CN101510097A - 汽车智能自动行驶及防盗系统 - Google Patents

Abstract

一种能够控制汽车在通过限速道路时自动限速，行驶中随时确定保持当前车速而无需脚踏加油踏板；遇到障碍物时，根据车速及安全距离自动减速或者制动的汽车智能自动行驶及防盗系统。利用两个旋转编码器分别检测加油踏板、制动踏板位移而感知驾驶员的动作；激光测距传感器感知汽车与前后障碍物之间的安全距离；车速表感知车速。采集信号由微处理器运算分析后，采用智能化方法，自动选定安全工作程序，指令步进电机运动来操控汽车行驶在安全车速、车距范围，保证汽车与障碍物有一个安全距离。能够接收交通管理部门的公共限速信息与解除公共限速信息。能够接受交通管理部门的数据验证与修正。驾驶员无法人为超速，也无法故意减少安全距离。

Description

汽车智能自动行驶及防盗系统

所属技术领域

本发明涉及一种能够自动控制行驶中的汽车，通过限速道路时，自动限速；行驶中能够自动定速保持；在遇到障碍物的一定距离时，自动减速、制动的安全自动行驶装置，适用于汽车工业的汽车智能自动行驶及防盗系统。

技术背景

目前，公知的汽车减速、制动都是采用人工操作的方式，当驾驶员目测到会发生危险事故的障碍物时，减油门，踩制动踏板。往往有些驾驶员会有侥幸心理，冒险尝试通过。在一些限速通行的道路上，也会有驾驶员超速行驶。交通管理部门，都是采取事后处罚的办法，进行警告驾驶员。现在，有些汽车安装的巡航控制系统(CCS)，只是局限性的恒速功能，系人为预置产生的效果，不能够跟随车速随机保持，没有实时智能控制。很多状况是当汽车遇到障碍物时，由于驾驶员反应迟钝，而贻误制动时机，造成撞车，甚至车毁人亡！而防盗装置，普遍用钥匙、磁卡的插取方式，或者遥控器加锁的方式，都极易被复制、拷贝、盗码。

发明内容

为了克服现有汽车工业生产技术的不足，本发明提供一种智能化管理、规范及约束驾驶行为，能够随时植入交通管理门的安全管理指令，在限速通行的道路上自动限速，能够跟随车速随机保持当前行驶车速，自动按照安全车速、安全车距行驶，在遇到危险障碍物时自动减速、制动的智能化汽车自动行驶及防盗系统。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

采用单片机、ARM或DSP微处理器带有液晶中文显示界面(含遥控接收器及步进电机驱动器)(以下简称：CPU)、遥控编码器、激光测距传感器、车速表、旋转编码器、摇把式拉杆、档位传感器，共同构成汽车智能化自动行驶管理系统。CPU接收遥控编码器、激光测距传感器、车速表、旋转编码器的信号，经过运算分析后，指令两台步进电机，分别执行控制节气门、制动总泵泵阀，达到限速、定速、减速、制动目的。步进电机能够接收数字信号，实时快速地进行各种复杂运动。其定位精度十分方便地控制在0.01毫米。远远超过人工定位精度。而且，步进电机的动作反应时间，能够控制在0.1秒左右，也是人工动作无法实现的。利用数字化信息管理模式，使用数字控制方法，能够消除人为不利因素，极大增强汽车行驶的安全性能。在汽车生产中，将这套智能化管理装置，融入整车装配，具有十分可靠的安全保障。确保汽车在行驶中能够避免车毁人亡的撞车事故。为了保证本发明使用安全，CPU用键盘设置开机密码及后台数据加密的方法，只开放汽车怠速参数调整及行驶最高车速设置，其他参数能够接受交通管理部门查验。CPU开机密码设计为使用十六位键盘操作，只有密码通过，汽车才能够被驾驶，才能够智能化自动行驶。这样的设计，加强了汽车防盗性能，即使破坏车门进入车内，也无法驾驶汽车。其防盗密码，能够由交通管理部门提供修改服务。下面按照本发明的各个控制单元及部件功能分别详细说明：

