CN113409636A - 一种汽车主动防撞模拟装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车主动防撞模拟装置，包括用于模拟车轮转动的直流电机、通过模拟组件装配于直流电机的输出轴上用于记录所述直流电机转数的霍尔传感器、用于检测与前方障碍物之间距离的激光测距传感器以及控制模块和执行模块；执行模块包括与控制模块通讯连接的执行驱动器和受所述执行驱动器驱动的步进电机，步进电机的输出轴旋转以模拟刹车踏板旋转制动进而模拟减速过程。当人为触碰节气门踏板时，不会影响制动液或气压回路，可以有效排除人为干扰，防止学生意外触碰影响教学进度。

Description

一种汽车主动防撞模拟装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车主动防撞技术领域，特别是涉及一种汽车主动防撞模拟装置及其控制方 法。

背景技术

电子科技信息技术迅速发展，电子技术在汽车安全方面得到了广泛的应用。

汽车安全防护中主动安全防护是在事故发生之前，利用对周围环境的感知系统，采取措 施来防止事故的发生。不仅减少了人员的伤亡，还有效避免汽车安全事故的发生减少了财产 的损失。

中国发明专利(公开号：CN 204373921 U)公开了一种汽车主动防撞模拟试验装置，控 制电路与试验台上的电控启动刹车系统的电磁阀控制器相连，通过控制电磁阀作用于气动刹 车系统实现制动。但是，在该模拟试验装置中，如果有人触碰到制动踏板，将会影响制动液 压或气压回路从而影响制动效果。

此外，上述汽车主动防撞模拟试验装置，成本较高，不适用于学校教学使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中汽车主动防撞装置设计不合理不便于学生观察的缺陷， 而提供一种汽车主动防撞模拟装置，包括霍尔传感器、激光测距传感器、控制模块和执行模 块；所述执行模块包括与所述控制模块通讯连接的执行驱动器和受所述执行驱动器驱动的步 进电机，所述步进电机的输出轴旋转以模拟刹车踏板旋转制动进而模拟减速过程。

当人为触碰刹车踏板时，不会影响制动液或气压回路，可以有效排除人为干扰，防止学 生意外触碰影响教学进度。

本发明的另一个目的，是提供上述汽车主动防撞模拟装置的控制方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种汽车主动防撞模拟装置，包括用于模拟车轮转动的直流电机、通过模拟组件装配于 所述直流电机的输出轴上用于记录所述直流电机转数的霍尔传感器、用于检测与前方障碍物 之间距离的激光测距传感器以及控制模块和执行模块；

所述霍尔传感器和所述激光测距传感器与所述控制模块的输入端通讯连接，所述执行模 块与所述控制模块的输出端通讯连接；

所述执行模块包括与所述控制模块通讯连接的执行驱动器和受所述执行驱动器驱动的步 进电机，所述步进电机的输出轴旋转以模拟刹车踏板旋转制动进而模拟减速过程。

在上述技术方案中，所述模拟组件包括安装在所述直流电机的输出轴上的圆盘和安装在 所述圆盘上的磁珠，所述霍尔传感器贴合安装在所述圆盘上以检测磁珠的转动。

在上述技术方案中，所述刹车踏板通过离合器安装于所述步进电机的输出轴上。

在上述技术方案中，所述步进电机的输出轴上安装有便于观察输出轴旋转的叶片。

在上述技术方案中，所述执行模块还包括声光报警器。

在上述技术方案中，还包括显示模块，所述显示模块与所述控制模块通讯连接以显示车 速信息和前方障碍物距离信息。

在上述技术方案中，所述显示模块与检测所述踏板位置的电位计电连接以显示其位置。

在上述技术方案中，所述控制模块为STM32F103C8T6单片机；所述激光测距传感器为 905nm激光半导体激光器；所述显示模块为0.96寸OLED显示屏,所述执行驱动器的型号为 TB6600驱动器。

在上述技术方案中，还包括供电模块，所述供电模块将12V直流电通过LM2576稳压芯 片降压至5V和3.3V。

本发明的另一目的，上述汽车主动防撞模拟装置的控制方法，

霍尔传感器检测车速信息并传输至控制模块，激光测距传感器将检测前方障碍物距离信 息并传输至控制模块；

控制模块根据接收到的车速信息计算安全距离并将接收到的前方障碍物距离信息与所述 安全距离进行对比；

如前方障碍物距离信息小于安全距离，控制模块将信息传输至执行模块中的执行驱动器， 所述执行驱动器驱动步进电机旋转，模拟刹车踏板旋转，以降低车速，避免发生碰撞。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的提供汽车主动防撞模拟装置，包括霍尔传感器、激光测距传感器、控制模块 和执行模块；所述执行模块包括与所述控制模块的输出端通讯连接的执行驱动器和受所述执 行驱动器驱动的步进电机，所述步进电机的输出轴旋转以模拟节气门踏板位置改变进而模拟 减速过程。由于步进电机控制制动踏板，当人为触碰制动踏板时，不会影响制动液或气压回 路，可以有效排除人为干扰，防止学生意外触碰影响教学进度。

