CN101332813A - 一种汽车制动效能监测及报警系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车制动效能监测及报警系统，属于汽车电子及安全技术领域。该系统所述车辆制动踏板位移传感器、汽车制动压力传感器输出分别和信息采集及控制单元输入相连；信息采集及控制单元输出与报警装置信号输入相连。对应某一制动踏板行程，所述信息采集及控制单元根据实际采集的汽车制动压力信号BP_act以及所述的基准制动压力信号BP_line2的大小，对汽车的制动效能风险度R进行评估，根据评估的风险度R传递信号给报警装置对驾驶员进行报警。信息采集及控制单元为摩托罗拉MC9S08DZ60。本发明增加了系统的可靠性，对预防因制动效能降低或丧失造成的交通事故具有极大的帮助作用；可根据制动性能变坏的程度采用分级报警；系统结构简单，易于实现，成本低廉。

Description

一种汽车制动效能监测及报警系统

技术领域

汽车制动效能监测及报警系统属于汽车电子及安全技术领域。

背景技术

汽车制动效能直接关系到人们的生命财产安全。为此，GB 12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》提出了明确和详尽的汽车制动系统结构要求、制动系统性能要求和制动系统试验方法。国标针对可能造成汽车制动效能降低或丧失的多种情况如部件断裂、制动器磨损等都提出相应的要求，例如国标中规定“液压传能装置某部件失效，必须通过红色报警信号灯通知驾驶员，该信号灯应不迟于促动控制装置发亮”。为满足国家标准的要求，目前汽车上已经有一些针对汽车制动效能失效的监测报警技术，例如，专利CN1597405提出了一种利用电子线性变换位移差动测量装置实时监测车辆制动间隙的方法，但其实施方法复杂，需要对制动系统进行重新设计，并且只顾及制动间隙而无法对制动系统其它性能进行监测。

目前，虽然已经存在一些汽车制动效能监测及报警装置，但每年由于制动系统效能降低或失效仍导致大量的交通事故。例如，2005年12月4日八达岭高速路进京方向49公里处，超载大货车由于制动失灵与前方大客车后部右侧相撞，造成24人死亡，9人受伤，成为新中国成立以来北京市发生最严重的一起交通事故。究其原因，主要是因为目前对制动性能的监测报警装置大都针对某一部件的故障等进行监测，而从总体上针对整个系统性能进行监测的装置则几乎没有，另外，现有的报警监测装置大都是在制动系统失效后才给驾驶员提供报警信息，这势必增加交通事故发生的概率。

综上所述，开发一种从总体上实时监测汽车制动效能变化并能在制动系统失效之前便向驾驶员提供预警信息的技术和系统，对主动预防交通事故具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种汽车制动效能监测及报警系统，该系统通过实时监测车辆制动踏板行程与制动压力之间对应关系的变化情况，以判断汽车制动系统是否因制动介质(制动液或制动气体)泄露、制动部件磨损或损坏等原因造成的汽车制动效能失效或降低，及时提醒驾驶员采取安全措施，保障安全行车。该监测及报警系统从汽车制动系统总体上实时监测汽车制动效能，即可在其制动效能降低或失效时给驾驶员提供及时预警信息，更为重要的是能够预测汽车制动效能的变化趋势，为安全行车提供了一种有效的危险预防技术。该系统既可应用于在用车也可应用于新开发的车型，结构简单，成本低廉。

本发明是汽车运行安全性能监测的重要内容，通过对汽车制动效能的实时监测，判断汽车制动性能的状态，危险情况下及时向驾驶员提供报警信息，预防交通事故。该汽车制动效能监测及报警系统在硬件上的结构组成如图1所示。该系统主要利用车辆制动踏板位移传感器和汽车制动压力传感器探测汽车制动踏板位移和制动压力，利用信息采集及控制单元预先存储该车辆制动性能良好以及满足国家相关标准基本要求的情况下的关系曲线，车辆使用过程中，实时监测两者关系曲线的变化情况，如果存在制动介质泄露、制动部件磨损或损耗等原因即会造成制动效能的降低，反应在制动踏板行程与制动压力关系的变化上，则表现为在同等制动踏板行程的情况下，制动压力将变小，如图2所示。曲线1是汽车制动性能良好情况下的曲线，若制动效能降低，则可能变为曲线2所示的情况。信息采集及控制单元根据一定的判定准则，判断是否需要向驾驶员提供制动效能降低的报警信息，以提醒驾驶员。信息采集及控制单元还可以定期记录汽车制动踏板行程与汽车制动压力之间关系的变化情况，预测制动效能降低的趋势，为驾驶员提供预警信息，帮助驾驶员及早发现问题，保证车辆能够在制动性能状态良好情况下运行，保障行车安全。

