CN1966335A - 一种显著提高车辆安全可靠驾驶性能的方法与装置 - Google Patents

Abstract

针对车辆既定驾驶方法在安全和可靠方面的缺陷，本发明《一种显著提高车辆安全可靠驾驶性能的方法与装置》结合电子传感技术、智能控制与信息处理技术及汽车电子技术和车辆驾驶控制技术，将车辆的方向盘和方向轮动态方位实时地展示给司机，使司机在对方向盘和方向轮动态方位及对量化的移动趋势线的观察中直观判断方向轮及车辆静态下的移动趋势，以类似于控制自行车方向的模式而实现灵活与可靠地驾驶，从而大大降低车辆在复杂环境中驾驶时对驾驶经验的依赖，增强可靠及安全驾驶之保障。当车辆已经配置以微型计算机及显示器为核心功能部件的装置时，可将本发明之方法之全部方法逻辑在配置相应的传感装置等基础上以软件形式附加到既定装置中。

Description

一种显著提高车辆安全可靠驾驶性能的方法与装置

技术领域

本发明之方法及其相关装置涉及一种车辆方向轮位置探测并给予指示的方法和装置，并在此基础上结合自动探测技术和自动控制技术实现车辆的自动导驾，属于电子传感技术、智能控制技术领域与汽车电子技术相结合的领域。

背景技术

1.车辆驾驶方法特征说明

对于当今各类以方向机(包括方向盘)为基本构造的车辆(包括机动车辆和非机动车辆)，由于车身对视线的阻碍，使得司机在驾驶过程中的基本操作方式是在车辆移动过程中通过车身与附近参照物之相对位移及对移动趋势的判断而通过控制方向机构达到控制车辆运动方向之目的。这种对车辆的驾驶方式是目前所有以具备驾驶室为基本配套之车辆共同遵循的驾驶方式。

这种驾驶方式的核心在于：由于车身对方向轮的遮挡而导致司机在驾驶过程中不能凭借对方向轮具体位置的直接视觉判断而控制行驶方向。这种缺陷在如下方面尤其突出：

(1)当车辆在狭窄的空间等复杂环境下前向行驶时，由于空间有限，要求速度足够慢，以至于司机根据车身与附近固定参照物之间的相对位移来判断运动车辆的后续运动方向趋势变得较为困难。这种困难的本质，在于人们对一定规律下的物体运动轨迹的固有判断能力必须结合动态物体的相对位移动距离方可准确地确定后续运动趋势。

(2)人们在驾驶车辆的过程中，相当一部分的驾驶过程是在狭小的空间里不断地前移后倒过程中。随着城市空间的不断拥挤和车辆的增加，这种在狭窄空间里运动的几率也日益增加，人们耗费在此类驾驶上的时间和精力也日益增加，稍有不慎便可能导致事故。

2.车辆驾驶方法亟待突破的限制

2.1.模糊驾驶方法的限制

司机在驾驶车辆以一定的速度行驶过程中，必须随时根据车辆的运动趋势而通过方向盘调整方向轮的位置，进而调整车辆的运动方向，保持稳定行驶。这种调整过程在车辆以一定速度行驶时较为容易，但依然需要司机熟练掌握方向盘的转动角度和车辆方向轮之间的对应关系，使调整过程稳定，从而保证车辆运动的稳定。

然而，对于所有具备相当经验的司机来说，当车辆以较低的速度行驶时，通过方向盘来调整车辆的运动趋势成为较为困难的过程，尤其当车辆在环境复杂地段作短距离的前进和倒退换位操作时，其中的难度将随着空间的狭小和运动速度的降低而增加，要求司机以丰富的经验通过运动趋势而在相当短的时间内迅速判断动点的延伸轨迹。这种能力对于所有人来说，必须建立在经验的积累基础之上。因此，汽车驾驶学校的培训核心之一，便是教导学员通过不断的实践过程而达到感觉与控制操作之间和谐统一的状态。即便如此，仍然有相当一部分人因个人能力的缺乏或经验的缺乏而频繁造成各类事故。

2.2.狭窄环境中驾驶的模糊调整限制

当车辆在狭窄环境中作曲线运动及频繁地前进后退转换运动方向时，由于车辆具有一定的宽度和长度，司机必须以一定的法则驾驶车辆，不仅使运动方向的车辆前部通过障碍物之间的通道，还必须保证改变运动方向的车辆后部通过障碍物之间的通道。