一、微处理器的芯片内核能够选择采用三种：单片机、ARM、DSP。内置的遥控接收器及步进电机驱动器，能够选用的品种非常多，只要保证使用功能即可。采用C语言编写各部分的程序，设置密码，防止随意改变安全程序参数。实现同一个目标，不同的程序员编写的程序，可能会有所不同。因此，这里不对源程序进行描述。下面简单介绍几种微处理器芯片内核：

单片机(Single Chip Microcomputer)是微型计算机的一个重要分支，能够针对某一应用场合要求而设计的效率结构最紧凑、性能高、价格低廉的专用计算机系统。通常指8位和16位单片机。

ARM处理器，在低功耗和多媒体信息处理方面，有十分强大的优势，可以认为是32位单片机。

DSP(Digital Signal Processor)是一种独特的微处理器，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的器件，能够实时快速地实现各种大量数字信号处理算法，具有可编程性，其实时运行速度可达每秒数千万条的复杂指令程序，而且，处理数字信息量功能特别强大。

本发明采用单片机作为CPU内核，包括输入输出信号逻辑电路、遥控编码发射与接收电路、步进电机细分驱动电路，都使用C语言编写的程序，实现了汽车智能化自动行驶及防盗系统控制。步进电机采用64细分驱动，其旋转位移精度达到0.01毫米，动作反应时间达到0.1秒。远远超出人工控制水平。

二、遥控编码器接收部分内置于CPU设备机箱里，发射部分归属交通管理部门，设置统一的频率发射、接收频点。能够统一接收交通管理部门的公共限速指令信号。限速范围的程序，预先植入CPU。限速范围分为数档，由遥控编码器接收到的编码信号，提供给CPU自动选择确认。遥控编码器的限速信号对人工设置的限速数据有强制复位的功能。因此，人工设置的最高通行车速超过限速道路的最高车速时，CPU首选接收到的限速公共信号，自动限制汽车通行速度。只要CPU判断认为安全的状态，就许可人工加速，否则加速无效。脚踏加油踏板，其下面的旋转编码器信号传送给CPU，CPU经过运算后，输出数字信号，指令步进电机按加油程序动作，达到加速目的。但是，加速的最大值是CPU接收遥控编码器的信号后，而选中的步进电机安全运动程序。例如，当汽车进入高速公路入口处，有交通管理部门在此发出一个相应的遥控编码器指令信号，CPU收到这个指令，即输出相应的工作指令，选定步进电机的本次工作方案，步进电机就能够准确地执行其运动范围，控制节气门严格在最大范围内工作，从而限制车速。只有离开这个限速路段时，接收到遥控编码器的解除信号后，就能够按照其它速度行驶。

三、旋转编码器可以使用四个。其中两个分别置于加油踏板及制动踏板支杆支点处，并且与旋转编码器的主轴紧密连接，带动主轴旋转，为必须配置的信号检测单元；另外两个分别安装在加油及制动步进电机的后端，监测步进电机是否安全工作，可以不用。加油踏板不用传统机械式的推(拉)杆，只需要联动旋转编码器主轴。制动踏板保留原有传统机械推(拉)杆不变，增加旋转编码器。当驾驶员分别脚踏加油踏板、制动踏板时，各自的位移量由旋转编码器转换为数字量信号传到CPU，经过运算分析，输出工作指令，控制两台步进电机分别朝某个方向旋转，带动摇把式推(拉)杆，分别调节节气门及制动总泵泵阀，车速必然能够限制在设计好的安全的工作范围。就是说，加油踏板下的旋转编码器有效工作前提是：受到制动旋转编码器信息制约、遥控编码器信息制约、车速表信息制约、激光测距传感器信息制约、档位信息制约。制动踏板下的旋转编码器，为始终有效工作，不受任何信息制约，CPU实时采集其位移信号，并及时指令制动工作的步进电机朝着制动方向旋转并保持与人工制动同步动作，同时加油的步进电机则朝向减小节气门的方向运动。

