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原文传递一种汽车方向盘转向辅助系统及方法

专利名称：	一种汽车方向盘转向辅助系统及方法
摘要：	本发明公开了一种汽车方向盘转向辅助系统及方法，汽车方向盘转向辅助系统包括汽车方向盘转动角度测量单元、汽车轮胎转动角度测量单元和汽车方向盘转向辅助控制单元，汽车方向盘转动角度测量单元包括DSP处理器模块、电源电路模块、第一Zigbee无线通信模块、角度测量模块、按键电路模块和显示模块；汽车轮胎转动角度测量单元包括ARM微控制器、第二Zigbee无线通信模块和磁致伸缩位移传感器；汽车方向盘转向辅助控制单元包括助力转向电机。本发明的汽车方向盘转向辅助系统设计合理，结合辅助方法，能够辅助驾驶新手进行正确的方向盘操作，能够有效地减少因轮胎故障引发的交通事故，使用效果好，便于推广使用。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安科技大学
发明人：	黄向东;张博雅;温帆;唐之刚;王少卿;宁清曌
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-07T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-04T00:00:00+0800
申请号：	CN201910173594.9
公开号：	CN109835416A
代理机构：	西安启诚专利知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	李艳春
分类号：	B62D15/02(2006.01);B;B62;B62D;B62D15
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔路中段58号
主权项：	1.一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：包括汽车方向盘转动角度测量单元、汽车轮胎转动角度测量单元和汽车方向盘转向辅助控制单元，所述汽车方向盘转动角度测量单元包括用于安装在方向盘中间位置处的壳体(1)和设置在壳体(1)内的电路板，所述电路板上集成有测量电路，所述测量电路包括DSP处理器模块(2)和为所述测量电路中各用电模块供电的电源电路模块(3)，以及与DSP处理器模块(2)相接的第一Zigbee无线通信模块(7)；所述DSP处理器模块(2)的输入端接有角度测量模块(4)和按键电路模块(5)，所述DSP处理器模块(2)的输出端接有显示模块(6)，所述电源电路模块(3)包括锂电池(3-1)和与锂电池(3-1)的输出端连接的用于将3.7V电压转换为3.3V电压的第一电压转换电路模块(3-2)，以及与锂电池(3-1)的输出端连接的用于将3.7V电压转换为3.3V和1.9V电压的第二电压转换电路模块(3-3)，所述DSP处理器模块(2)与第二电压转换电路模块(3-3)的输出端连接，所述角度测量模块(4)、按键模块(5)、显示模块(6)和第一Zigbee无线通信模块(7)均与第一电压转换电路模块(3-2)连接；所述汽车轮胎转动角度测量单元包括ARM微控制器(8)和与ARM微控制器(8)相接且用于与第一Zigbee无线通信模块(7)无线连接并通信的第二Zigbee无线通信模块(9)，所述ARM微控制器(8)的输入端接有安装在汽车方向盘转向拉杆上的磁致伸缩位移传感器(10)；所述汽车方向盘转向辅助控制单元包括安装在汽车方向盘转向拉杆上的助力转向电机(11)，所述助力转向电机(11)通过电机驱动模块(12)与ARM微控制器(8)的输出端连接。 2.按照权利要求1所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述壳体(1)的形状为圆柱形，所述壳体(1)的上表面设置有用于将按键模块(5)和显示模块(6)外露的多个开孔，所述装置壳体(1)的侧面设置有用于对锂电池(3-1)充电的miniUSB接口孔。 3.