经常地，车辆在绕过某个拐角时，如果车身距离拐脚足够近，如果不适当调整方向盘，则车身将碰擦拐角。然而，如果没有相当的驾驶经验，当车身与拐角之间的相对位置不同时，调整的方向是不同的。例如：

(1)直接渐远式调整——当前后轮轴线的连线中点没有越过拐角位置，而如果继续保持原来的运行方向则必然碰擦拐角的情况下，需要调整方向盘，使车身远离拐角；

(2)间接渐远式调整——当前后轮轴线的连线中点已经越过拐角位置，而如果继续保持原来的运行方向则必然碰擦拐角的情况下，则需要调整方向盘，使车身接近拐角，目的是使尾部(当车辆处于前进状态时)或头部(当车辆处于倒退状态时)远离拐角。这种调整表面上使已经越过拐角的车体部分接近拐脚，但实际目的却是使没有越过拐脚的车体远离拐角，是一种间接的调整方法。

上述两种调整方法是车辆在狭窄环境下作曲线运动所必须的经验。但是，无论这类调整经验如何丰富，司机都必须在确定调整策略的同时明确地知道目前方向轮所在的位置，否则将导致调整不到位或过分调整，两类情况均会导致事故。

然而，在目前的车辆驾驶操作装置中，司机只能通过车辆的运动趋势来间接判断方向轮的目前位置。由于车辆在狭窄环境中的运动速度足够慢，导致通过缓慢的运动来判断趋势成为许多司机的困惑。

3.车辆驾驶的辅助技术发展状况

自内燃机诞生以来，围绕机动车辆驾驶方面的技术层出不穷，特别是近代，随着汽车电子技术产业的不断规模化，使得机动车辆在自动驾驶等领域出现许多新的应用。自动驾驶技术内容的不断丰富和广泛应用，使机动车辆的驾驶日益便利。然而，目前在针对车辆在狭小空间里的低速进退驾驶方法的改善方面没有多少改进措施。障碍物探测装置的诞生，使得车辆在倒退过程中有了及时提醒司机注意的报警装置，改善了司机无法准确判断车尾各个端点具体位置的缺陷。但由于这种装置的报警是一种模糊的提醒装置，司机在倒车驾驶过程中，依然必须以基本的驾驶经验和判断能力为基础。

在自动驾驶技术领域，目前的一些成果或发明均集中在对障碍物的探测和反馈自动控制的基本方法基础上，虽然采用了精密的探测与自动控制技术，但由于这类成果以障碍探测和自动的方向控制为核心，探测及自动方向控制的精确性和可靠性现阶段均难以有效保障，在相当的时期内难以实用和普及。

综合地看，障碍物在多方位、多层次、动静态相互融合、构成材料千变万化等方面，使得各类动态的和静态的障碍物准确而可靠地探测成为当前机动车辆自动驾驶在探测技术应用方面难以逾越的一道障碍。

机动车辆自动驾驶的另一道障碍，在于驾驶环境下的路面条件千变完化，包括不同的坡度及多类路面条件的组合、不同的路面构造(包括不同的构成材料)等，导致车辆在自动控制过程中的复杂性，需要自动控制核心运算装置和机构与相应的探测装置密切配合，在高度精确和可靠的基础上协同工作方可达到目的。根据目前相关技术的发展状况，这种车辆的自动控制技术在现阶段及相当长期的阶段内是难以实现的。

发明内容

1.本发明之方法的原理性说明

1.1.车辆操作难度之本质的剖析说明

1.1.1.缓慢运动下的趋势判断规律

图1、图2、图3分别为车辆不同的行驶距离的数学线段示意。在图1中，由于弧线段距离太短，凭人的直观判断能力难以判断弧线段在箭头方向的发展趋势。在图2中，弧线段所展示的直观发展趋势比图1要更加明确，但依然存在一定的模糊程度。在图3中，凭人的直观判断已经能够明确地判断弧线段的轨迹为一半圆，如果维持这种趋势不边，则后续的轨迹将形成一个圆周。

如果将图1、图2、图3三个图中的狐线段理解为一动点从左边A点以速度V移动到右边端点，凭借人的直观判断能力来通过动点与周围的参照物之间的相对运动可以理解：

(1)图1中，动点从A移动到B所花的时间在三个图中最短，当动点到达B点时，凭借人的直觉难以预计以B点为起点的后续发展轨迹；

(2)图2为图1中动点轨迹的延伸，也就是说，当动点从A点移动到B点并继续运动到C点时，凭借人的直觉所判断的后续趋势将比图1所得出的趋势判断结果要明确，但依然处于相当的模糊状态；

