一种汽车转向信号灯智能控制设想研究

周 萌

（铁岭师范高等专科学校，辽宁 铁岭 112008）

随着社会的进步，人们的生活水平大幅度提高，汽车已走进千家万户。汽车转向信号灯设计涉及车辆的有序通过和行人的安全[1]。但部分驾驶员由于熟练度、紧张等问题，在转向时没能及时提供转向信号，给交通带来安全隐患。为解决以上问题，本文对传统汽车转向信号控制系统进行改造，取消转向开关，取而代之的是缠绕在方向盘两侧的柔性压阻式传感器，驾驶员不再需要抬手拨动转向开关，只需单手在方向盘转向侧稍加用力紧握即可接通相应转向电路，进一步降低驾驶员的劳动强度，使驾驶员对转向灯的控制更加便捷。当驾驶员忘记对转向灯进行操控时，该系统可利用方向盘上转角传感器自动识别出驾驶员的转向意图，并根据输出信号自动接通相应转向电路，为其他车辆提供警示信号，保证车辆行驶安全。

1 系统硬件设计

本系统的握力传感器采用柔性压阻式传感器，该传感器具有体积小、成本低、工作稳定性高等特点[2-3]，符合本设计设想要求。系统将柔性压阻式传感器均匀缠绕在方向盘的两侧。柔性压阻传感器利用串行方式将信号传至控制单元，当控制单元接收到左侧压阻传感器信号时，控制汽车左转向控制电路接通，使左侧转向信号灯闪烁，当其接收到右侧压阻传感器信号时，同理控制右侧转向信号灯闪烁。

当驾驶员因各种原因忘记对转向信号灯进行控制时，控制单元可根据转向系统中的方向盘转角传感器输出的角度辨识驾驶员的转向意图。驾驶员在对汽车进行转向操作时，一般有以下三种情况：第一，驾驶员控制汽车进行转弯，此种情况下，驾驶员需要对方向盘进行大幅度操作，其转向盘转动角度较大。第二，驾驶员控制汽车进行变线操作，此种情况下，方向盘转转动幅度较小，但变线过程中方向盘转角会保持一段时间，以保证汽车完成边线操作。第三，汽车直线行驶时，因路况等原因，为保持汽车直线行驶而对方向盘角度进行微调，此种情况下方向盘转角变化不大，且保持时间极短。通过以上分析，本系统为方向盘转角设定阈值α，当方向盘实际转角α1＞阈值α，或实际转角α1保持时长超过设置的阈值时长，控制单元将转向电路接通，使转向信号灯闪烁。

中央控制部分主要对来自信息采集部分的各传感器信号进行分析处理。本系统选用的中央处理器为意大利的Arduino Mega。该处理器采用ATmega2560作为核心处理器，配备有54路数字输入/输出引脚、16路模拟输入、4个UART（硬件串行接口）、一个16MHz集体振荡器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP接头和一个复位按钮。Arduino Mega工作电压为5V，串口输出电流为40mA，内存空间为256kB，可实现6个外部中断。Arduino可以使用现有的所有传感器、开关和其他控制装置。可以控制各类输出装置例如LED、伺服电机等。Arduino的IDE界面基于开放源代码，可以免费下载使用，使用方便。

汽车上的电源一般为整车提供的电压为12V或24V，选择的中央处理器、AD芯片等元件所需要输入电压为3.3V或5V，因此需要将汽车电源的电压转换成符合中央处理器正常工作环境的电压。优秀的电源可以保证系统的工作稳定性。根据需要，对电源的要求是应有稳定的电压及电流输出和良好的散热性能。通过以上描述，选用LM2596-ADJ可调电压输出的开关电压调节器作为电源转换电路的核心。该电压调节器可以将4.75V～40V的输入电压调整为1.2V～37V的输出电压。输出电流最高可达3A，采用150kHz的内部震荡器，具有过热保护和限流保护功能，可实现外部断电提高安全性。

电源转换电路中电阻选型如下：

通过输出电压公式：

式中：参考电压VREF=1.23V，输出电压VOUT=5V，R1的阻值选取可在240Ω至1.5kΩ中选择。R1电阻选用精度为1%的金属膜电阻，该电阻可降低温度系数。该电阻的阻值选用R1=1kΩ。通过公式可以计算出R2电阻的阻值为3.07kΩ。

