CN101140199A

CN101140199A - 汽车侧翻报警装置

Info

Publication number: CN101140199A
Application number: CNA2007101443134A
Authority: CN
Inventors: 刘晓为; 刘骁; 吕炳均; 张海峰; 周扬; 唐佳禄
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2008-03-12

Abstract

本发明提供了一种汽车侧翻报警装置，它是由微处理器模块、连接微处理器模块的电源模块、键盘电路、报警电路、LED驱动显示模块、MEMS微加速度计模块与侧倾角电路组成，侧倾角电路输出端口与微处理器模块的I/O输入端口相连，MEMS微加速度计模块与微处理器模块的输入接口相连，侧倾角电路包括安装在汽车车厢上的侧倾角传感器，MEMS微加速度计模块包括安装在汽车车厢上的MEMS微加速度计。该装置体积小，可靠性高，能够适合各种新旧车辆。该装置对于提高车辆的行驶安全具有显著的作用。

Description

汽车侧翻报警装置

(一)技术领域

本发明涉及一种车辆侧翻报警系统，属于汽车电子领域。

(二)背景技术

随着汽车工业的不断发展，汽车的行驶速度不断地提高，行驶的安全性越来越多地受到多方面的关注。安全气囊、汽车防抱死系统(ABS)、轮胎测压系统等安全措施广泛应用，对于降低汽车碰撞及制动时事故率有显著的效果。但是汽车重要安全问题之一-侧翻一直未被重视。根据美国公路交通安全管理局(NHTSA)车辆侧翻所引起事故的危害程度仅次于车辆碰撞所引起的事故，位居第二。欧洲及北美交通事故统计分析表明，汽车侧翻占导致人身伤害交通事故的5％，占存在人员死亡的交通事故的20％。如何减少车辆行驶过程中的侧翻问题成为汽车安全需要考虑的重要问题。引起汽车侧翻的原因主要有两种，一种是由于与路面上的障碍物侧向撞击引起侧翻；另一种是曲线运动中侧向加速度过大引起侧翻。目前侧翻的研究多是基于实验室研究的理论阶段，建立了很多的侧翻数学模型，分析了汽车侧倾发生的条件。目前，中国专利公开号CN2825373Y，名称为“自卸车防侧翻报警装置”的申请案，其特征是采用两路倾角开关根据自卸车工作时的实际状况，感知横向斜坡角度，在两个不同的角度分别闭合导通。用电阻进行限流，高亮度的发光二极管和蜂鸣器对倾角开关所感知斜坡角度进行声光报警提示，该系统功能单一，采用的是机械开关，测量的可靠性差，测量的汽车种类单一，限制了系统的普及和应用。传统的侧倾测量装置只是单纯的测量汽车的侧倾角或者是单纯的测量汽车的侧向加速度。侧向加速度和侧倾角是评价侧倾的两个重要因素，单纯的测量一个值，不仅增加了系统软件算法的复杂性，而且降低系统测量的可靠性。本发明采用同时测量侧向加速度和侧倾角两个值作为评价汽车侧倾的条件，增加了系统的可靠性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现汽车在高速行驶、转弯和较大坡度的路面发生侧翻的现象进行报警，减少侧翻交通事故发生的汽车侧翻报警装置。

本发明的目的是这样实现的：它是由微处理器模块、连接微处理器模块的电源模块、键盘电路、报警电路、LED驱动显示模块、MEMS微加速度计模块与侧倾角电路组成，侧倾角电路输出端口与微处理器模块的I/O输入端口相连，MEMS微加速度计模块与微处理器模块的输入接口相连，侧倾角电路包括安装在汽车车厢上的侧倾角传感器，MEMS微加速度计模块包括安装在汽车车厢上的MEMS微加速度计。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的侧倾角传感器为高精度的加速度计、磁阻传感器、陀螺仪或至少一个低精度的加速度计联合使用进行测量角度信息；

2、所述的MEMS微加速度计包括至少一个单轴、双轴或三轴的MEMS微机械加速度计；

3、所述的MEMS微加速度计模块的输出端采用SPI或者I2C与微处理器连接，接口电路简单，另外，MEMS微加速度计的输出可以是模拟信号，也可以是数字信号，输出如果是模拟信号，通过A/D转换后和微处理器的输入端口相连，数字接口的加速度计直接与微处理器的输入接口相连；