2.本发明的提供汽车主动防撞模拟装置，利用直流电机模拟车轮的转动，在步进电机的 输出轴上安装叶片模拟踏板运动，并选择成本相对较低的单片机，降低了模拟装置的成本， 减少了教学支出，有利于推广。

附图说明

图1所示为单片机的最小系统；

图2所示为汽车主动防撞模拟装置的整体结构示意图；

图3所示为汽车主动防撞模拟装置的控制方法；

图4所示为霍尔效应电路；

图5所示为步进电机驱动电路。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例 仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种汽车主动防撞模拟装置，如图2所示，包括用于模拟车轮转动的直流电机、通过模 拟组件装配于所述直流电机的输出轴上用于记录所述直流电机转数的霍尔传感器(即车速测 量传感器)、用于检测与前方障碍物之间距离的激光测距传感器以及控制模块和执行模块；

所述霍尔传感器和所述激光测距传感器与所述控制模块的输入端通讯连接，所述执行模 块与所述控制模块的输出端通讯连接；

所述执行模块包括与所述控制模块通讯连接的执行驱动器和受所述执行驱动器驱动的步 进电机，所述步进电机的输出轴旋转以模拟刹车踏板旋转制动进而模拟减速过程。

具体来说，所述模拟组件包括安装在所述直流电机的输出轴上的圆盘和安装在所述圆盘 上的磁珠，所述霍尔传感器贴合安装在所述圆盘上以检测磁珠的转动。

在直流电机的输出轴上安装圆盘，圆盘上安有一个磁珠，直流电机转动带动圆盘转动。 当圆盘上磁珠接近霍尔传感器时，霍尔元件周围的的外磁场增大，电路输出低电平；磁珠继 续转动磁场逐渐减小，小于设定阈值时，电路输出高电平。电机转动一周产生一个脉冲，采 用单片机的外部中断来累计脉冲的个数。当设计的霍尔传感器产生一个脉冲信号时，连接的 单片机管脚检测到低电平后，进入中断服务函数，设置一个变量，每检测到一次低电平+1,在 此函数中累计脉冲个数。开启单片机定时器功能，设置每三秒产生一次中断，将三秒内所累 计的脉冲数除以三秒，就是电机每秒的转速。

具体来说，所述刹车踏板通过离合器安装于所述步进电机的输出轴上，直接用于学生观 察。

上述汽车主动防撞模拟装置的控制方法，如图3所示，霍尔传感器检测车速信息并传输 至控制模块，激光测距传感器将检测前方障碍物距离信息并传输至控制模块；

控制模块根据接收到的车速信息计算安全距离并将接收到的前方障碍物距离信息与所述 安全距离进行对比；

如前方障碍物距离信息小于安全距离，控制模块将信息传输至执行模块中的执行驱动器， 所述执行驱动器驱动步进电机旋转，模拟刹车踏板旋转，以降低车速，避免发生碰撞。

上述汽车主动防撞模拟装置，采用直流电机模拟车轮的转动，以直流电机输出轴的转速 模拟车速，降低了教学成本。

直流电机通过MOS管与所述控制模块通讯连接，利用MOS管搭建buck转换器，通过控制占空比实现对直流电机转速的控制。具体来说，控制模块输出PWM波，通过调节PWM 波的占空比来控制MOS管的通断，从而调节直流电机的转速。

所述步进电机的输出轴旋转以模拟刹车踏板位置改变进而模拟减速过程。当人为触碰刹 车踏板时，不会影响制动液或气压回路，可以有效排除人为干扰，防止学生意外触碰影响教 学进度。

实施例2

作为优选，如图2所示，所述执行模块还包括声光报警器。向驾驶员发出警报，提醒驾 驶员做出反应。

作为优选，还包括显示模块，所述显示模块与所述控制模块通讯连接以显示车速信息和 前方障碍物距离信息。将激光测距传感器和霍尔传感器监测到的车速信息和前方障碍物距离 实时显示在显示模块上，有效对驾驶员进行提醒，制定不同的安全控制策略，实现车辆的安 全驾驶。

