车辆倒车制动辅助系统设计与开发

郭威 乔雨恒

摘要：通过对目前车辆倒车制动系统进行分析，介绍了车辆在倒车状态下的安全隐患、影响制动效果的因素以及制动系统控制方面的不足之处。针对现有问题，设计与开发车辆倒车制动辅助系统。通过STC12C5A60S2单片机接收GPS车速信号和倒车雷达距离信号，判断车辆倒车的安全状态，实现对油门踏板及手刹电机的控制，增强车辆倒车的安全性。避免倒车时因驾驶员误踩油门或延迟制动造成的车辆事故。对车辆制动系统优化具有重要的指导意义。

关键词：制动系统;单片机;油门踏板;手刹电机;安全性

中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）02-0056-06

随着汽车保有量的迅速增加以及车速的不断提高，汽车的安全性得到了人们的广泛关注，特别是主动安全性已经成为科研人员研究的重点。据统计，2011年至2014年，车辆事故死亡人数由29618人上升至34292人，增长率为15.8%;私家车保有量由5814万量上升至10559万辆，增长率为81.6%;驾龄一年内人员由2614万人上升至2967万人，增长率为13.5%。人们平时使用汽车时经常会使用制动系统，而手刹却经常被人们所忽视，因手刹发生故障或使用不当而引起的事故也是屡见不鲜。在车辆事故中，倒车事故占了很大的比例：2011年《扬子晚报》报道称，2011年1月至8月，该市仅交警六大队辖区内所发生的41起交通事故中，倒车引发的比例占五成。2015年南京交管部门针对4月1日至19日发生的交通事故进行统计，20天内发生564起因倒车引发的事故，平均每天有近30起。

在這种严峻的形势下，人们越来越认识到利用先进技术，辅助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、路等环境进行实时监控和报警，在危急情况下由系统主动干预驾驶操纵、辅助驾驶者进行应急处理、防止汽车碰撞事故发生的重要性。由此可见，车辆安全系统将朝着智能化、主动型的技术方向发展。

本文着重从倒车状态下影响汽车制动的因素进行分析，设计与开发车辆倒车制动辅助系统。通过STC单片机接收GPS车速信号和倒车雷达距离信号，判断车辆倒车的安全状态，实现对油门踏板及手刹电机的控制，增强车辆倒车的安全性。避免倒车时因驾驶员误踩油门或延迟制动造成的车辆事故。对车辆制动系统优化具有重要的指导意义。

1 倒车状态下车辆安全性分析

目前大多数车辆都安装有倒车雷达或倒车影像，但是从上述统计的数据来看，车辆倒车时仍存在较高的事故风险。本文以带有电子手刹的乘用车型为研究对象，对车辆倒车状态下车辆的安全性进行分析。

1.1电子手刹的原理

目前，电子手刹的形式分为三种：电子机械式手刹、电子控制拉锁式手刹、整体卡钳式手刹。随着乘用车安全性能的不断提升，鼓式制动器使用逐渐减少，电子机械式手刹也逐渐被淘汰。电子控制拉锁式手刹很容易在原有机械式手刹上改动，但随着使用时间的延长，手刹拉线会逐渐失去弹性，失去作用。因此，进行系统设计时选取整体式手刹车辆。

整体卡钳式电子手刹通常有机电式制动控制单元、倒车灯开关、倾角传感器、离合器踏板位置传感器、制动执行电机和指示灯等组成，霍尔式离合器位置传感器用来检测离合器踏板位置信号，产生脉宽调制信号传送至驻车制动控制单元，使车辆在行驶过程中，电子手刹功能安全起动。汽车两后轮各有一个制动执行电机，其作用是通过装置与刹车壳体上的电机来压紧刹车蹄片，实现两后轮的驻车制动。制动执行电机总体主要由直流电机、制动活塞、齿型带、斜盘和驱动心轴等组成，如图1、图2所示。电机和驱动机构之间以橡胶轴承连接，同时齿型带为斜齿带，降低运行噪音。

进行驻车制动时，驾驶员操作电子驻车制动系统按钮后，电控单元将控制集成在左右制动卡钳中的电机启动，并带动制动卡钳活塞移动，产生机械夹紧力从而完成制动。执行电机内部结构如图3所示，电机驱动电压为12V。