为确保制动功能的万无一失，设计了人工制动与自动制动能够双管齐下、又能够各自独立工作的结构。保持人工制动总泵的结构不变，再增加一个自动制动总泵并联到分路式油压(气压)系统中。实际上，自动制动总泵，总是提前于人工制动总泵的0.3秒以上，滞后的人工制动，仅仅起到“后备军”的作用。当自动制动系统发生故障失效以后，人工制动仍然有效，更好地完善了制动安全性能。

加油踏板与制动踏板下面两个旋转编码器检测到的位移数值，与对应的两个步进电机的旋转角度，有各自的比例值，分别控制节气门的开度大小、制动总泵的压力大小，实现定速、限速、减速、制动目的。

四、激光测距传感器需要两个，分别安装在车头、车尾，自动判断汽车前进、后退的安全距离，测距范围能够在0.3—300米之内。激光测距传感器能够输出数字信号，将车身与前后障碍物的距离信息，提供CPU进行运算分析，并且与转速表数据作比较，实时选定合适的安全工作程序。汽车前进时，安装在车头的激光测距传感器能，开始工作，而车尾的激光测距传感器自动关闭。汽车倒退时，激光测距传感器的工作与之相反。这是由于档位传感器的制约作用。

激光测距传感器获得“距离”数据，CPU经过运算、分析、比较得出汽车的安全速度、安全距离之间的安全比例数据，以此指令步进电机的运动在合适的工作范围，也就是许可人工加油加速的最大范围。这样，汽车就能够保持行驶在安全速度内，并且能够保持安全距离。驾驶员即使用力踩踏加油踏板，CPU默认加油踏板下的旋转编码器的数值，只能够在最大值以下有效。驾驶员就无法超过规定车速行驶。下面举例说明：

假设一辆安装了本发明的汽车，车速为120公里/小时，要求安全车距要在120米以上。此时，位于汽车车身前方的激光测距传感器，能够将汽车与前方障碍物(包括行驶中的车辆)的距离实时传到CPU。CPU依据车速表的速度值，自动选定加油踏板下面旋转编码器的最大有效值，指令控制节气门的加油步进电机，只能运动在最大位移的合适位置，使得汽车行驶在120公里/小时的范围内。当汽车前方有障碍物而接近安全值时，CPU发出减速或制动的指令，同时指令两台步进电机执行减速、制动的程序，各自履行自动控制节气门及制动总泵泵阀，也可以同时人工制动。当驾驶员疲劳或反应迟钝时，CPU按照规定的安全行驶程序超前于人工制动动作0.3秒，有效地减小制动距离，充分体现出“智能自动行驶”的优越性。

如果设置车距在0.3米(或其它距离都能够预先设置)为最小极限距离，那么，汽车到达这个车距时，CPU将会自动采取减速、制动程序，致使汽车无法前进、后退而停止。即使两辆装有相同激光测距传感器的汽车迎面行驶，各自都会即时启动减速、制动程序。加油步进电机控制节气门接近或处于怠速状态，另一台步进电机则执行推(拉)制动总泵泵阀，执行减速、停车动作。在CPU的程序中，车速与安全车距，任何状态下，都表达为固定的比例关系。因此，汽车行驶中，CPU的程序能够自动指令加油步进电机与制动步进电机工作在符合标准的运动范围。

汽车行驶的任何状态，CPU默认制动踏板下的旋转编码器数值始终有效，随时启动减速、制动程序。此时，自动制动与人工制动互相没有干扰，能够同时完成制动，或者分别各自完成制动任务。这样的设计，主要为了双保险，增强汽车行驶安全性能。