作为优选，所述显示模块与检测所述踏板位置的电位计电连接以显示其位置。电位计利 用滑动变阻器与电阻分压，然后连接到单片机的PA4引脚，该引脚可配置成电压AD转换引 脚，将变化的电压模拟量转化为数字量，以检测刹车踏板的位置。

作为优选，或者为节省成本，所述步进电机的输出轴上安装有便于观察输出轴旋转的叶 片，方便观察步进电机输出轴的转动，用叶片的转动模拟节气门踏板的运动，实现教学目的。

实施例3

本实施例是在实施例1和实施例2的基础上介绍其电路连接关系。

所述控制模块采用STM32F103C8T6单片机，STM32F103C8T6单片机的众多优点：

第一、价钱不贵，适合学生进行学习。

第二、超多的外设。STM32拥有包括：2×SPI、3×USART、2×I2C、1×CAN、37×IO口、2×ADC、1×DAC等众多外设及功能，具有极高的集成度。

第三、丰富的型号。具有QFN、LQFP、BGA等封装可供选择。ST公司还提供能适合各种工况的单片机。

第四、超多的优先级。16级可编程优先级，满足各种处理要求，能够更好的处理各种逻辑 关系。

第五、杰出的功耗控制。STM32单片机可以将部分不适用的功能关闭，提高速度，减少功 耗。

单片机的最小系统如图1所示，主要由电源电路、复位电路、晶振电路、调试下载接口 等组成的。本单片机的最小系统自带电压稳压芯片，带MircoUSB接口供电，采用了低负载 RTC晶振方案消除了以前RTC不起振的问题，采用SWD调试接口方便调试下载。复位电路在系统起很重要的作用，能够在程序跑飞时使其复位。

所述激光测距传感器采用905nm激光半导体激光器，为各种设备都能使用的集成度高、 微功耗、重量低的标准化产品。为了确保电磁兼容性以及机械结构的标准化而采用金属化外 壳设计，本激光波长905nm，对人眼安全。距离测量范围可达3.5m-1600m，距离测量分辨率 为0.1m，功耗小于160mW。本传感器采用串口通讯是方式进行数据传输，其波特率为9600。

其激光发射电路由脉冲输入电路、高速开关MOSFET、激光发射二极管、储能电容、可 选电流电阻等。这个电路完成了由电信号转为光信号的过程。其输出的光信号经过透镜聚焦 后发射到目标物体，再将反射回的光信号通过透镜处理给TOF接收器接收。

在该电路中，T(发射)引脚与单片机的PA3引脚相连，R(接收)引脚与单片机PA2 引脚相连。

所述霍尔传感器利用霍尔效应进行测量。采用ES3144霍尔元件进行检测，霍尔元件是 一种可以检测磁场的半导体元件，它还能检测磁场范围内的金属材料，它有很多的优点，它 具有检测准确，输出波形近似方波，不用外加电压比较器，功耗小、检测频率高的优点。在 一块通电的半导体薄块上，加上垂直磁场，在薄片横向两侧会出现一个电压，如图4中的VH， 这种现象叫做霍尔效应，VH称为霍尔电压。图中四个极，其中C1、C2间通以工作电流I， C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压VH，C3、C4称为敏感电极。

本霍尔测速模块采用由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级组成的霍 尔开关电路，又称霍尔数字电路。外磁场强度较大时，电路输出低电平，磁感应强度继续增 加，仍保持导通状态。外磁场强度小时，输出高电平。本设计在直流电机轴上安装圆盘，圆 盘上装有磁珠，直流电机转动，带动圆盘转动。当磁珠转动到靠近霍尔元件时，使霍尔元件 周围的外磁场增加，电路输出低电平；当磁珠继续转动时，使霍尔元件周围的外磁场减少， 电路输出高电平。电机每转一圈输出一个脉冲，单片机捕捉脉冲，计算车速。

在该电路中，霍尔传感器的DO引脚与单片机的PA0引脚相连。

对于汽车制动采用四线两相式步进电机来控制制动，采用TB6600驱动器进行驱动。该 驱动器采用32位DSP技术，微步细分为16种，步数为6400步/每转，工作峰值范围为2.8A-10A，输出电流共8种，能满足大多数场合的应用需要。采用内置微细分技术，即使在微细分的条件下，也能达到高细分的效果，低中高速运行平稳，噪音小。具有半流、过流、 过压等保护。如图5所示，输入信号共三路：步进脉冲信号、方向电平信号、使能信号。输 入信号接口的方法有两种，共阳极和共阴极。