按照权利要求1所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述第一电压转换电路模块(3-2)包括3.3V线性稳压器Q2、非极性电容C10、非极性电容C11、非极性电容C12、发光二极管D1和电阻R21，所述线性稳压器Q2的第1引脚、第3引脚和非极性电容C11的一端均与锂电池(3-1)的3.7V电压输出端连接，所述线性稳压器Q2的第2引脚和非极性电容C11的另一端均接地，所述线性稳压器Q2的第5引脚为第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端，且与非极性电容C10的一端、非极性电容C12的一端和电阻R21的一端均连接，所述电阻R21的另一端与发光二极管D1的阳极连接，所述非极性电容C10的另一端、非极性电容C12的另一端和发光二极管D1的阴极均接地；所述第二电压转换电路模块(3-3)包括电压调整器TPS767D301、极性电容CT1、极性电容CT2、极性电容CT3、极性电容CT4、非极性电容C7、非极性电容C8、非极性电容C9、非极性电容C13、非极性电容C14、非极性电容C15、非极性电容C16、电感L1、电感L2、电阻R16和电阻R17，所述电压调整器TPS767D301的第5引脚、第6引脚、第11引脚、第12引脚、极性电容CT1的正极、非极性电容C13的一端和非极性电容C14的一端均与锂电池(3-1)的3.7V电压输出端连接，所述电压调整器TPS767D301的第3引脚、第4引脚、第9引脚、第10引脚、第29引脚、极性电容CT1的负极、非极性电容C13的另一端和非极性电容C14的另一端均接地，所述电压调整器TPS767D301的第23引脚为第二电压转换电路模块(3-3)的1.9V电压输出端，且与电压调整器TPS767D301的第24引脚、电阻R16的一端、极性电容CT2的正极、非极性电容C7的一端和电感L1的一端均连接，所述电压调整器TPS767D301的第25引脚和电阻R16的另一端均与电阻R17的一端连接，所述极性电容CT2的负极、非极性电容C7的另一端和电阻R17的另一端均接地，所述电感L1的另一端通过非极性电容C15接地，所述电压调整器TPS767D301的第17引脚为第二电压转换电路模块(3-3)的3.3V电压输出端，且与电压调整器TPS767D301的第18引脚、极性电容CT3的正极、非极性电容C8的一端、极性电容CT4的正极、非极性电容C9的一端和电感L2的一端均连接，所述电压调整器TPS767D301的第19引脚、极性电容CT3的负极、非极性电容C8的另一端、极性电容CT4的负极和非极性电容C9的另一端均接地，所述电感L2的另一端通过非极性电容C16接地。 4.按照权利要求3所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述DSP处理器模块(2)包括DSP芯片TMS320F2812、晶振Y1、非极性电容CX1和非极性电容CX2，以及与DSP芯片TMS320F2812相接的复位电路，所述晶振Y1的一端和非极性电容CX1的一端均与DSP芯片TMS320F2812的第77引脚连接，所述晶振Y1的另一端和非极性电容CX2的一端均与DSP芯片TMS320F2812的第76引脚连接，所述非极性电容CX1的另一端和非极性电容CX2的另一端均接地，所述DSP芯片TMS320F2812的第31引脚、第64引脚、第69引脚、第81引脚、第114引脚和第145引脚均与第二电压转换电路模块(3-3)的3.3V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F2812的第23引脚、第37引脚、第56引脚、第75引脚、第100引脚、第112引脚、第128引脚、第143引脚和第154引脚均与第二电压转换电路模块(3-3)的1.9V电压输出端连接，所述DSP芯片TMS320F2812的第19引脚、第32引脚、第38引脚、第52引脚、第58引脚、第70引脚、第78引脚、第86引脚、第99引脚、第105引脚、第113引脚、第120引脚、第129引脚、第142引脚和第153引脚均接地；所述复位电路(3)包括处理器监控器芯片MAX690_ESA、开关二极管DT1、非极性电容CX3、非极性电容CX4、电阻RX8和电阻RX9，所述处理器监控器芯片MAX690_ESA的第1引脚、第2引脚、第8引脚和非极性电容CX3的一端均与第二电压转换电路模块(3-3)的3.3V电压输出端连接，所述处理器监控器芯片MAX690_ESA的第3引脚、第4引脚和非极性电容CX3的另一端均接地，所述处理器监控器芯片MAX690_ESA的第6引脚与DSP芯片TMS320F2812的第131引脚连接，且通过电阻RX9与第二电压转换电路模块(3-3)的3.3V电压输出端连接，所述微处理器监控器芯片MAX690_ESA的第7引脚、开关二极管DT1的阳极、电阻RX8的一端和非极性电容CX4的一端均与DSP芯片TMS320F2812的第135引脚连接，所述开关二极管DT1的阴极和电阻RX8的另一端均与第二电压转换电路模块(3-3)的3.3V电压输出端连接，所述非极性电容CX4的另一端接地。 5.