4、所述的报警电路由七段数码管模块、发光二极管和蜂鸣器或语音电路组成，七段数码管采用恒流的集成电路来驱，驱动电路直接连接到了微处理器的SPI口上。发光二极管采用I/O灌电流的方式驱动，蜂鸣器采用三极管来驱动，与微处理器模块的PWM接口连接；

5、所述的LED驱动显示模块包括LED驱动器、LED数码管和LED阵列，微处理器模块的串行接口连接LED驱动器，LED驱动器连接LED数码管，LED阵列连接微处理器模块，LED阵列是由一组高亮度或超高亮度、单基色或双基色或三基色发光二极管组成；

6、所述的键盘输入电路包括6个独立按键KEY1-KEY6和6个上拉电阻R28-R33，按键KEY1-KEY6分别连接上拉电阻R28-R33到电源，同时分别连接微处理器模块的口线P0.16-P0.21。

本发明中微处理器为装置的控制核心，MEMS加速度计和测角电路为装置的核心传感器。采用加速度计测量汽车的侧向加速度，侧角电路来测量汽车的倾斜角。通过侧向加速度和倾角的综合信息作为汽车侧翻判断的依据。通过报警电路来指示汽车侧翻的危险程度。装置采用ARM作为核心的微处理器，采用MEMS微机械加速度传感器和侧倾角传感器作为核心传感元件，这里的侧倾角传感器可以是高精度的加速度计、磁阻传感器、陀螺仪等测量角度的传感器，利用车载电源通过三端稳压器件产生装置所需要的3.3V电压。将加速度计和测倾角传感器安装在汽车车厢上，分别用于检测汽车运行时的侧向加速度和车厢测倾角，将测得的加速度值和测倾角通过计算转化为速度侧翻因子γ_v和角度侧翻因子γ_a，将二者相加得出汽车综合侧翻因子γ，若综合侧翻因子极限值为γ_c，γ/γ_c就可反映汽车的危险程度。当汽车的综合侧翻因子超出极限值就进行报警。汽车侧翻模型示意图如图2所示：速度侧翻因子γ_v定义为测得的侧向加速度与汽车在水平路面上行驶时的侧翻极限侧向加速度值的比值，即

γ_v＝a_m/a_c

式中a_m为测得的加速度值，a_c汽车在水平路面上行驶时的侧翻极限侧向加速度值。其中a_c可由厂家提供或通过理论计算获得。计算a_c的公式为：

式中B为轮距，G_s为簧载质量重力，G_u为非簧载质量重力，h_s为簧载质量重心距地面距离，h_u为非簧载质量重心距地面距离，h簧载质量侧倾力臂，K_t轮胎垂直刚度，K_t悬架组合侧倾刚度。若不计簧载质量及侧倾，上式可简化为：

角度侧翻因子γ_a的定义为测得的侧倾角度与汽车在直线行驶时的侧翻极限侧倾角度的比值，即

γ_a＝θ_m/θ_c

式中θ_m为测得汽车侧倾角，θ_c为汽车在直线行驶时的侧翻极限侧倾角度，其中θ_c可由厂家提供或通过理论计算而得，由力学方程可得下式

即可解得θ_c，式中R为轮胎半径。

综合侧翻因子γ的可根据汽车目前的状态，定义λ来反映，其为角度侧翻因子和速度侧翻因子对综合侧翻因子贡献率，故γ定义为

γ＝|λγ_a+(1-λ)γ_v|

当综合侧翻因子超过该类车型的定义的阈值后，装置可以以蜂鸣或者光的形式进行报警，七段数码管可以实时的显示汽车行驶过程中的测向加速度和侧倾角的大小，在设计中可以通过断续峰鸣的时间长短来表征加速度的大小，LED发光二极管点亮的方向可以表征汽车侧倾的方向。该装置可以通过声光的形式通知驾驶员采取相应的应急措施。本发明装置同时考虑了系统运行过程中的侧向加速度的大小和汽车的侧倾角，将两者的信息融合进行作为评价汽车侧翻的条件，相对于传统的单一条件作为判断依据，具有更高的可靠性。