五、车速表应当能够输出模拟量，例如是电压或电流。最好使用能够输出数字量信号的车速表。无论是什么信号，CPU都能够进行处理，指令步进电机按照规定的安全程序工作。

六、安装在步进电机后出轴上的旋转编码器，能够识别旋转方向、旋转角度。旋转编码器能够检测步进电机是否丢步，CPU输出驱动信号，就能及时修正步进电机误差。通常，这两台旋转编码器，可以省去不用。只是步进电机的辅助器件，监测其是否正常工作。步进电机发生故障，显然汽车的车速将会不合理，CPU就会依据旋转编码器的不合理信息，发出警告，提醒驾驶员需要检修。

七、加油步进电机选用混合式57BYGH系列，制动步进电机选用混合式86BYGH系列，能够保证汽车在剧烈振动、颠簸时，有足够的保持转矩而不丢步，保持准确动作。两台步进电机，分别安装在节气门附近、制动总泵附近。两台步进电机的出轴均装有摇把，推(拉)杆的一端固定于摇把，另一端分别连接到节气门、制动总泵泵阀。推(拉)杆都能够随摇把转动，位移一定长度的行程，控制节气门的开度与制动总泵的制动压力，达到调整车速及制动目的。推(拉)杆均为不易变形的细钢棒。通常，步进电机在合理的负载状态下，始终没有累计误差，旋转角度与程序指令输出的脉冲数始终保持一定的比例。例如，步距角为1.8°的步进电机，接收200个脉冲，旋转360度。CPU的控制程序就是按照这个规律而编写的。步进电机用于本发明，主要进行正反旋转、准确定位、产生保持转矩(即自锁功能)几种工作状态。汽车定速保持，就是利用步进电机的自锁功能。即加油步进电机控制节气门，到达某个位置断开脉冲而加电。此时，步进电机就获得保持转矩，不受汽车颠簸、振动等外部因素的干扰，稳住节气门，也就保持了汽车行驶车速不变。即使脚踏加油踏板，也是无效的。但是，制动踏板随时动作都有效，能够人工制动，或者CPU指令制动步进电机，执行自动制动。

八、CPU置于一个坚固的金属盒内，能够加铅封、数据加密码方式，接受交通管理部门的验证及修正。但是，汽车怠速参数开放、最小安全距离可以适当加大、最高车速能够预设，驾驶员能够自行调整。但是，当CPU接收到公共限速信息时，以公共限速信息的最高车速，代替人工预设的最高车速。

九、汽车行驶在在某个车速状态，按一次定速按钮，则无需脚踏加油踏板，自动保持当前车速，即定速保持功能。之后，有下列情形之一，定速保持功能立即失效：1、脚踏制动踏板一次；2、按一次释放按钮；3、汽车接近前进安全距；4、公共限速的车速低于定速保持的车速，CPU接收到公共限速信息时。车速保持功能失效，只是本次而言。定速保持失效后必须脚踏加油踏板，才能够实现加速及正常行驶。下次，能够重复上述自动定速保持程序。CPU还提供各种最高车速的预置功能，但是，交通管理部门的公共限速信息，对其有优先制约作用。就是说，CPU的程序，在任何状态下，首先以遥控接收器的信息确定汽车行驶的最高速度。只要没有接收到交通管理部门的公共限速信息，汽车就能够按照预先设置的最高车速行驶。最高车速的控制，是通过加油步进电机控制节气门的最大开度位置来实现的。也就是控制加油步进电机工作的最大行程。CPU的程序表达为控制输出驱动加油步进电机的脉冲数。

十、档位传感器选用磁敏元件。将六个磁敏探头分别装置于1、2、3、4、5、R的方位，在换档手柄上的合适位置安装一块磁铁，挂档或空档的信息，分别以“0”或者“1”的方式告知CPU。对于手动档汽车，各个档位的顺序信号，经过CPU的判断，确定相应的行驶最高车速。而自动档汽车，档位传感器的信号，只要获取前进、后退、空档三个信号。档位信号，能够使CPU输出开关信号，由继电器或开关三极管执行开关车头、车尾的激光测距传感器。例如，当置于空档位，前后激光测距传感器全部关闭。无论哪种汽车，CPU采集到的档位信号，都能够自动选择默认的最高车速。但是，在行驶过程中，只要接收到交通管理部门的公共限速信息，CPU即选择公共限速信息所规定的最高车速。