(3)图3为图2中动点轨迹的延伸，即：当动点从A点移动到B点再继续移动到C点，最后到达D点时，凭借人的直观判断，已经能够确定后续的运动趋势将为一个圆周状态。

如果图1、图2、图3中的动点为一部车辆，而动点的运动趋势判断者为驾驶该车辆的司机，不难理解：车辆的运动距离越长，则司机对车辆的后续运动趋势判断得越明确。

1.1.2.通过方向盘控制方向轮的动态过程

通过针对图1、图2、图3中动点对表示的车辆运动趋势判断规律可以理解如下延伸规律：

(1)司机在驾驶车辆的过程中，由于无法知道当前方向轮的确切位置，必须使车辆首先动起来而明确当前的方向轮位置所导致的移动趋势，在此趋势基础上方可根据行驶需求而确定方向盘的调整方向(逆时针方向调整或顺时针方向调整)。

(2)当车辆的移动速度足够慢，即便是如图1所示的短距离运动，司机至少可以判断车辆运动的曲线方向，在此判断的基础上根据周围环境而判断车辆保持相同运动方向前提下是否会导致事故，并在此综合判断的基础上确定是否需要调整方向轮来改变车辆的移动方向以回避可能的事故。

当车辆处于狭窄环境下时，即便迅速作出调整决定，还必须保证足够的准确性，否则会因矫枉过正而在反方向上导致事故的发生。

(3)如果车辆的移动速度足够快，即便是如图3所示的长距离运动，司机也无法在短时间内作出必要的判断，或者即使是作出了调整方向轮的判断而试图回避事故的发生，也必须迅速完成调整，且在狭窄环境下保证足够的准确性，否则同样会因矫枉过正而在反方向上导致事故的发生。

根据上述三类情况下车辆运动趋势判断规律不难理解：

其一，由于不知道方向轮的位置，司机必须首先让车辆动起来；

其二，司机在短时间内必须作好调整方向轮的准备；

其三，司机必须在短时间迅速根据车辆移动趋势而明确当前方向轮的位置，以利在判断可能的事故前提下准确地调整方向轮。

由上述关于车辆在模糊驾驶方法基础上所面临的问题可以知道，由于司机无法准确知道方向轮的准确位置，不仅导致无法预知车辆的运动趋势，也无法在预知事故的前提下实施准确的方向调整。

2.本发明之应用方法及相应装置的基本特征说明

本发明之方法的范围和内容，包括如下方面：

(1)采用对车辆方向盘和方向轮动态方位的实时探测与指示，不仅解决可多圈旋转之方向盘与有限偏转之方向轮之间相对位置关系判断的模糊性，而且通过方向轮的显示而直观地给出车辆的移动趋势，从根本上提高以驾驶室为基本构造方式并对方向轮形成遮挡的机动和非机动车辆之安全与可靠驾驶性能。

(2)在车辆方向盘和方向轮探测与指示的基础上实现车辆自动导驾的方法和装置。

2.1.车辆方向轮实时探测与指示的方法及其相应装置特征说明

2.1.1.将车辆方向轮角位移传感器或与方向轮呈固定函数关系的其它车辆方向控制装置的角位移或线性位移的传感器装置附加在方向控制装置(术语为“方向机”)上，通过对方向盘或由方向盘驱动的方向机中轴转动的探测及方向盘转动角度与方向轮偏移角度之间的对应关系来印射车辆方向轮的实时方位。

2.1.2.方向轮角位移探测装置附加在车辆之方向机总成上，附加的位置可以是利用对方向盘的移动作动态检测模式下而配置在车辆驾驶室的内部某个位置，也可以是角位移检测机理下而配置在方向机中轴上，或配置在方向轮的驱动装置上或直接配置在方向轮上。

2.1.3.方向轮探测装置的构造模式可以是线位移探测，也可以是角位移探测。当采用线位移探测模式时，探测位置为方向盘的整个圆周。当采用角位移探测模式时，探测位置既可以是方向盘外圆周，也可以是方向机中轴位置，还可以是方向轮或相应的驱动装置位置。