本发明通过实时监测汽车制动踏板行程和制动压力关系的变化情况，监测汽车制动效能的高低，其突出特点体现在：第一，从制动系统总体上监测其性能的状况，与制动系统每个部件分别进行监控报警的装置相比，即增加了系统的可靠性，又降低了成本；第二，能够记录制动性能变化的整个过程，可以预测制动效能变化的趋势，对预防因制动效能降低或丧失造成的交通事故具有极大的帮助作用；第三，该系统在在用车上使用时，对在用车的改造主要体现在增加压力传感器和制动踏板位移传感器上，这两者都容易安装实现。而对于一些车辆上已经具有制动压力和制动踏板位移信息的情况，则可以通过CAN总线技术与车辆原有信息进行通讯，简单易行；第四，报警系统即可使用语音报警方式，也可使用图形或数字信息的报警方式，可根据制动性能变坏的程度，采用分级的方式向驾驶员提供不同级别的报警，报警效果良好；第五，系统结构简单，易于实现，成本低廉，即可在新开发的车型上应用，也可在在用车上改装使用。

附图说明

图1汽车制动效能监测及报警系统结构示意图。

图2汽车制动踏板行程与制动压力关系曲线示意图。

图3本发明信息采集及控制单元(单片机)电路原理图。

图4本发明报警提示单元的人机交互界面示意图。

图5灯光及声音报警功能实施电路原理图。

图6驾驶员监控确认功能实施电路原理图。

图7液晶显示模块与单片机的接口电路原理图。

图8本发明各模块的集成电路原理图。

具体实施方式

图1所示为本发明装置的硬件结构框图，其主要包括三个部分：信号感知部分、信息采集与控制单元、报警提示单元。下面结合图和实施例对本发明各部分内容分别作进一步说明。

1、信号感知部分

信号感知部分由车辆制动踏板位移传感器、车辆制动压力传感器组成，二者分别感知车辆制动踏板的位移信号及车辆制动压力信号，并将它们转换成电压信号输出到信息采集及控制单元。

在本发明实施例中，制动踏板位移传感器采用ISAAC仪器公司生产的型号为SENLIN5-500的线性位移传感器，其具有防水防尘特性，工作温度范围为-30℃～85℃，适用于汽车环境。SENLIN5-500位移传感器量程为50mm，供电电压为12VDC，输出为在0～5V间变化并与所测位移量呈比例关系的模拟电压信号。在本发明实施例中，SENLIN5-500位移传感器一端固定于发动机舱和驾驶室之间的隔板上，一端固定在制动踏板上。

本发明实施例所采用的制动压力传感器为安泰测控仪表有限公司生产的AT8051型压力传感器，其具有抗震动、耐冲击的特性，工作温度范围为-40℃～130℃，较适合于在恶劣的汽车发动机舱环境中使用。其供电电压为5VDC，输出为根据所测压力的大小在0.5V～4.5V之间线性变化的模拟电压信号。在本发明实施例中，AT8051型压力传感器接于汽车制动主缸后续的制动管路之中。

2、信息采集及控制单元

信息采集及控制单元所用单片机型号为摩托罗拉公司生产的八位单片机MC9S08DZ60，其主要实现两路AD转换及运行报警决策算法等功能。两路AD转换电路分别用于将车辆制动踏板位移传感器和车辆制动压力传感器输出的模拟电压信号转换成数字信号，其原理图如图3所示。其中，ADINO连接车辆制动踏板位移传感器的信号输出端，ADIN1则连接车辆制动压力传感器的信号输出端。C3、C4、C5、C6为4个电容，R6、R7为两个电阻。C3、C5以及R6构成第一路AD转换电路的滤波减噪电路，C4、C6以及R7构成第二路AD转换电路的滤波减噪电路。D2及D3为两个二极管，其作用是保证单片机AD端口的输入电压不超过VCC。在信息采集及控制单元中，预先存储车辆在制动性能良好及满足国家相关标准基本要求情况下的制动压力和制动踏板位移之间的关系曲线。在车辆使用过程中，利用上述信号感知部分实时采集制动压力和制动踏板位移两者关系曲线的变化情况，如果存在制动介质泄露、制动部件磨损或损耗等原因即会造成制动效能的降低，反应在制动踏板行程与制动压力关系的变化上，则表现为在同等制动踏板行程的情况下，制动压力将变小，如图2所示。曲线1是汽车制动性能良好情况下的曲线。曲线2为仅能满足国家相关标准最基本要求的制动效能曲线。例如，国标GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》要求乘用车在附着系数大于0.7的水平路面上，无论载荷大小，在初始制动速度为50km/h时，制动距离不得超过20米。因此，对于乘用车而言，图2中的曲线2即为在附着系数大于0.7的水平路面上，无论载荷大小，初始制动速度为50km/h并且制动距离刚好等于20米时对应的制动效能曲线。车型与车辆状态不同，曲线2将有所不同，需要提前对其进行标定。对应某一踏板行程，将车辆制动压力传感器所采集到的实际制动压力表示为BP_act，将曲线2对应的制动压力表示为BP_line2。为判断车辆的制动效能状态，本发明引入制动效能风险度评估函数R，其表达式如下：