按照权利要求4所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述角度测量模块(4)包括三维角度传感器MPU-6050、非极性电容C17、非极性电容C18、非极性电容C19、电阻R18和电阻R19，所述三维角度传感器MPU-6050的第8引脚、第13引脚和非极性电容C17的一端均与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，所述三维角度传感器MPU-6050的第1引脚、第11引脚、第18引脚和非极性电容C17的另一端均接地，所述三维角度传感器MPU-6050的第10引脚通过非极性电容C18接地，所述三维角度传感器MPU-6050的第20引脚通过非极性电容C19接地，所述三维角度传感器MPU-6050的第23引脚通过电阻R19与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，且与DSP芯片TMS320F2812的第119引脚连接，所述三维角度传感器MPU-6050的第24引脚通过电阻R18与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，且与DSP芯片TMS320F2812的第157引脚连接，所述三维角度传感器MPU-6050的第6引脚、第7引脚、第9引脚和第12引脚依次对应与DSP芯片TMS320F2812的第155引脚、第34引脚、第127引脚和第79引脚连接。 6.按照权利要求4所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述按键模块(5)包括按键S1、按键S2、电阻R23和电阻R24，所述按键S1的一端通过电阻R23与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，且与DSP芯片TMS320F2812的第18引脚连接，所述按键S2的一端通过电阻R24与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，且与DSP芯片TMS320F2812的第43引脚连接，所述按键S1的另一端和按键S2的另一端均接地。 7.按照权利要求4所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述显示模块(6)包括TFT显示屏U5，所述TFT显示屏U5的第31引脚与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，所述TFT显示屏U5的第1引脚和第32引脚均接地，所述TFT显示屏U5的第2引脚、第3引脚、第4引脚、第5引脚、第6引脚、第7引脚、第8引脚、第9引脚、第10引脚、第11引脚、第12引脚、第13引脚、第14引脚、第15引脚、第16引脚、第17引脚、第18引脚、第19引脚、第20引脚、第21引脚、第22引脚、第23引脚、第24引脚、第25引脚、第26引脚、第27引脚和第28引脚依次对应与DSP芯片TMS320F2812的第66引脚、第147引脚、第139引脚、第97引脚、第96引脚、第74引脚、第73引脚、第68引脚、第65引脚、第54引脚、第39引脚、第36引脚、第33引脚、第30引脚、第27引脚、第24引脚、第21引脚、第42引脚、第51引脚、第160引脚、第44引脚、第136引脚、第88引脚、第123引脚、第122引脚、第110引脚和第92引脚连接。 8.按照权利要求4所述的一种汽车方向盘转向辅助系统，其特征在于：所述第一Zigbee无线通信模块(7)包括型号为CC2530的ZigBee无线通信模块U6，所述ZigBee无线通信模块U6的VCC引脚与第一电压转换电路模块(3-2)的3.3V电压输出端连接，所述ZigBee无线通信模块U6的GND引脚接地，所述ZigBee无线通信模块U6的TX引脚与DSP芯片TMS320F2812的第91引脚连接，所述ZigBee无线通信模块U6的RX引脚与DSP芯片TMS320F2812的第90引脚连接。 9.一种采用如权利要求6所述系统的辅助方法，其特征在于，该方法包括用于辅助驾驶新手正确识别方向盘转动角度的方向盘转动角度识别方法和用于在方向盘转向传动比发生异常变化时，ARM微控制器(8)控制助力转向电机(11)，辅助驾驶员进行方向盘控制的方法；所述方向盘转动角度识别方法包括以下步骤：步骤A1、当汽车方向盘和汽车轮胎均无故障时，将汽车方向盘置于初始位置，即0°位置；步骤A2、将汽车方向盘转动角度测量单元的壳体(1)背面粘贴在汽车方向盘的中间位置处；步骤A3、将汽车方向盘向左侧转动，每转动45°，按一次按键模块(5)中的按键S1，角度测量模块(4)检测当前角度信息，并传输至DSP处理器模块(2)进行记录存储，直至汽车方向盘转动到左极限；步骤A4、将汽车方向盘转回初始位置；步骤A5、将汽车方向盘向右侧转动，每转动45°，按一次按键模块(5)中的按键S2，角度测量模块(4)检测当前角度信息，并传输至DSP处理器模块(2)