2.2.车辆自动导驾之方法及其相应装置说明

在方向轮实时探测与指示之方法的基础上，可以进一步构成车辆自动导驾的方法，在配合相应的自动探测和控制装置基础上，则可实现高效、安全、可靠的自动驾驶。其特征如下：

2.2.1.自动导驾的含义在于车辆方向的控制依然依靠人工，但方向的控制指示则由本发明之方法所涵盖的导驾装置经过系列算法模型而给出。

在本发明之方法所涵盖的范围内包括两种类型的自动导驾：

其一，仅仅依靠针对方向盘及其联动装置的动态探测而实现自动导驾。

其二，利用障碍物探测技术的辅助而实现自动导驾，即障碍物的探测由相应的装置实现，将根据探测结果而自动获得的分析结论以方向轮的调整指示形式提供给司机，由司机根据指示完成车辆运动状态的实际控制。

2.2.2.本发明所涵盖的自动导驾装置给出的操作提示信息通过与方向轮对比的直观图形向司机显示，司机仅需按照对比图校正方向盘即可，从而实现类似自行车方向控制的导驾方法。

2.2.3.本发明之方法同时为车辆的自动驾驶提供了简便可靠的方法基础。

这里自动驾驶的含义，在于车辆的方向、动力、离合、挡位、制动及其它相关的车辆配套装置可依据统一协调的智能化探测与控制装置所发出的指令而有专门配套的控制指令执行机构协调完成，无需人工操作。

2.3.本发明之方法的核心特征

通过对上述关于人力车驾驶方法提取核心本质，本发明之方法的核心特征在于：

(1)通过对方向轮的偏转角位移或与方向轮角位移存在特定函数关系的某种装置的实时检测而获取方向轮的偏转角度。

(2)将车辆的方向轮的具体方位以直观的方向轮轮廓图形在显示器上显示出来，供司机随时通过直观的方向轮动态了解当前方向轮的方位，达到更加灵活的车辆操作目的，其效果就如三轮车骑驾者随时可看见方向轮的方位一样。

(3)以本创新的方向轮指示驾驶方法为基础，结合自动障碍物的探测技术而实现车辆在复杂环境条件下的自动导驾。

3.车辆方向轮实时探测与指示的方法及其相应装置的实现说明

本发明主要是基于对车辆方向轮方位的实时探测并显示的方法。如上所述，方向轮探测的方法有很多种，本发明之方法实施例之一为利用光电机理探测角位移的模式。

3.1.方向机中轴轴线同心圆转角与方向轮偏转角之间的关系

(1)图4为车辆方向盘俯视示意图，图5为图4的简化示意图。

(2)由图5可见，以方向盘中央位置的方向机中轴轴心为圆心，向A点作连线，形成一条半径线。在圆心和方向盘外圆之间存在无数同心圆。当方向盘上的A点顺时针或逆时针转动时，圆周半径线上的点均随同A点转动，当A所对应的半径线转过α角度，所有同心圆的半径线也随同转过α角度。

(3)如图6所示，当方向轮中心径向线位于与车身平行的中央位置，则方向盘位于左右转动的中间位置，对应于图6中方向盘径线与垂直中心线重合的位置。

(4)根据车辆方向机的基本原理，方向盘及方向机中轴与方向轮之间具有严格的传动比，图7为方向盘转动和方向轮偏转对比示意图。图7中，当方向盘顺时针转过α角度，方向轮偏转β角度，对应于图7中的方向轮从虚线示意位置偏转到实线示意位置。设方向盘动态转角α和方向轮动态转角β比率为λ，则λ＝α/β。对具体型号的车辆而言，λ为某设计常数。

(4)设方向轮的中心径线自中央位置向两边的极限转角为θ，对应于图7中的经过A点的方向盘径线从与中心垂直线重合的位置(对应于α＝0°)向两边的转动角度为ω。常规地，ω＝720°，即方向盘连续转动两周。

3.2.方向盘转角的探测机理和方向轮方位的指示机理。

(1)由图7及其相应说明可见，方向盘的转动角α和方向轮偏转角β是简单的角位移之间的比例关系。因此，可通过采用角位移传感器探测方向盘之角位移动α并通过嵌入式微电脑根据函数关系λ＝α/β经计算或得出β值。对具体型号的车辆而言，λ为某设计常数，因此β＝α/λ。

(2)如图7所示，当探测到动态的α值并计算出方向轮偏转角β值，然后利用显示器在屏幕上显示出来。

(3)图7中“方向轮”为通过车驾驶室内设置的显示器(例如液晶显示器LCD或其它类型的显示器)所展示的方位示意，显示的方式是动态的，即当方向盘由α＝0°的位置转过α角度时，图象显示的方向轮偏角由图7虚线所对应的β＝0°位置动态地偏转β而在图7中的实线位置显示出来。在实际中，虚线和实线之间的间隔依设计精度而定。方向盘转角的探测精度足够高时，方向轮动态偏转可呈现为人眼无法区分的连续状态。

