CN101231776A - 一种振动式汽车追尾报警装置 - Google Patents
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Abstract
一种振动式汽车追尾报警装置，属于汽车安全辅助驾驶技术领域。包括报警控制器和振动式踏板机构。报警控制器包括CAN通讯模块、微处理单元和驱动电路；CAN通讯模块PCA82C250的PCANtx和PCANrx引脚分别与微处理单元MC9S08DZ60单片机的PCANtx和PCANrx引脚相连，CAN通讯模块有通用式接口，可并入车载CAN网络；驱动电路SN7407N的输入PWM1与微处理单元对应输出相连；驱动电路输出端与踏板机构的电机相连。本发明通过对驾驶员脚部振动实现报警，对驾驶员负面影响小；可采用分级报警策略；机械结构简单，易于实现；成本低廉、兼容性强、人性化，有利于大批量加工和改装。
Description
技术领域
一种振动式汽车追尾报警装置，应用在汽车追尾报警系统中为驾驶员提供报警信息，属于汽车安全辅助驾驶技术领域。
背景技术
追尾事故在交通事故中占有相当大的比例，而驾驶辅助技术中的汽车追尾报警系统能够探测追尾危险并提醒驾驶员，有效减少追尾事故。追尾报警系统一般由传感器和报警装置组成，传感器包括雷达和摄像机等，用于获取前方车辆的相对距离和相对速度等信息，而报警装置则根据传感器的信息做出报警判断，并向驾驶员发出警告信息。本发明主要针对其中的报警装置进行设计。由于追尾报警系统直接和驾驶员产生人机交互，所以报警方式对报警效果有着很重要的影响。目前国内外已有的报警方式归纳起来主要有以下几种：
听觉报警方式：即通过声音(语音、蜂鸣声等)向驾驶员提供报警信息。这种方式的优点在于：实现起来比较简单，成本较低，驾驶人容易接收报警信息，对正常驾驶干扰较小；其主要缺点在于：不同强度和不同频度的报警具有不同的报警效果，声音过大，可能对驾驶人或乘车人产生干扰，声音太小，驾驶人听不到报警，起不到报警效果。另外，车内外的噪声是随时变换的，报警效果受行车环境的影响很大。目前已有的技术是通过语音芯片提供语音报警、蜂鸣器发出的蜂鸣声或借助于汽车音箱提供的报警声音的装置。
视觉报警方式：即通过图形等警示信息向驾驶入提供报警。这种方式的特点在于：图形警报信息较直观，若应用恰当，能起到一定的警示作用。其缺点主要是：驾驶员不易获取警示信息，如果驾驶员观测警示信息，则会分散驾驶员正常开车的注意力，反而增加了不安全的因素。
嗅觉报警方式：通过释放某种味道的气体(如香味等)，向驾驶员提供报警信息。这种方式的特点在于对驾驶员正常驾驶影响较小。其缺点在于：报警实时性不够，另外，气味释放装置复杂，不同驾驶员对味觉的敏感程度不一样，在驾驶员饮酒、疲劳等状态下，其报警效果更无法得到满足，所以这种报警方式很少实际应用。
触觉报警方式：通过振动、吹风等方式，让驾驶员通过触觉感受到危险的存在。这种方式的优点在于：驾驶员感受危险比较直接，尤其是通过振动方式。目前的技术是通过驾驶员座椅振动或方向盘振动等方式向驾驶员提供报警信息，这些振动方式的缺点主要在于报警装置的结构复杂，成本较高，对车辆改动较大，实施比较困难。
发明内容
本发明的目的就是提供一种触觉振动式报警装置，该装置包括集成电路控制器和振动式踏板机构两个主要部分，控制器提供通用的CAN总线接口来接收前方障碍物的信息，通过报警控制器中内嵌的分级报警算法计算追尾危险程度，进而利用振动式的机械结构在存在追尾危险时振动驾驶员的左脚，向驾驶员提供报警信息，振动的频率会根据报警级别自动调整，实现良好的报警效果。本发明结构简单，安装方便，成本低廉，兼容性好，可在各种自动变速车型上改装使用。
本发明作为一种报警装置，能够应用于汽车追尾报警系统的开发。在大部分追尾报警系统中，毫米波雷达、激光雷达或摄像机等传感器获取前车的距离和相对速度信息，车载传感器测量车辆状态信息，这些信息一般都是由信息采集单元采集处理后发送到CAN总线上。本发明的设计思路是：通过通用式的CAN接口直接从CAN总线上获取这些信息，计算发生追尾碰撞的可能性，并控制振动踏板产生不同频率的振动信号，为驾驶员提供分等级的报警信息。
本发明实现这一设计思想的技术方案是：振动式汽车追尾报警装置在硬件上由报警控制器和振动式踏板机构两个主要部分组成。报警控制器中内置了微处理单元、CAN通讯模块、驱动电路模块，微处理单元通过CAN通讯模块与报警系统中的传感器或信息采集单元进行CAN网络通信，获得前面车辆的相对距离和相对速度信息，根据内置的分级报警算法，运算当前追尾危险的程度，判断出系统应该为驾驶员提供的报警级别，进而控制驱动电路模块，发出不同占空比的脉宽调制(PWM)信号。振动式踏板机构安装在驾驶员左脚的位置(相当于手动变速汽车的离合器踏板位置)，由直流电机和踏板组成，直流电机在PWM信号的驱动下以不同的转速转动，带动踏板振动，起到引起驾驶员注意的目的。