进行记录存储，直至汽车方向盘转动到右极限；步骤A6、当汽车启动后，角度测量模块(4)实时检测汽车方向盘的转动角度，当驾驶员向左打方向盘时，显示模块(6)显示向左的箭头，同时显示旋转角度，当需要向右回方向盘时，向左的箭头的依然点亮，提示目前方向盘依然处在左侧角度区域，同时向右的箭头会闪亮，提示当前在向右侧旋转方向盘，直到方向盘转回初始位置处，向左的箭头和向右的箭头均熄灭；当驾驶员向右打方向盘时，显示模块(6)显示向右的箭头，同时显示旋转角度，当需要向左回方向盘时，向右的箭头的依然点亮，提示目前方向盘依然处在右侧角度区域，同时向左的箭头会闪亮，提示当前在向左侧旋转方向盘，直到方向盘转回初始位置处，向左的箭头和向右的箭头均熄灭；所述ARM微控制器(8)控制助力转向电机(11)，辅助驾驶员进行方向盘控制的方法包括以下步骤：步骤B1、当汽车方向盘发生转动时，安装在汽车方向盘转向拉杆上的磁致伸缩位移传感器(10)检测转向拉杆的平移距离值，ARM微控制器(8)采集检测到的平移距离值；安装在汽车方向盘上的汽车方向盘转动角度测量单元中的角度测量模块(4)检测汽车方向盘的转动角度值e1，并通过无线连接并通信的第一Zigbee无线通信模块(7)和第二Zigbee无线通信模块(9)，将检测到的方向盘转动角度值e1传输到ARM微控制器(8)中；步骤B2、ARM微控制器(8)根据预先设置的转向拉杆平移距离与汽车轮胎转动角度的对应数据，从储存数据中得到汽车轮胎的转动角度，其具体过程为：步骤B201、在汽车轮胎转动范围内，统计轮胎内侧转动角从左极限到右极限每变化1°对应的转向拉杆平移距离；步骤B202、将多组转向拉杆平移距离与汽车轮胎转动角度的对应数据存储到ARM微控制器(8)中；步骤B203、当磁致伸缩位移传感器(10)检测到转向拉杆的平移距离值时，ARM微控制器(8)从储存数据中获取汽车轮胎的转动角度；步骤B3、ARM微控制器(8)根据汽车方向盘转向程度与轮胎的转向程度之间的转向传动比，计算出汽车方向盘的转动角度值e2；步骤B4、ARM微控制器(8)根据汽车方向盘转动角度测量单元检测到的方向盘转动角度值e1和汽车轮胎转动角度测量单元检测计算出的方向盘转动角度值e2的不同，对转向拉杆上的助力转向电机(11)实施优化模糊神经网络PID控制，其具体过程为：步骤B401、ARM微控制器(8)计算e1与e2的差值e＝e1-e2；计算差值变化率ec＝(e1-e2)/e1；步骤B402、将e和ec作为模糊神经网络中输入层的两个节点；步骤B403、将e和ec划分模糊子集，确定模糊神经网络中模糊化层的节点数，隶属函数采用高斯函数；步骤B404、确定模糊神经网络中模糊规则层的节点数；步骤B405、对模糊神经网络中的去模糊层采用重心法解模糊，变成一个节点，并作为PID神经网络中PID输入层的一个节点；步骤B406、将KP、KI、KD作为PID神经网络中PID层的三个节点，采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化，使静态参数的KP、KI、KD转化为动态调整形式；步骤B407、PID神经网络中的输出层输出对助力转向电机(11)优化后的控制电压U*。 10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤B406中所述采用改进的细菌觅食优化算法对PID神经网络的权值进行优化的具体过程为：步骤B4061、初始化细菌觅食优化算法参数：所述细菌觅食优化算法参数包括细菌菌群中与PID控制参数相对应的细菌总数S、PID控制参数的搜索工作维度p、PID控制参数的趋化次数Nc、趋化过程中PID控制参数单向运动的最大步数NS、PID控制参数的复制次数Nre,、PID控制参数的学习次数Ned、PID控制参数的最大趋化步长Cmax和PID控制参数的最小趋化步长Cmin；步骤B4062、初始化菌群位置：采用随机初始化的方法并按照公式X＝Xmin+rand×(Xmax-Xmin)在p维空间初始化2S个点作为细菌的初始化位置,其中随机选取S个细菌作为菌群X1,剩下的S个细菌作为菌群X2；Xmin为优化区间的最小值，Xmax为优化区间的最大值，X为细菌的初始化位置，rand为均匀分布在[0,1]区间的随机数；步骤B4063、适应度值更新：按照公式计算各个细菌的适应度值；其中，dattract为细菌与细菌之间引力的深度，wattract为细菌与细菌之间引力的宽度，hrepellent细菌与细菌之间斥力的高度，wrepellent为细菌与细菌之间斥力的宽度，P(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的位置，P(1:S,j,k,l)为当前个体P(i,j,k,l)的邻域内的一个随机位置,JCC(i,j,k,l)为细菌i在第j