该电路中，PUL引脚与单片机的PB12引脚相连；DIR引脚与单片机的PB13引脚相连；EN引脚与单片机的PB14引脚相连。

声光报警器中晶体管基极引脚与单片机的PC15引脚相连。

显示模块采用0.96寸OLED显示屏，该屏幕具有功耗小、显示清晰、价格便宜等众多优 点。显示模块与电位计相连以显示所述节气门踏板的位置。与单片机进行串行通讯，连接线 少，硬件设计简单，减少了错误和干扰。该屏幕具有较宽电压的供电范围，支持5V和3.3V 供电。屏幕内部装有升压芯片，即使电压低于3.3V也能正常工作。屏幕内部采用发光二极管， 不需要背光源，只需要将所要显示的地方点亮就可以。不仅增加了使用的可靠性还减少的功 耗。采用spi的串行通讯方式，电路接线简单，使用方便。

由于本系统中各模块的用电电压不同，需要5V给直流电机供电，需要3.3V给单片机、 OLED显示屏和激光测距模块供电，需要12V给步进电机驱动器供电。本系统还包括供电模 块，采用汽车蓄电池12V直流电供电，利用稳压芯片将12V电压降到5V和3.3V给各个模块供电。采用LM2576降压开关型集成稳压芯片将12V电压转为5V电压，能够长时间高效输 出3A电流，该芯片所需很少的外围元件就能构成简单的降压电路，内部含有基准稳压电路、热关断电路等。降压外围电路中电容C1、C2是滤波、稳压的作用，电感L1是滤波作用，能 够储存一定能量。D1采用肖特基二极管，它具有很高的频率，在电路中起续流作用，消耗电 感中产生的反向电动势，保护电路。采用AMS1117将5V电压转化为3.3V电压，该芯片价 格便宜、外围电路简单，输出电压稳定，输出电流达1A。电容的作用是吸收电路中的杂波， 使芯片输出的电压稳定，滤波电容起到稳压作用。

MOS管驱动电路中，MOS管的G引脚与单片机的PB5引脚相连。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视 为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，包括用于模拟车轮转动的直流电机、通过模拟组件装配于所述直流电机的输出轴上用于记录所述直流电机转数的霍尔传感器、用于检测与前方障碍物之间距离的激光测距传感器以及控制模块和执行模块；

所述霍尔传感器和所述激光测距传感器与所述控制模块的输入端通讯连接，所述执行模块与所述控制模块的输出端通讯连接；

所述执行模块包括与所述控制模块通讯连接的执行驱动器和受所述执行驱动器驱动的步进电机，所述步进电机的输出轴旋转以模拟刹车踏板旋转制动进而模拟减速过程。

2.如权利要求1所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，所述模拟组件包括安装在所述直流电机的输出轴上的圆盘和安装在所述圆盘上的磁珠，所述霍尔传感器贴合安装在所述圆盘上以检测所述磁珠的转动。

3.如权利要求1所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，所述刹车踏板通过离合器安装于所述步进电机的输出轴上。

4.如权利要求1所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，所述步进电机的输出轴上安装有便于观察输出轴旋转的叶片。

5.如权利要求1所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，所述执行模块还包括声光报警器。

6.如权利要求3所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块与所述控制模块通讯连接以显示车速信息和前方障碍物距离信息。

7.如权利要求6所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，所述显示模块与检测所述刹车踏板位置的电位计电连接以显示其位置。

8.如权利要求7所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，所述控制模块为STM32F103C8T6单片机；所述激光测距传感器为905nm激光半导体激光器；所述显示模块为0.96寸OLED显示屏,所述执行驱动器的型号为TB6600驱动器。

9.如权利要求8所述的汽车主动防撞模拟装置，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块将12V直流电通过LM2576稳压芯片降压至5V和3.3V。

10.如权利要求1所述的汽车主动防撞模拟装置的控制方法，其特征在于，

霍尔传感器检测车速信息并传输至控制模块，激光测距传感器将检测前方障碍物距离信息并传输至控制模块；

控制模块根据接收到的车速信息计算安全距离并将接收到的前方障碍物距离信息与所述安全距离进行对比；

如前方障碍物距离信息小于安全距离，控制模块将信息传输至执行模块中的执行驱动器，所述执行驱动器驱动步进电机旋转，模拟刹车踏板旋转，以降低车速，避免发生碰撞。

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