$R=1-\frac{{\mathrm{BP}}_{\mathrm{act}}-{\mathrm{BP}}_{\mathrm{line}2}}{{\mathrm{BP}}_{\mathrm{line}2}}$

对应某一踏板行程，实际制动压力BP_act越小，风险度评估函数R越大，因此，R的大小能够反映由于车辆制动效能降低而导致车辆行驶发生危险的可能性。风险度评估函数R越大，制动效能降低越多，车辆行驶发生危险的可能性就越大，因此，本发明根据风险评估函数R的大小分级别对驾驶员进行报警提示，设定报警级别G如下：

上述报警规则能在车辆制动效能不能满足相关国家标准之前便对驾驶员发出报警提示，克服了现有的其他一些报警监测装置在制动系统失效后才给驾驶员提供报警信息的缺点。信息采集及控制单元还可根据风险度评估函数R的大小变化定期记录汽车制动踏板行程与汽车制动压力之间关系的变化情况，预测制动效能降低的趋势。从R＞40％开始，R每增加5％便为驾驶员提供一次预警信息，进一步帮助驾驶员及早发现问题，保证车辆能够在制动性能状态良好情况下运行，保障行车安全。

3、报警提示单元

报警提示单元基于上述信息采集及控制单元所用的八位单片机MC9S08DZ60开发，能够实现制动踏板行程、制动压力及风险度的实时显示、三色灯光报警、声音提示报警以及驾驶员监控确认等功能。报警提示单元的人机交互界面如

图4所示。对应于信息采集与控制单元所产生的四个报警级别，报警提示单元的报警方式也对应有四种状态，如表1所示。

表1报警方式

报警级别	描述	灯光形式	报警声音描述
				0	安全	绿灯亮	无报警
1	警告	黄灯闪烁	蜂鸣声间断频率为1Hz
				2	比较危险	红灯闪烁	蜂鸣声间断频率为2Hz
3	危险	黄灯和红灯同时闪烁	蜂鸣声间断频率为4Hz

报警提示单元的三色灯光及声音报警功能具体实施电路如

图5所示。其中，MC1412为集成了7路的复合管驱动专用集成电路，可以直接驱动各种指示灯及蜂鸣器。在本发明实施例中，MC1412的IN1～IN4与单片机的4个IO口相连，以控制LED灯及蜂鸣器的开闭。当输入端IN为高电平时，对应的输出口将与GND导通，从而使对应的OUT电路形成闭合回路，即打开相应的LED灯或者蜂鸣器。反之，IN为低电平时，对应的OUT管脚悬空，即对应的OUT电路无法形成闭合回路。只要使单片机的IO口输出以一定的频率间隔变化的低电平和高电平信号，便可控制LED灯以相应的频率闪烁或者控制蜂鸣器发出相应频率的蜂鸣报警声。IN1所控制的LED1为人机交互界面的红色报警灯，IN2所控制的LED2为人机交互界面的黄色报警灯，IN3所控制的LED3为人机交互界面的绿色报警灯。IN4则控制蜂鸣器电路的通断。LED4为电源指示灯，用于指示系统供电是否正常。R1、R2、R3、R4为限流电阻，其作用是防止通过各LED灯的电流过大。

若在报警过程中，若驾驶员按下人机交互界面中的确认按钮，系统则认为该报警提示已经引起驾驶员的注意，系统将自动暂停报警，直至系统重新启动。驾驶员监控确认功能具体实施电路如