次趋向性操作、第k次复制操作和第l次迁徙操作后的适应度值；步骤B4064、设置循环变量的参数：其中趋化循环次数j为1～Nc，复制循环次数k为1～Nre，学习循环次数l为1～Ned；步骤B4065、进入趋化循环，进行趋化操作，具体方法为：对菌群X2，按照以下步骤Q21～步骤Q211的趋化操作对每个细菌进行趋化：步骤Q21、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤Q22，当不小于时跳转执行步骤Q212；步骤Q22、计算细菌i的适应度值；步骤Q23、细菌i在随机产生的方向上翻转一个单位步长；步骤Q24、令j初始化为1；步骤Q25、计算新位置上细菌i的适应度值；步骤Q26、判断j是否小于最大步数Nc，当小于时执行步骤Q27，当不小于时跳转执行步骤Q21；步骤Q27、将j的重新赋值为j+1；步骤Q28、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q29，当没有改变时令j＝NS,并跳转执行步骤Q26；步骤Q29、更新细菌i的适应度值；步骤Q210、细菌种群在翻转的方向上继续游动；步骤Q211、跳转执行步骤Q25，继续循环，直至步骤Q21中i的取值等于S为止；步骤Q212、趋化操作结束；对菌群X1，按照以下步骤Q11～步骤Q112的趋化操作对每个细菌进行趋化：步骤Q11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌菌落规模S，当小于时执行步骤Q12，当不小于时跳转执行步骤Q112；步骤Q12、计算细菌i的适应度值；步骤Q13、根据公式计算细菌菌群密度函数因子D(i)，并根据公式C(i)＝A·D(i)+B计算趋化步长C(i)；再令细菌i在随机产生的方向上翻转步长C(i)；其中，L为搜索空间对角线中最大长度，X(m,i)为细菌i在搜索空间第m维的位置坐标值，X为当前搜索空间内所有细菌在搜索空间第m维的平均位置坐标值；步骤Q14、令j初始化为1；步骤Q15、计算新位置上细菌i的适应度值；步骤Q16、判断j是否小于最大步数Nc，当小于时执行步骤Q17，当不小于时跳转执行步骤Q11；步骤Q17、将j的重新赋值为j+1；步骤Q18、判断新位置上细菌i的适应度值是否改变，当改变时执行步骤Q19，当没有改变时令j＝NS,并跳转执行步骤Q16；步骤Q19、更新细菌i的适应度值；步骤Q110、细菌种群在翻转的方向上继续游动；步骤Q111、跳转执行步骤Q15，继续循环，直至步骤Q11中i的取值等于S为止；步骤Q112、趋化操作结束；步骤B4066、进入复制循环,进行复制操作，具体方法为：对菌群X1，按照以下步骤F11～步骤F16的复制操作对每个细菌进行复制：步骤F11、将细菌i重新赋值为i+1，判断细菌i的规模是否小于细菌规模S，当小于时执行步骤F12，当不小于时跳转执行步骤F16；步骤F12、计算细菌在上次复制操作循环中经过的所有位置的适应度之和，并定义为健康度值；步骤F13、按照健康度值的优劣将细菌进行排序；步骤F14、跳转执行步骤F11；步骤F15、淘汰健康度差的个细菌，剩余的个细菌各自分裂出一个与自己完全相同的新个体；步骤F16、复制操作结束；对菌群X2，按照以下步骤F21～步骤F24的复制操作对每个细菌进行复制：步骤F21、计算所有细菌的适应度值并按照从小到大的顺序进行排序,并选出当前最优的细菌作为精英细菌；步骤F22、对当前最好的一半细菌，按照公式X′2(i)＝X2(i)+N(0,1)实施变异操作,生成个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X′2；其中，N(0,1)为服从均值为0、均方差为1的高斯分布；步骤F23、对当前最差的一半细菌，按照黄金分割率并取排序在前61.8％的细菌与步骤F21中挑选出来的精英细菌进行交叉操作,生成个新细菌并与原来的细菌构成新的子细菌群X″2；步骤F24、从子细菌群X′2与子细菌群X″2中挑选出适应度值最好的前S个细菌替换原来的细菌群X2；步骤B4067、进入学习循环，进行学习操作，具体方法为：将菌群X1与菌群X2中的细菌进行排序,并将菌群X1的排序在前61.8％的细菌按照轮盘赌法选择出0.382S个细菌与菌群X2中排序在后38.2％的细菌进行交换,交换来的0.382S个细菌组成新的菌群X2；步骤B4068、判断趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数是否已达到设置值，当达到时，循环结束，通过适应度值比较两个菌群中发现的最优细菌,选择出最好的作为全局最优解,并将结果输出，否则，继续循环执行步骤B4065～步骤B4068，直到趋化循环、复制循环和学习循环的循环次数已达到设置值。
所属类别：	发明专利