1.2影响车辆安全倒车的因素

影响车辆安全倒车的因素有很多，包括：驾驶员视野，倒车速度，制动时间、制动距离，驾驶员的反应时间等。目前市面上大部分的车辆都装有倒车雷达或者销售后改装有倒车雷达，能够帮助驾驶员判断和提示安全的倒车距离。但倒车时事故仍然频发，主要在于驾驶员的倒车速度过快或误踩油门、倒车距离报警后未及时制动，导致车辆直接撞向后方行人、车辆或其他障碍物。

以普通车辆为例，大多数倒车雷达设定的安全距离为1.5 m，设车辆的倒车速度为V，车轮与地面的摩擦系数为μ，摩擦力为f，刹车后的末速度为V₀，制动时间为t，制动距离为S。电子手刹起作用时，电机输出的扭矩恒定，设车辆的减速度为a，可得：

刹车后的末速度V0为0（车辆静止状态）。据统计，反应良好的驾驶员一般的反应时间在0.4-0.6 s之间，驾驶员受到惊吓时反应大多数大于1s，一般在1.5 s以内，这时极易发生误踩油门的现象。

以两种情况为例，第一种情况为延迟制动，第二种情况为误踩油门。

第一种情况下，设车辆倒车速度为V（正常情况下倒车速度低于6 km/h，使用手刹可以制动），正常驾驶员制动反应时间为T1，制动时间为t₁，制动距离为S₀，制动减速度为a₀;驾驶员延迟的制动反应时间为T₂，制动时间为t₂，制动距离为S₂，制动减速度为a₂。安全距离为S=1.5 m，即车辆后方距障碍物1.5 m时报警。制动后距障碍物的距离为S。。可得：

△T=T₂-T₁

（4）

S₁=Vt₁+1/2a₁t₁²

（5）

S₂=Vt₂+1/2 a₂t₂²

（6）

S=S₁+S₀₁

（7）

S=△S+S₂+S₀₂

（8）

将△T带入公式，可得：

△S=V×△T

（9）

由于采用电子手刹，电机输出扭矩在上述两种情况下相同，且制动时速度不变，所以制动减速度距离不变，制动时间不变，制动距离也不变。所以S₁和S₂相等。假设车辆倒车至安全距离临界点开始报警，司机反应迅速采取电子手刹制动，车辆完全停下时，车辆与障碍物距离S₀₁处于临界状态，即刚好没撞到。则司机延迟操作后，车辆在超出安全距离△S后开始制动，则车辆未制动至停止状态就已经和障碍物发生相撞。

第二种情况下，设车辆正常倒车速度为V（车速低于6 km/h，电子手刹起作用），安全距离为S，踩油门状态下车速为V₁，加速度为a₁，加速时间为t₁，加速行驶距离为S₁，加速行驶t₁时间后，车辆与障碍物距离为S₀。可得：

S₁=Vt₁+1/2 a₁t₁²

（10）

S₀=S-S₁

（11）

如果踩下油门时，车速V₁一旦超过6km/h，电子手刹失效，驾驶员反应过来时，再采用制动踏板制动，此时时间至少在2s以上，而安全距离仅有1.5 m，加速至6 km/h时仅需1s就可行使1.67 m，此时已发生相撞。显然误踩油门时，极易发生车辆事故。

2 倒车制动辅助系统设计

为了避免上述问题，设计一种倒车制动辅助系统。考虑到市面上大部分车辆的通用性，该系统采用单片机监控与调节，采用车辆倒车雷达和GPS模块监测车辆倒车时的状态，车辆倒车时通过判断安全距离来控制电子油门踏板以及电子手刹执行电机实现快速、有效的制动。

2.1系统方案和主要电路

系统硬件主要由STC12C5A60S2单片机（双串口数据传输板）、超声波雷达监测电路、GPS感应电路、常开继电器、常闭继电器、电子油门踏板、电子手刹执行电机组成。STC12C5A60S2单片机是具有8051内核的增强性单片机，无需外扩数据储存器和程序储存器就能很好的运行较为复杂的系统程序。单片机内置60KB的Flash程序储存器、集成1280B数据存储器。STC12C5A60S2单片机为整套系统的控制核心。超声波雷达监测电路通过安装在车辆尾部的探头，将测量信号反馈至单片机并解析成距离数值。GPS感应电路将车辆倒车时的车速信号传递至单片机，與倒车雷达的监测距离一起作为判定条件。当需要进行制动辅助时，单片机通过常闭继电器断开电子油门控制，通过常开继电器控制电子手刹执行电机运转。

