎情況下的行車安全性。

1 系統硬件設計

本文所涉及的后視鏡隨動系統，主要由輸入端、主控單元、執行端三大部分組成。其中輸入端主要由方向盤轉角傳感器和CAN模塊組成；主控單元采用STM32系列單片機作為微處理器模塊的核心器件，執行算法及控制工作；執行端包括后視鏡鏡面控制器及電機驅動模塊L298N。方向盤轉角傳感器采集到的轉角數據，通過CAN模塊傳送給主控單元STM32系列單片機，STM32系列單片機將接收到的數據進行數據處理后對電機驅動模塊輸入端進行高低電平的控制，可以實現對后視鏡鏡面控制器中調整電機的正反轉控制，后視鏡的轉動角度則通過時間控制來實現。系統的整體結構框圖如圖1所示。

圖1 隨動系統整體結構框圖Fig.1 The overall structure diagram of the follow-up system

1.1 輸入端的設計

該后視鏡隨動系統采用的是型號為C68049XF25849366 ANA76100BA的方向盤轉角傳感器，該型號的傳感器抗干擾性能較強且工作信號穩定可靠。轉角傳感器的內部結構主要包括1個角度測量芯片MLX90316、5個槽型光電傳感器SG278編碼陣列、電源穩壓電路等。轉角傳感器安裝在方向盤下方的轉向管柱上，能夠檢測方向盤轉動角度及轉動方向。

轉角傳感器的基本工作原理：方向盤轉動時通過轉向柱帶動主動齒輪轉動，此時從動齒輪的轉動引起從動齒輪上方小磁鐵周圍磁場方向的改變，這種變化由MLX90316芯片檢測并輸出與小磁鐵轉動角度呈線性關系的模擬電壓[9-10]，此電壓經DSP芯片計算得到的轉角數據，然后經過CAN模塊轉換傳送給主控單元STM32單片機。轉角傳感器的各引腳定義，如表1所示。

表1 轉角傳感器引腳功能Tab.1 pin function of angle sensor

1.2 主控單元STM32系列單片機

后視鏡隨動系統所采用的主控單片機型號為STM32 F103VCT6，其微控制器使用Cortex-M3內核，是由ARM公司設計，高性能、低功耗且具有價格優勢，同時Thumb-2指令集具有更高的指令效率使終端的響應比以往更加迅速。與傳統的單片機相比較，STM32的主頻及定時器的頻率通過PLL倍頻能夠達到72MHz，這種高分辨率的定時器提高了系統對時間控制的精確度[11]。

主控單片機的主要作用：從CAN模塊接收并讀取方向盤轉角值；根據方向盤轉角值與后視鏡鏡面轉角的關系，及后視鏡鏡面的轉動度，計算后視鏡鏡面控制器需要運行的時間，這是由芯片內部定時器的計時功能完成的；通過串口將信息傳輸給電機驅動模塊。

1.3 執行端

圖2 后視鏡鏡面控制器內部結構圖Fig.2 Internal structure of Rear view mirror mirror controller

后視鏡鏡面控制器是安裝在載貨汽車后視鏡殼里的，由兩個控制鏡面上下和左右轉動的微型直流電機組成，其內部結構如圖2所示。STM32系列單片機輸出的電流比較微弱，不能直接驅動后視鏡鏡面控制器的調整電機，需要增加電機驅動模塊對電機進行控制。因此執行端包括了L298N型電機驅動模塊和后視鏡鏡面控制器。

后視鏡調整電機轉動驅動電路采用H橋式電路，電機驅動模塊的電路原理圖如圖3所示。通過改變輸入端IN3和IN4的高低電平來控制電機A的正反轉與停止，改變輸入端IN1 和IN2的高低電平來控制電機B的正反轉與停止。

圖3 電機驅動模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of Motor drive module

2 系統軟件設計

2.1 交叉口盲區分析

按照《城市道路設計規范》，交叉路口車道寬度設計標準為3.5米[12]，并根據載貨汽車的相關數據畫出車輛的簡圖，假定汽車能夠按照理想的軌跡轉彎通過路口，得到載貨汽車在平面交叉路口轉向時，駕駛員的視野盲區，如圖4所示。

圖4中的陰影面積表示車輛向左向右轉彎情況下不調整后視鏡所產生的盲區，根據陰影面積的大小可以直觀的看出載貨汽車右側盲區比左側的大。車輛右轉時，右側非機動車道的行人處于載貨汽車的盲區范圍之內，事故風險較大。

圖4 交叉路口左右后視鏡原視野盲區Fig.4 left and right rear view mirror blind spot in the crossroads

2.2 盲區解決辦法和基本理論分析

后視鏡隨動系統能夠檢測方向盤轉動角度并且隨著方向盤的轉動和車身的移動，緩慢調節右側后視鏡鏡面向遠離車身的方向移動，適當增加α的大小，右側后視鏡視野范圍擴大，使右側非機動車道的行人處于視野范圍內，有效降低事故發生率，提高載貨汽車的行駛安全性。