一种振动式汽车追尾报警装置，其特征在于，该报警装置依次包括报警控制器和振动式踏板机构：
所述报警控制器依次包括CAN通讯模块、微处理单元和驱动电路；
所述微处理单元为摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60；
所述CAN通讯模块采用了CAN控制器PCA82C250，所述PCA82C250的PCANtx和PCANrx输入引脚分别与所述微处理单元摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60的PCANtx和PCANrx输出引脚相连，CAN通讯模块的输出CANH和CANL接入通用CAN网络；
所述驱动电路包括元器件SN7407N、芯片TLP521-1、MOSFET管IRFZ48N、二极管FR307，SN7407N的输入PWM1与微处理单元MC9S08DZ60的输出PWM1引脚相连，SN7407N的输出PWMO1接入芯片TLP521-1的2号引脚；TLP521-1的3号引脚与MOSFET管IRFZ48N的输入端相连，IRFZ48N的输出端与二极管FR307正极相连，二极管FR307负极接电压；
所述振动式踏板机构由支撑板(1)、支撑踏板(3)、凸轮(4)、电机(6)和回位弹簧(5)组成，支撑板(1)固定在汽车地板上，其上固定电机(6)，电机(6)的主轴上安装有凸轮(4)，凸轮(4)带动支撑踏板(3)上下振动，支撑踏板(3)的一端通过铰接轴(2)与支撑板(1)连接，另一端通过回位弹簧(5)与支撑板(1)连接；电机(6)的正极接电压，负极接驱动电路IRFZ48N的输出PWMOUT1。
本发明还提供一种振动式汽车追尾报警装置，其特征在于，该报警装置依次包括报警控制器和振动式踏板机构：
所述报警控制器依次包括CAN通讯模块、微处理单元和驱动电路；
所述微处理单元为摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60；
所述CAN通讯模块采用了CAN控制器PCA82C250，所述PCA82C250的PCANtx和PCANrx输入引脚分别与所述微处理单元摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60的PCANtx和PCANrx输出引脚相连，CAN通讯模块的输出CANH和CANL接入通用的CAN网络；
所述驱动电路包括元器件SN7407N、芯片TLP521-1、MOSFET管IRFZ48N、二极管FR307，SN7407N的输入PWM1与微处理单元MC9S08DZ60的输出PWM1引脚相连，SN7407N的输出PWMO1接入芯片TLP521-1的2号引脚；TLP521-1的3号引脚与MOSFET管IRFZ48N的输入端相连，IRFZ48N的输出端与二极管FR307正极相连；二极管FR307负极接电压；
所述振动式踏板机构包括脚踏板、振动器和螺栓；
振动器安装在脚踏板的背部，脚踏板与车通过螺栓连接；
驱动电路与振动器相连。
所述振动器包括电机和偏心转子；所述电机正极接电压，负极接驱动电路IRFZ48N的输出PWMOUT1；电机带动偏心转子作回转运动，由于离心力作用产生振动。
本发明采用触觉的方式，通过对驾驶员左脚的触动实现报警，对驾驶员的负面影响小；报警控制器基于通用的电路芯片开发，CAN通讯模块和驱动电路的兼容性好，成本低，且在软件上采用了分级报警的策略，即对驾驶员的触觉深度可根据危险紧急度自动调整，报警效果良好；机械振动结构简单，易于实现，成本低廉，既可在新开发的车型上应用，也可在在用车上改装使用。
通过实际测试表明，该发明与雷达传感器联合使用后，能够有效的探测到前方车辆的信息，并能够及时准确的计算出安全程度，振动踏板方式的触觉报警装置能够有效的使驾驶员接收到分级别的提示信息，起到了防止追尾事故、提高行车安全的目的。