本发明是一种汽车侧翻报警装置，旨在汽车在高速行驶或者转弯时，由于汽车的侧向力和路面状况导致汽车发生侧翻之前进行报警，提醒驾驶员采取相应的措施，防止汽车侧翻。装置通过对汽车的受力分析，建立了相应的侧翻数学模型。该装置主要应用MEMS微加速度计检测汽车运行时的侧向加速度和车厢侧倾角，将测得的加速度值和侧倾角通过计算转化为速度侧翻因子γ_v和角度侧翻因子γ_a，将二者相加得出汽车综合侧翻因子γ，若综合侧翻因子极限值为γ_c，γ/γ_c就可反映汽车的危险程度。当汽车行驶的过程中，综合侧翻因子的值大于设定的阈值时进行声光报警，防止汽车发生侧翻。另外，键盘输入电路用来输入车型、汽车的实际载重量、载重后的汽车重心高度等信息和系统的自检。本发明装置体积小，可靠性高，能够适合各种新旧车辆，对于提高车辆的行驶安全具有显著的作用。

(四)附图说明

图1是汽车侧翻的硬件设计原理框图；

图2是汽车侧翻模型的分析示意图；

图3是SPI接口的MEMS双轴加速度计和微处理器接口电路原理图；

图4是I2C接口的加速度计和微处理器的接口电路原理图；

图5是一个七段数码管的电路原理图；

图6是微处理器和发光二极管的连接电路图；

图7是蜂鸣器的驱动电路原理图；

图8是按键电路原理图；

图9是装置下位机的程序流图。

(五)具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明做更详细地描述：

实施例1：

结合图1，本实施例包括微处理器模块1、连接微处理器模块1的电源模块10、键盘电路5、报警电路4、MEMS微加速度计模块与侧倾角电路，侧倾角电路包括安装在汽车车厢上的侧倾角传感器2，MEMS微加速度计模块包括安装在汽车车厢上的MEMS微加速度计2，微处理器模块1采用微处理器ARM7LPC2131作为装置的微处理器，MEMS微加速度计2采用ADI公司SPI接口的双轴加速度计ADIS16006，ADI公司SPI接口的双轴加速度计与微处理器模块1的接口电路如图3所示，微处理器模块1通过读写相应的寄存器来完成数据的传输。侧倾角传感器3采用二维磁阻传感器KMZ52来测量地球磁场的两个水平分量的大小来完成角度的计算的。通过偏差补偿和相应的数字滤波提高了系统测量的精度。微处理器模块1的串行接口连接LED驱动器7，LED驱动器7连接LED数码管8，LED阵列9连接微处理器模块1，它是由一组高亮度或超高亮度、单基色或双基色或三基色发光二极管组成。LED驱动器7采用74HC595来驱动一位静态共阳LED数码管8，电路原理图如图5所示，其时钟数据分别连接微处理器LPC2131的SPI接口SCK0、MOSI0，这样就可以发送数据到74HC595。而最高位输出连接到微处理器LPC2131的SPI接口的MISO0，可用来读回数据。在使用硬件SPI接口主方式时，要把SPI0/1的4个I/O口均设置为SPI功能。而且SSEL0/1引脚不能为低电平，一般要接一个上拉电阻。本装置还具有8个独立的LED，如图6所示，电路采用了I/O口灌电流的驱动方式来驱动LED，保证了LED的显示亮度，LED阵列9由一组高亮度或超高亮度、单基色或双基色或三基色发光二极管组成，并排放置成列。根据车辆侧倾程度，发光二极管依次点亮，点亮的发光二极管越多，表明车辆侧倾程度越严重；同时，发光二极管点亮的方向也表示车辆侧倾方向。当车辆侧倾度处于预警临界时，发光二极管集体闪烁。通过这种显示方式，第一时间提醒驾乘人员。LED数码管8提供了直观的数字输出，主要用于实时显示侧倾角度和加速度。报警电路由七段数码管模块、发光二极管和蜂鸣器或语音电路组成，驱动电路直接连接到了微处理器的SPI口上。发光二极管采用I/O灌电流的方式驱动，蜂鸣器采用三极管来驱动，连接微处理器模块的PWM接口。电路结构原理图如图7所示，当P0.7控制电平输出0时，Q1导通，蜂鸣器蜂鸣；当P0.7控制电平输出1时，Q1截止，蜂鸣器停止蜂鸣。本装置蜂鸣器控制电路采用了PWM调制方式11，同较简单的单音阶发声系统相比，本装置可根据声音频率，预先设定警报形式，达到更有效更人性化的报警方式。键盘输入电路用来输入车型、汽车的实际载重量、载重后的汽车重心高度等信息和系统的自检。本实施例使用6个独立按键5，分别为KEY1-KEY6，电路结构如图8所示。由于P0口作为输入时，内部无上拉电阻，所以要使用R28-R33等6个上拉电阻。当没有按键时，口线值为1；当按键按下时，口线值为0。其中，KEY1、KEY5所连接的口线为P0.16、P0.20，这两个口分别与外部中断EINT0、EINT3复用。KEY2、KEY3、KEY4和KEY6所连的口线为P0.17、P0.18、P0.19和P0.21，可用作定时器的捕获输入。