為了達到上述功能，系統執行端的后視鏡鏡面控制器具體參數如表2，后視鏡鏡面控制器電機完成一次完整的左右轉動所需要的時間為6s，表2給出了該后視鏡鏡面控制器的工作角度大于等于26°，取后視鏡鏡面控制器的轉動范圍為26°進行研究，方向盤轉動角度的范圍根據車型確定，一般方向盤從直線行駛位置向右或者向左打死需要轉動兩圈半左右，本系統取方向盤轉動角度γ的范圍是-810°≤γ≤+810°。方向盤超過360°后，轉角每增加10°，對應后視鏡的轉動角度為0.58°，根據后視鏡的轉動速度可得轉角每增加10°需要對后視鏡調整電機控制67ms。方向盤轉角的絕對值與后視鏡轉動角度的關系如公式（2-1）。

式中，γ為方向盤轉角值；

ε為后視鏡鏡面的轉角值。

表2 后視鏡鏡面控制器相關參數Tab.2 related parameters of Rear view mirror mirror controller

2.3 交叉路口轉彎過程中后視鏡控制基本策略

交叉路口轉彎后視鏡隨動系統的軟件邏輯流程圖如圖5所示，首先將基于單片機的載貨汽車后視鏡轉向隨動裝置進行初始化，其中初始化包括CAN模塊、主控單元STM32中TIMER、SPI等部分的初始化。在檢測到車速大于0的情況下即車輛的非靜止狀態的前提下，對CAN模塊是否輸出數據進行判斷，若輸出轉角數據就可進一步對車輛行駛方向進行判斷，數據大于0為左轉，數據小于0則為右轉。

實車試驗證明方向盤轉動在360°之內，對駕駛員視野的影響不大，因此設定CAN模塊輸出的轉角數據大于360°時隨動裝置開始啟動。根據采集到的方向盤轉角信息判斷方向盤轉角值是否發生變化，隨著接收到轉角數據的增大，右側后視鏡向外側旋轉，外視野區逐漸增大。以交匯路口車輛右轉為例，在檢測到轉角數據小于0的情況下，若方向盤轉角角度值在360°以內，則系統不啟動，后視鏡鏡面不發生變化；如果方向盤的轉角角度超過360°且短時間內持續變化，此時駕駛員不斷調整方向盤的角度，即車輛處于轉彎或者變道的情況下，后視鏡調整電機啟動控制后視鏡鏡面向遠離車身的方向的轉動，鏡面的轉動角度通過控制電機的時間來完成。

圖5 軟件邏輯流程圖Fig.5 Software logic flow chart

3 系統試驗測試

3.1 系統數據接收與傳輸測試

對系統中方向盤轉角數據的采集與傳輸通過上位機軟件進行測試，方向盤轉動的角度通過CAN模塊實時傳輸到上位機，接收到的方向盤轉角數據通過串口在PC機上顯示。觀察測試過程可知上位機軟件中轉角的變化范圍在-810°—+810°之間，同時，導出軟件中一段時間的轉角讀數如表3所示，正為左轉，負為右轉。因此可知該系統能夠完成對方向盤轉角數據的采集與傳輸，能夠滿足車輛轉彎情況下對信息采集實時性的要求。

表3 上位機轉角讀數Tab.3 PC angle readings

3.2 方向盤轉角與后視鏡鏡面轉角的關系

試驗測試得到的方向盤轉角與后視鏡鏡面轉角的對應關系如下表4所示。通過分析實驗結果和理論數據可知，試驗測得的數據與理論數據相符，表明該系統可以較好的達到改善車輛交叉路口轉彎時后視鏡視野的功能。

表4 方向盤轉角與后視鏡鏡面轉角數據Table4 angledataofsteeringwheelangleandrearviewmirrormirror

4 總結

本文通過對載貨汽車在交叉路口轉彎時盲區的分析，設計了基于單片機的轉向隨動系統。在合理的對該系統中硬件和軟件的設計進行優化配比后，該系統在轉彎過程中，后視鏡鏡面可隨方向盤的轉動而做出自適應調整，增大右側后視鏡視野范圍，并明顯提高載貨汽車在交叉路口的行駛安全性，在載貨汽車上的應用前景極大。

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The Follow-up System of Car Rearview Mirror Based on Single Chip Microcomputer

Wang Fengyuan1, Han yue1, Sun Fanqing2, Yang Ran1
（1.College of Automobile and Transportation, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520; 2.College of College of Communication and Electronic Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520）

When the truck turns, the fixed rearview mirror has a limited field of view, which may cause an accident. Therefore, it is important to study the rearview mirror follower system.In this paper, a vehicle rearview mirror steering follower system was designed by studying the blind spot of dynamic rearview mirror when the truck was was changing direction at the crossroads. The input module of the system used the steering wheel angle sensor to collect the data. And then used the STM32 microcontroller to complete the processing of data, and finally controlled rearview mirror motor through the motor drive module. The results showed that the rearview mirror follow-up system can effectively reduce the blind spot of the rearview mirror and improve the driving safety of the truck when the truck was changing direction at the crossroads.

Crossroads; Truck rearview mirror; Steering wheel angle

U462.1

A

1671-7988(2017)15-15-04

王豐元（1963-），男，博士，教授，就職于青島理工大學。主要研究方向：智能汽車，車輛人機工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.006