3.3.方向盘转动探测装置的配置

图8为安装在车辆方向机中轴上的光电转动探测装置示意图。其中：

(1)方向机中轴实体——该实体与方向盘总成之间为紧固连接方式，即：转动方向盘可无缝隙地同转角转动该中轴实体，并通过该实体及其后端连接的传动装置将角位移力矩转换为驱动车辆方向轮偏转的力矩。

(2)方向机中轴表面——方向机中轴表面为圆周形，其转动轨迹以同心圆形式随同方向盘总成外圆转动。

(3)发光管基座定位环——为一随同方向盘或中轴实体作同心转动的环状体。该环状体上可固定发光管。也可以采用其它非环状形体固定安装在方向盘或方向机中轴上，只要能随同方向机中轴轴心线与方向盘之间作同心转动即可。这里采用环状体的目的在于便于定位安装。

(4)发光管及其基座——发光管为红外线发光晶体管。将发光管固定在基座上并安装在“发光管基座定位环”上，当定位环随同方向盘转动时，发光管也一起同步转动。

(5)栅孔墙——栅孔墙为一圆环形塑料制件，长条形通孔以相等间隔分布在圆环上，图9为栅孔墙的侧面示意图。栅孔墙与方向机安装位处的车身机件呈固定连接状态。

(6)光接收管——光接收管为红外线接收管。光接收管安装在栅孔墙的外侧面并定位于其通孔位置，用于接收发光管发出的红外光。光接收管与栅孔墙一起呈静止状态。

(7)接线界面——所有光接收管的引线通过相应的引线槽或柔性印制电路板与外部连线相连接并与嵌入式微电脑装置相连接。为便于接线界面安装在方向机中轴处，其外形为一圆环状，配置有集线槽，便于光接收管输出信号的集中引出并输入到以嵌入式微电脑为核心的智能处理和控制装置中。

以微电脑为核心装置的方向盘转动探测装置安装在车仪表盘的后面或其它合适的位置。

3.4.方向盘转动探测的基本方法说明

3.4.1.方向盘转动探测的基本原理

对图8所示的方向盘转角的光电式探测装置的进一步说明如下：

(1)如图8所示，当司机转动方向盘时，方向盘的转动力矩使方向机中轴同步转动，从而使中轴表面上固定的发光管(即红外线发光二级管)同步转动。

(2)当方向盘转动特征装置施加电源后，转动的发光管所发出的红外线光束亦随同发光管或方向盘作同步转动。

(3)随同方向盘作同步转动的发光管所发出的光束随着转动将依次通过图8中的固定的“栅孔墙”上的栅孔，分别为每一栅孔处所设置的光接收管以时间分隔方式接收并分别在不同光接收管的输出端输出时间不相重叠的电平信号。

(4)对栅孔所对应的光接收管输出信号的检测可以采用多种方法，其中较为常用的包括如下几类：

其一，典型的键盘阵列电路，即：嵌入式微电脑软件及译码电路由图8中处于“00”位的光接收管为起始，顺时针旋转或逆时针旋转均以“00”位的光接收管为末位，依次高速地选通光接收管输出端所配置的开关电路，每选通一次，微电脑控制软件同时读取对应之光接收管的输出端信号电平，如果有设定的输出信号，则判定如图7所示的方向盘半径线已经发生偏转，与图7中的A点所对应的红外线发光管(参见图8)随同偏转到该光接收管所对应的栅孔位置，微电脑记录该栅孔及其配置的光接收管所对应的编号并进入相应的信息处理程序进程。

其二，采用跟踪检测法来检测栅孔及相应的光接收管输出状态。在这种检测方式下，从“00”位到“51”位所对应的光接收管输出端通过硬件编码电路输出数字编码，嵌入式微电脑直接通过编码和预先设定的“编码定义表”来确定图8所示之产生输出的光接收管所对应的栅孔位置编号，本实施例采用此类方法。

通常不采用中断处理方法，避免过多的中断而耗费嵌入式微电脑的资源。

(5)图8所示的光电式角位移探测装置对应于图10中的传感器部分，“接线界面”为嵌入式微电脑输入接口的输入端。

备注：

“栅孔墙”上栅孔数量及其配置的光接收管数量的设置依方向盘转动角度的探测精度而定，本实施例配置52个栅孔及对应的光接收管。

3.4.2.方向盘探测装置的电原理说明

图10为通过对方向盘角位移检测而印射方向轮方位的电原理框图，其中：

(1)机械位移测量——为本发明之方法所涵盖的实施方案中采用的传感器信息获取部分，用于对方向盘之机械位移进行自动检测。在本实施例中，机械位移测量为一跟随方向盘中轴作同心圆及同步转动的发光管(参见图8及其相关说明)，安装在方向盘中轴处。