电源转换电路中电感（L1）选型如下：

电感电压与微秒计算公式有：

式中：VSAT为内部开关饱和电压，VSAT=1.16V。VD为二极管正向压降，VD=0.5V。F为开关频率为固定值，F=150kHz。VIN为输入电压，VIN=12V。通过公式3.5计算得到微秒常数为18.88μs。通过查表可得到电感值为68μH。

电源转换电路中输出电感（COUT）选型如下：

根据公式：

通过计算可知COUT≥469.4μF。输出电感可在82μF～820μF间选择。本课题选用475μF的低等效电解电容，该电容的稳定性及使用效果最佳。

前馈电容（CFF）的选型：

当输入高于10V时，需要加装一个补偿电容，该电容应在100pF～33nF间选择。该电容由以下公式计算：

根据公式计算该电容可取3.3nF电容。为了保证系统稳定性，该电容选择云母电容。

吸纳二极管（D1）的选型：D1二极管的最大承受电流能力要求为最大负载电流的1.3倍，反向耐压应为最大输出电压的1.25倍。本课题选用的二极管为肖特基二极管，该二极管具有工作稳定性好，效率高等特点，适合要求。

输入电容（CIN）的选择：在系统工作时，输入端有可能会出现瞬态电压，为了防止该情况发生，要在输入端及接地端之间加装一个低等效电阻的铝电解电容作为旁路电容。该电容的电流平方根应不低于负载电流的一半。该电容的耐压值应为最大输入电压的1.5倍。由于选中央控制器最大驱动电流为50mA，因此输入电容的电流至少应为5mA。因为中央控制器输入电压为5V，所以该电容的耐压值应大于7.5V。

2 控制流程设计

为更加准确的辨识驾驶员对方向盘的操作意图，本系统将驾驶员对方向盘的握力设定阈值F，当驾驶员对方向盘某一侧的实际握力F1＞F时，系统判定驾驶员准备转向，此时控制单元接通相应转向信号灯控制电路，使转向灯闪烁。驾驶员完成转向后，方向盘回正，转角为0，控制单元通过转角传感器输出转角为0信号来判断方向盘已回正，此时，控制单元切断转向信号灯控制电路，转向灯熄灭。如驾驶员正常直线行驶时，因对本系统进行了误操作，而点亮了转向信号灯，此时，只需双手同时握紧方向盘两侧，两侧柔性压阻传感器实际握力同时大于设置阈值时，控制单元将切断转向信号灯控制电路，使转向灯熄灭。在转向灯没有接通情况下，方向盘两侧实际握力均大于设置阈值，两侧转向灯将同时闪烁，激活危险警告功能，方向盘两侧同时紧握则关闭危险警告功能。这样，在紧急情况下，驾驶员不需将手离开方向盘，依然可点亮危险警告灯，保证驾驶员的安全，避免交通事故的发生。

如控制单元没有接收到大于握力阈值的握力信号，但方向盘实际转角信号α1＞α，或α1保持时长t1≥阈值时长t，控制单元判定驾驶员正在实施转向操作，根据转角信号的输出方向，自动接通相应转向信号灯控制电路，使相应转向灯闪烁。如驾驶员通过握力触发转向灯点亮，该设置将不启动。系统流程图如图1所示。

图1 系统流程图

对于驾驶员对方向盘的握力阈值应根据对不同性别、不同年龄、不同驾驶习惯的驾驶员进行大量实验后，根据实验结果综合分析得出。如该阈值设置过大，部分驾驶员因力量较小，在紧握方向盘后将不会出发控制电路，导致无法提前点亮转向信号灯。如该阈值设置过小，部分驾驶员因紧张、驾驶习惯等问题，系统将误判驾驶员操作意图，无故点亮转向信号灯，对其他车辆产生误导。方向盘实际转角保持时间也要通过大量实验得出，如其时间过短将出现系统误判，过长将不能起到转向提示作用。

3 结论

本系统的设计构想，主要通过缠绕在方向盘两侧的柔性压阻传感器感知驾驶员对方向盘的握紧力度，辨识驾驶员的转向意图，并通过方向盘转角传感器帮助驾驶员自动接通转向信号灯控制电路，为驾驶员因各种原因没有对转向信号控制系统进行操作的行为进行补救，除了夜间照明外，更重要的是对对其他行驶车辆和行人起到警示和提醒作用[4]，以此提高驾驶员的驾驶安全性，避免交通事故的发生。