按键功能定义如下：

按键1：启动车辆定型程序，再按一次结束

按键2-4：用于输入车辆型号和实际载重量和载货后的重心高度

按键5：系统自检

按键6：系统复位

本实施例系统存储器内部存储了各种汽车的数据库软件，该数据库中包括汽车型号、汽车重量、载重量、簧载质量重力、重心高度、轮胎垂直刚度和轮距等汽车出厂信息。

系统首次安装时，需由用户输入车辆型号，由程序调用系统内预先设定的数据库，确定车辆型号。实验数据表明，同一车型在货物装载状况不同时，车辆侧翻情况有很大差别，为了更精确的预报车辆侧翻，系统特别设计了车辆货物装载状况的程序，以适应不同的货物装载状况。系统每次使用时，由驾驶人员输入装载货物的重量，汽车载重后重心的高度和位置等信息，达到了精确预报车辆侧翻的目的。车辆定型程序流图和侧倾系统程序流程图如图9所示；通过传感器实时的采集汽车的测向加速度和倾角信息，将其转换为汽车综合侧翻因子，作为判断汽车侧翻的条件，当侧翻因子达到汽车侧翻阈值时，进行报警，这样就能够避免侧翻现象的发生，能够有效的减少侧翻引起的交通事故。

实施例2：

结合图4，本实施例基本结构同实施例1，不同在于MEMS微加速度计2采用美新公司I2C接口的双轴加速度计MXC62020M，美新公司的I2C接口的双轴加速度接口电路原理图如图4所示，其他结构同实施例1。

Claims

1.一种汽车侧翻报警装置，它包括微处理器模块、连接微处理器模块的电源模块、键盘电路、报警电路和LED驱动显示模块，其特征在于它还包括MEMS微加速度计模块与侧倾角电路，侧倾角电路输出端口与微处理器模块的I/O输入端口相连，MEMS微加速度计模块与微处理器模块的输入接口相连，侧倾角电路包括安装在汽车车厢上的侧倾角传感器，MEMS微加速度计模块包括安装在汽车车厢上的MEMS微加速度计。

2.根据权利要求1所述的汽车侧翻报警装置，其特征在于所述的侧倾角传感器为高精度的加速度计、磁阻传感器、陀螺仪或至少一个低精度加速度计。

3.根据权利要求1或2所述的汽车侧翻报警装置，其特征在于所述的MEMS微加速度计包括至少一个单轴、双轴或三轴的MEMS高精度的微机械加速度计。

4.根据权利要求1所述的汽车侧翻报警装置，其特征在于所述的MEMS微加速度计的输出端连接A/D转换模块，A/D转换模块的输出端和微处理器的输入端口相连。

5.根据权利要求1所述的汽车侧翻报警装置，其特征在于所述的报警电路由七段数码管模块、发光二极管和蜂鸣器或语音电路组成，驱动电路连接微处理器的SPI口，蜂鸣器连接微处理器模块的PWM接口

6.根据权利要求1所述的汽车侧翻报警装置，其特征在于所述的LED驱动显示模块包括LED驱动器、LED数码管和LED阵列，微处理器模块的串行接口连接LED驱动器，LED驱动器连接LED数码管，LED阵列连接微处理器模块，LED阵列是由一组高亮度或超高亮度、单基色或双基色或三基色发光二极管组成。

7.根据权力要求1所述的汽车侧翻报警装置，其特征在于所述的键盘输入电路包括6个独立按键KEY1-KEY6和6个上拉电阻R28-R33，按键KEY1-KEY6分别连接上拉电阻R28-R33到电源，同时分别连接微处理器模块的口线P0.16-P0.21。