硬件框图如图4所示：

2.2超声波倒车雷达电路

超声波倒车雷达电路是利用超声波脉冲回波渡越时间法来实现测量距离，根据系统发射超声波与接收反射波的时间差，结合修正后的波速计算出车辆与障碍物的距离。超声波倒车雷达电路选取市面上常用的倒车雷达主机，数据输出方式为TTL串口通讯方式。与单片机连接时，将倒车雷达电路的UART_TX数据线连接单片机RXDO（P3.0）针脚，另引出一根GND线，使倒车雷达电路接地。超声波倒车雷达电路与单片机连接方式如图5所示。

2.3 GPS车速电路

GPS车速电路选用U-BLOX NEO-6M模块，体积小巧，增加放大电路，有利于快速与卫星通讯。该模块通过串口与单片机进行通讯，兼容3.3V及SV电平。GPS车速电路与单片机连接方式如图6所示。GPS模块监测车速范围：0-1851.8 km/h。与单片机连接时，GPS模块的RXD连接单片机的TXD1（P1.3）针脚，TXD连接单片机的RXD1（P1.2）针脚。

2.4常开/常闭继电器

硬件系统中通过单片机控制常开继电器，调整电子手刹执行电机的工作状态，实现驻车功能;通过单片机控制常闭继电器，调整电子油门踏板的响应状态，防止倒车时车速过快。工作原理如图7所示。

2.5系统软件与控制流程

系统软件主要是通过编译器进行编辑，使用Proteus软件进行硬件模拟，模拟完毕后，将单片机用串口通讯的方式与电脑连接，使用串口助手发送触发代码，查看系统是否按照相应的逻辑进行动作执行。调试完成后，将写好的代码转换格式，用烧录器烧写到单片机中。系统程序控制流程如图9所示。

2.6主要应用程序

系统程序主要分为三个部分：第一部分，将16进制的数值（例如0x66）转换为十进制（102）。由于倒车雷达发送的报文为16进制，需要将报文中的数值进行转化。第二部分，串口0和串口1中断函数。用于接收从倒车雷达以及GPS模块发送的距离和车速数据。第三部分，主函数，用于读取数据，通过条件判断控制继电器的开闭，达到控制手刹电机和电子油门踏板的目的。STC12C5A60S2单片机的电路图如图10所示。

程序部分代码如下：

Char_Table;数码管段码

Rece_datas;定义要接收的数据缓冲区

Sun，temp_u2，tim;传递变量数据

Data_count_fg;接收数据量变量定义

TMOD=0X01;工作在十六位计算器模式

TH0=（66535-tim）/256;设定定时器高位初始值

TL0=（66535-tim）%256;设定定时器低位初始值

Void chuli（）;雷达与GPS接收数据处理

Void alarm（）;继电器动作

3测试验证

通过进行实物测试，将单片机与倒车雷达模块、GPS模块、继电器连接。单片机同时连接笔记本，使用串口助手接收倒车雷达和GPS发送的报文。将倒车雷达探头摆放至离桌面或障碍物小于安全距离1.5m时，单片机将触发信号发送至常开继电器，继电器吸合，电子手刹执行电机通电后运行。使用串口助手模拟探头与障碍物距离小于安全距离时，控制继电器的效果相同。模拟驾驶员误操作或直接踩下油门踏板，GPS车速大于6km/h时，单片机将触发信号发送至常闭继电器，继电器断开，电子油门踏板断电，车速下降至低速状态，同时结合倒车雷达，保证车辆处于安全倒车状态。测试结果与系统设计目标一致。

4结语

本文通过对倒车状态下影响汽车制动的因素进行分析，介绍了车辆倒车制动辅助系统的设计方案。通过STC12C5A60S2单片机接收GPS车速信号和倒车雷达距离信号，判断车辆倒车的安全状态，实现对油门踏板及手刹电机的控制，增强车辆倒车的安全性。避免倒车时因驾驶员误踩油门或延迟制动造成的车辆事故。对车辆制动系统优化和智能化开发具有重要的指导意义。