本发明合理的利用了自动变速车辆中制动踏板左侧地板上的空间，根据观察和调研，驾驶员在驾驶过程中绝大部分时间都将左脚放在这一区域中，因此，本发明的设计能够有效的引起驾驶员注意，起到报警提示作用。由于本发明中采用了通用式的控制器接口、分级式的报警算法和振动式的机械结构，因而具有成本低廉、兼容性强、人性化的优点，有利于大批量加工和改装。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为报警控制器中微处理单元电路原理图。
图3为报警控制器中CAN通讯模块电路示意图。
图4为报警控制器中电机驱动电路示意图。
图5为控制电机的信号示意图；
图6为振动式踏板机构的结构图，方案一。
图7为振动式踏板机构的结构图，方案二。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
图1为本发明结构示意图，包括报警控制器和振动式踏板机构两个部分。报警控制器为包括微处理单元、CAN通讯模块和驱动电路模块的集成电路板。微处理单元采用的是摩托罗拉的8位单片机MC9S08DZ60芯片，其电路原理图如图2所示。(图2为报警控制器中微处理单元电路原理图。)本发明中主要引出该单片机的CAN通讯引脚PCANtx和PCANrx，以及脉冲调制引脚PWM1。单片机需要由稳压直流5V电压供电。
为了实现通过CAN总线进行通讯，提供通用式的CAN接口，CAN通讯模块采用了CAN收发器82C250，其电路原理图如图3所示，图3为报警控制器中CAN通讯模块电路示意图，它对总线提供差动发送能力，为微处理单元提供差动接受能力，实现微处理单元的TTL电平和CAN总线差动信号之间的相互转换，在实际电路中，图3中的PCANtx和PCANrx输入引脚分别与图2中的PCANtx和PCANrx输出引脚相连。CAN通讯模块的输出CANH和CANL可以接入任意通用的CAN网络；
图4为报警控制器中电机驱动电路示意图。控制器需要由驱动电路将微处理单元输出的脉宽调制信号转化，带动振动装置中的电机转动，驱动电路模块的设计如图4所示。所述驱动电路包括元器件SN7407N、芯片TLP521-1、MOSFET管IRFZ48N、二极管FR307等，SN7407N的输入PWM1与单片机MC9S08DZ60的输出PWM1引脚向量，各元器件的连接方式如图4所示。对于微处理单元MC9S08DZ60芯片，其PWM1引脚可输出不同占空比的PWM信号，但其输出的是TTL电平，需用元器件SN7407N将其转换为MOS电平后才能用于控制电机供电回路的通断，实际电路中图4中的PWM1输入引脚与图2中的PWM1输出引脚相连。由于电机的12V工作电压对人体不会造成威胁，因此对电机采用低边驱动方式，即控制电机低端的通断，这可以克服高边驱动需增加自举电路的缺点。在图4所示电路中，电机一端接12V电源正极，一端接PWMOUT1引脚。Q1为一个MOSFET管。当光电耦合元件U7的管脚3为高电平时，Q1的栅极为高电平，此时Q1漏极和源极导通，从而把电机的供电回路导通；反之，当U7的管脚3为低电平时，电机的供电回路在电机低端给截断。其中，光电耦合元件U7用于对弱电和强电进行隔离，GND-SI引脚接电源负极。由于这一驱动电路采用脉宽调制方法对电机进行控制，也可方便地通过PWMO1引脚集成到其他带有脉冲信号输出口的车载控制器中，应用于其他电机控制功能。本发明中PWM脉冲信号频率为100Hz，如图5所示。
在软件方面，本控制器采用了基于避撞时间TTC(Time to Collision)的报警算法，TTC的定义如式1所示：
D为车间距离，VR为自车相对前车的速度，这两个变量都可以通过CAN总线从雷达传感器获得。发明中根据驾驶员特性实验获得了驾驶员在接近前车过程中释放油门踏板以及实施制动时刻的平均TTC值，进而将报警分为“小心”、“危险”和“制动”三个级别。这三个级别对应了控制器输出的不同占空比的PWM信号，也就产生了不同的电机转动频率，级别越危险，转速越快。在正常行驶时系统的级别为“安全”，不产生任何振动信号。
在集成各个模块后，报警控制器能够加工为体积很小的集成电路板，布置在车内。在振动报警的机械结构方面，本发明提供了两种实现方案：
图6为振动式踏板机构的结构图，方案一：由两个支撑板、一个电机，一个凸轮和一根回位弹簧组成。一个支撑板(称为底板)固定，其上固定一个电机，电机主轴上安装有凸轮，凸轮带动另外的一个平板(称为脚踏板)上下振动，脚踏板的一端与底板铰接，另一端通过一根回位弹簧与底板相连。当需要报警时，控制器控制电机转动，电机主轴的凸轮则驱动脚踏板绕着铰接处摆动。结构如图6所示，支撑板1上固定有驱动电机6，驱动电机轴上安装有凸轮4，凸轮4支撑一块支撑踏板3，支撑踏板3通过转轴与支撑板1铰接，支撑踏板3与支撑板1的另一端通过回位弹簧5相联。当电机6旋转时，可带动凸轮4旋转，进而可以驱动支撑踏板3绕铰接轴摆动。支撑踏板3的摆动可以通过驾驶员左脚为其提供触觉报警信息。