十一、上述各部分的自动程序动作，都能够用中文在液晶屏上显示，也能够以语音方式播报，告知驾驶员。例如：在没有输入正确密码时，提示“请输入正确密码”；密码输入正确，提示“请系好安全带，谨慎驾驶！”；在遇到障碍物时，提示“请注意，开始减速”、“请注意，开始制动”；离开障碍物时，提示“可以加速行驶，请注意安全！”

十二、设计十六位键盘操作，输入密码、设置数据。密码需要六位(或更多位)，无法复制、拷贝，完全由驾驶员操作键盘输入。密码如果多次不通过，CPU就启动防盗程序，指令步进电机复位，将节气门关闭，执行完全制动。发动机无法启动，四个车轮全部处于制动状态。由于步进电机必须由驱动程序指令，转子才能够转动，执行安全驾驶动作。即使是汽车维修专业人士，如果没有驱动程序指令的支持，对于装备了本发明的汽车亦无法维修、驾驶。只有输入密码通过，CPU才能够输出安全驾驶的程序指令。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明第一个实施实施例的剖面构造图。图2是本发明第二个实施例的剖面构造图。图3是本发明第三个实施例的剖面构造图。图4是档位信号采集结构图。

图中：1.微处理器，即CPU，2.十六位键盘，3.摇把，4.节气门推(拉)杆，5.节气门，6.摇把座，7.加油步进电机，8.步进电机转子轴，9.旋转编码器，10.加油步进电机信号线，11.定速按钮，12.制动步进电机信号线，13.步进电机转子轴，14.旋转编码器，15.制动步进电机，16.自动制动总泵，17.自动制动推(拉)杆，18.摇把座，19.摇把，20.人工制动总泵，21.人工制动推(拉)杆，22.振动旋转编码器主轴，23.旋转编码器，24.制动踏板支架，25.制动踏板，26.压力传感器导线，27.释放按钮，28.液晶中文显示屏，29.加油踏板，30.加油旋转编码器，31.加油旋转编码器导线，32.十六位键盘，33.CPU，34.定速按钮，35.释放按钮，36.液晶中文显示屏，37.制动信号采集端口，38.制动旋转编码器安装法兰，39.制动旋转编码器主轴，40.制动踏板支架，41.加油踏板支架，42.加油旋转编码器主轴，43.旋转编码器安装法兰，44.制动踏板，45.制动旋转编码器，46.制动旋转编码器导线，47.后置激光测距传感器，48.后置激光测距传感器导线，49.前置激光测距传感器导线，50.前置激光测距传感器，51.CPU，52.变速箱，53.1档磁敏传感器，54.3档磁敏传感器，55.5档磁敏传感器，56.CPU，57.R档磁敏传感器58.4档磁敏传感器59.2档磁敏传感器，60.换档手柄上的磁铁。

具体实施方式

在图1中，CPU(1)能够接收交通管理部门的限速信号，指令制动步进电机(15)开始制动减速，同时，加油步进电机(7)开始控制节气门开度，只能够在最高限制车速位置以内运行，即限速功能开始有效。当CPU(1)接收到交通管理部门的解除限速信息，加油步进电机(7)能够按照其它车速控制节气门，安全行驶。CPU(1)的十六位键盘(2)，能够预置各种最高车速的信息及密码输入。自动制动推(拉)杆(17)由制动步进电机(15)执行位移动作，达到制动目的。人工制动推(拉)杆(20)与自动制动推(拉)杆(17)，可以同时动作，也可以分别动作。摇把座(6)与摇把座(18)都是与步进电机转子轴紧密配合连接，摇把(3)与摇把(4)都能够分别在摇把座(6)与摇把座(18)中转动。旋转编码器的主轴(22)与制动踏板支架(24)为紧密配合连接，带动制动旋转编码器主轴(22)旋转，旋转的幅度由制动踏板(25)决定。编码器(9)与编码器(14)，实时监控加油步进电机(7)与制动步进电机(15)是否安全工作。