图6所示。其中，SW1为人机交互界面的驾驶员确认按钮，NetIO端与单片机的一个IO口连接。当驾驶员未按下SW1时，NetIO端为高电平，单片机采集到该信号后将保持系统的报警功能；在系统报警过程中，当驾驶员已意识到危险并按下确认按钮时，NetIO端和电源地导通，变为低电平，单片机采集到该信号后将暂时屏蔽报警功能，直至驾驶员重新按下确认按钮。

为实现人机交互界面的信息显示功能，本发明实施例采用的液晶显示屏为CM12864-2SLYB液晶显示模块，其自身内置两个HD61202列控制器和一个HD61203行控制器，它和单片机的接口电路如

图7所示。VSS为液晶显示模块的电源地，VDD为液晶显示模块的供电电源正极，VO为液晶屏驱动电压的正极，VEE为液晶屏驱动电压的负极。RW1为可调电阻，通过对其调节可改变液晶屏的对比度。DB0～DB7为数据线，它们均和单片机的IO口相连接。ELA为显示屏背光源的开关使能端口，CS1/CS2为显示屏右/左半屏的芯片选择使能端口，E为对DB7～DB0中的数据进行锁存的使能端口，R/W为对DB7～DB0进行数据读取/写入的使能端口，D/I为数据类别使能端口，各使能端口均和单片机的IO口相连。

综上所述，本发明装置包括信号感知、信息采集及控制单元、报警提示等三部分。信号感知部分利用车辆制动踏板位移传感器和车辆制动压力传感器分别感知车辆制动踏板的位移信号及车辆制动压力信号，并将它们转换成电压信号输出到信息采集及控制单元。如图8所示，信息采集及控制单元以及报警提示单元均基于同一单片机MC9S08DZ60开发，其主要功能是将信号感知部分输出的电压信号转换成数字信号，运行报警算法，并利用三色灯光、声音提示等报警方式向驾驶员提供制动效能是否降低的预警信息，帮助驾驶员及早发现问题，保证车辆能够在制动性能状态良好情况下运行，保障行车安全。

Claims (7)

1、一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，该系统包括车辆制动踏板位移传感器、汽车制动压力传感器、信息采集及控制单元和报警装置；

车辆制动踏板位移传感器采集车辆制动踏板位移信号；汽车制动压力传感器采集汽车制动压力信号；信息采集及控制单元从车辆制动踏板位移传感器和汽车制动压力传感器采集信号并进行处理，并根据处理情况将信号传递给报警装置；

车辆制动踏板位移传感器、汽车制动压力传感器输出分别和信息采集及控制单元输入相连；信息采集及控制单元输出与报警装置信号输入相连。

2.根据权利要求1所述的一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，所述信息采集及控制单元根据国家标准标定满足国标最基本要求的汽车制动效能曲线，并将其作为判断汽车制动效能高低的基准制动压力信号BP_line2；

对应某一制动踏板行程，所述信息采集及控制单元根据实际采集的汽车制动压力信号BP_act以及所述的基准制动压力信号BP_line2的大小，对汽车的制动效能风险度R进行评估，

$R=1-\frac{{\mathrm{BP}}_{\mathrm{act}}-{\mathrm{BP}}_{\mathrm{line}2}}{{\mathrm{BP}}_{\mathrm{line}2}};$

所述信息采集及控制单元根据所述风险度R的大小分级别给报警装置传递信号对驾驶员进行报警提示，设定报警级别G如下：

3、根据权利要求2所述的一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，所述信息采集及控制单元为摩托罗拉公司八位单片机MC9S08DZ60。

4、根据权利要求2所述的一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，所述报警装置包括语音报警装置和视觉报警装置：当报警级别为0时，视觉报警装置绿灯亮，无声音报警；当报警级别为1时，视觉报警装置黄灯闪烁，并且语音报警装置发出频率为1Hz的间断蜂鸣声报警；当报警级别为2时，视觉报警装置红灯闪烁，并且语音报警装置发出频率为2Hz的间断蜂鸣声报警；当报警级别为3时，视觉报警装置红灯和黄灯同时闪烁，并且语音报警装置发出频率为4Hz的间断蜂鸣声报警。

5、根据权利要求1所述的一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，所述制动踏板位移传感器为ISAAC仪器公司SENLIN5-500线性位移传感器。

6、根据权利要求1所述的一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，所述制动压力传感器为安泰测控仪表有限公司AT8051型压力传感器。

7、根据权利要求1所述的一种汽车制动效能监测及报警系统，其特征在于，所述报警装置包括语音报警装置和视觉报警装置。

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