图7为振动式踏板机构的结构图，方案二：如图7所示，在一个固定踏板的底部安装振动器，该振动器通过电机带动偏心转子作回转运动，转子偏心质量在转动中的离心力带动踏板产生持续振动。脚踏板与车通过螺栓连接。
本发明在国产一汽奔腾轿车以及奇瑞MPV车型上进行了试装。在传感器方面选择日本DENSO公司的CAN通讯式毫米波雷达探测前车距离和相对速度，采用本发明中设计开发的报警控制器和机械振动装置，在报警控制器中加载了基于TTC的分级报警算法。在车辆行进中，驾驶员的左脚放置在报警装置的脚踏板上，当车辆逐渐接近前车的过程中，控制器能够驱动电机以不同频率旋转，驾驶员通过左脚感受到了脚踏板的振动，意识到存在的潜在追尾危险，进而对车辆进行制动。
这两种方案中的电机正极都接12V直流电压，可有车载电瓶供电，负极接驱动电路的输出PWMOUT1。
本发明能够有效的引起驾驶员注意，起到报警提示作用。成本低廉、兼容性强、人性化，有利于大批量加工和改装。
Claims (3)
1.一种振动式汽车追尾报警装置，其特征在于，该报警装置依次包括报警控制器和振动式踏板机构：
所述报警控制器依次包括CAN通讯模块、微处理单元和驱动电路；
所述微处理单元为摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60；
所述CAN通讯模块采用了CAN控制器PCA82C250，所述PCA82C250的PCANtx和PCANrx输入引脚分别与所述微处理单元摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60的PCANtx和PCANrx输出引脚相连，CAN通讯模块的输出CANH和CANL接入通用CAN网络；
所述驱动电路包括元器件SN7407N、芯片TLP521-1、MOSFET管IRFZ48N、二极管FR307，SN7407N的输入PWM1与微处理单元MC9S08DZ60的输出PWM1引脚相连，SN7407N的输出PWMO1接入芯片TLP521-1的2号引脚；TLP521-1的3号引脚与MOSFET管IRFZ48N的输入端相连，IRFZ48N的输出端与二极管FR307正极相连，二极管FR307负极接电压；
所述振动式踏板机构由支撑板(1)、支撑踏板(3)、凸轮(4)、电机(6)和回位弹簧(5)组成，支撑板(1)固定在汽车地板上，其上固定电机(6)，电机(6)的主轴上安装有凸轮(4)，凸轮(4)带动支撑踏板(3)上下振动，支撑踏板(3)的一端通过铰接轴(2)与支撑板(1)连接，另一端通过回位弹簧(5)与支撑板(1)连接；电机(6)的正极接电压，负极接驱动电路IRFZ48N的输出PWMOUT1。
2.一种振动式汽车追尾报警装置，其特征在于，该报警装置依次包括报警控制器和振动式踏板机构：
所述报警控制器依次包括CAN通讯模块、微处理单元和驱动电路；
所述微处理单元为摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60；
所述CAN通讯模块采用了CAN控制器PCA82C250，所述PCA82C250的PCANtx和PCANrx输入引脚分别与所述微处理单元摩托罗拉8位单片机MC9S08DZ60的PCANtx和PCANrx输出引脚相连，CAN通讯模块的输出CANH和CANL接入通用的CAN网络；
所述驱动电路包括元器件SN7407N、芯片TLP521-1、MOSFET管IRFZ48N、二极管FR307，SN7407N的输入PWM1与微处理单元MC9S08DZ60的输出PWM1引脚相连，SN7407N的输出PWMO1接入芯片TLP521-1的2号引脚；TLP521-1的3号引脚与MOSFET管IRFZ48N的输入端相连，IRFZ48N的输出端与二极管FR307正极相连；二极管FR307负极接电压；
所述振动式踏板机构包括脚踏板、振动器和螺栓；
振动器安装在脚踏板的背部，脚踏板与车通过螺栓连接；
振动器与驱动电路输出端相连。。
3.根据权利要求2所述的一种振动式汽车追尾报警装置，其特征在于，所述振动器包括电机和偏心转子；
所述电机正极接电压，负极接驱动电路IRFZ48N的输出PWMOUT1；
电机带动偏心转子作回转运动，由于离心力作用产生振动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080730 |