在图2中，加油旋转编码器主轴(42)与加油踏板支架(41)为紧密配合连接，同时转动。制动旋转编码器(45)固定于安装法兰(38)，加油旋转编码器(30)固定于安装法兰(43)。在汽车行驶中，按一次定速按钮(34)，汽车能够自动保持当前车速行驶，无需脚踏加油踏板。当制动踏板(44)有脚踏位移时，制动旋转编码器(45)立即将信号传到制动信号采集端口(37)，CPU就选择减速、制动程序。制动信号采集端口(37)还能够接收其它控制信息。也可以按一次释放按钮(35)，释放定速保持。制动旋转编码器(45)，制约加油旋转编码器(30)的使能作用。

在图3中，前置激光测距传感器(50)与后置激光测距传感器(47)，能够自动开启与关闭，能够实时检测到各种障碍物距离，包括行驶中的汽车、行人，反应速度为0.1秒。能够将测距信息提供给CPU(51)，选定合适的安全行驶程序。

在图4中，换档手柄上的磁铁(60)，靠近一档磁敏探头(53)，CPU(56)就知道汽车需要前进，程序自动指令步进电机在安全工作范围运动。其它各个档位，均如此工作。

Claims (10)

1.一种汽车智能自动行驶及防盗系统，由位于加油踏板及制动踏板支架支点处的旋转编码器感知驾驶员的动作，激光测距传感器感知汽车与障碍物之间的安全距离，车速表感知行车速度，通过微处理器运算分析后，指令步进电机按照安全程序工作，操控汽车能够自动限速、定速、减速、制动。输入密码通过，才能够驾驶汽车，实现防盗。其特征是：人工加油及人工制动信息由旋转编码器采集，交给微处理器运算分析，协调汽车自动限速、定速、减速、制动，程序指令步进电机带动摇把式推(拉)杆控制节气门及制动总泵泵阀，实现自动行驶，同时允许人工制动。

2.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：汽车通过限速路段时自动接收交通管理部门的公共限速信息与解除限速信息，并且制约驾驶员预先设置的限速信息，自动行驶在安全车速、安全车距范围。

3.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：微处理器的后台数据保密，只能接受交通管理部门的验证及修正，但怠速数据、限速数据及定速保持数据开放，便于驾驶员调整怠速及定速保持。

4.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：微处理器运算分析旋转编码器、车速表、激光测距传感器及交通管理部门公共限速信息的数据，自动选定安全车速、安全车距，驾驶员无法故意超速，也无法故意减小汽车与障碍物的安全距离。

5.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：加油踏板及制动踏板的支架支点安装在旋转编码器的主轴上，带动旋转编码器主轴旋转，实时采集加油踏板及制动踏板的位移信息，给微处理器运算分析。

6.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：激光测距传感器安装在车头和车尾，由微处理器指令自动开启、关闭，实时采集汽车与障碍物的距离，给微处理器运算分析。

7.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：汽车行驶在某个车速时，按一次定速按钮，利用步进电机自锁，稳住节气门，即自动保持当前车速，自动行驶，无需脚踏加油踏板，并能够人工解除或自动解除。

8.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶系统，其特征是：各个动作指令都以文字显示或语音播报，告知驾驶员。

9.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：使用十六位键盘输入密码，一次性密码通过，允许驾驶，否则，微处理器启动防盗程序，自动关闭节气门，并且完全制动，无法驾驶。

10.根据权利要求1所述的汽车智能自动行驶及防盗系统，其特征是：人工制动总泵与自动制动总泵共同连接到液压制动或气压制动回路中。

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