备注：

方向机总成上用于检测随同方向盘转动的位置可以是多种形式，例如针对方向盘外圆的动态检测并通过外圆周周长计算出与方向轮之间对应的函数关系，也可以直接检测方向盘的角位移，或检测方向机中轴的角位移，还可以将检测装置直接安装在方向轮的偏转驱动机构上直接检测方向轮的角位移。根据不同的检测机理配置不同的信息输出装置。

(2)换能探头——为本发明之方法所涵盖的实施方案中采用的探测信息形式转换功能部分，其作用在于将测量的位移信息转换成设计的信息形式，本实施例中，是将随同方向盘中轴作同心及同步转动的发光管之机械位移(角位移)信息通过按图8配置的光接收管转换成电信号形式。

(3)信号处理与模式转换——为换能探头输出规定信号的处理与同类信号形式前提下的量值转换。本实施例中，是将换能探头(本实施例对应于图8中的光接收管)输出的电信号作技术处理，包括输出防抖、虑波、整形、放大或限幅等处理，一方面提高换能探头的输出信号质量，另一方面使该信号与下级电路单元——模/数转换的输入需求相匹配。

(4)模/数转换——将信号形态从模拟的连续信号转换为断续的数字信号为模/数转换。在本实施例中，上一环节“信号处理与模式转换”的输出属于附加定值直流电平的波动信号或具有直流基压的脉冲信号。本实施例采用集成编码电路完成模/数转换，即：对应图8中光接收管的每次输出并经过信号处理与模式转换后构成信号编码集成电路的一次输入。

图11为“模/数转换”功能框图。其中，“信号处理与模式转换”单元和“模/数转换”单元之间的信号连接数量对应于图8所示的光接收管输出端数量并相互对应。

“模/数转换”本身为一编码器，任一时刻的输入均会产生一具有固定编码格式和数值的输出，然后。

由图11可见，“模/数转换”输出为标准8位数字输出(具体数的进制可依器件选型确定)，数字编码表征范围覆盖了图8所示的所有光接收管输出端的总和。

集成编码电路采用通用集成电路构成，其基本模式为：图8中每只光接收管输出脚经信号处理与模式转换后顺序对应集成编码电路的输入端，每由对应的输入脚获取触发信号输入，即由集成电路内部相应模块完成并行编码信号输出。编码格式可以根据不同规格的集成电路予以选择。

(5)机械位移测量、换能探头、信号处理与模式转换及模/数转换四个功能单元构成角位移传感器部分。即：“角位移传感器”为传感器总成定义，为机械线位移检测装置、将机械位移转换为电参量的换能装置、电参量信号的处理与放大及编码输出等电路的组合。

在本发明之方法所涵盖的实施方法上，可以根据不同的方向盘或方向轮探测原理而确定传感器的类型，例如角位移换能器可以是机械位移到电位变化的换能装置、机械位移到电容量变化换能装置、机械位移到电感量换能装置，也可以是机械位移到光再到电平或电脉冲的换能装置。

备注：

传感器组合也可以包括模拟信号到数字信号的转换并直接于嵌入式微电脑的输入。对于光电式角位移检测传感器，检测机理支持直接实现数字电平或电脉冲输入并经过适当的处理和信号模式转换后输入到嵌入式微电脑的信号输入端。

(6)信号输入接口——指“模/数转换”单元输出的数字编码信号经适配处理后，构成嵌入式微电脑的输入信号。对于嵌入式微电脑或单片机(MCU)，信号输入接口功能与核心的CPU功能环节位于同一芯片内。

(7)嵌入式微电脑——为本发明之方法所涵盖的实施方案中所采用的信息处理、电路系统管理与控制、显示驱动等过程与环节之核心装置，可以是以中央处理器(CPU)为核心并附加外围芯片的微型电脑，也可以是单片机(MCU)，在单片机应用方式下，8位(例如MC-51系列)、16位(例如MC-96系列)、32位(例如ARM-9系列)单片机或嵌入式微型机均可应用于本实施例。还可以直接采用车辆已经配套的其它电脑装置(例如配套于卫星定位系统或多媒体播放设备的微型电脑等)。

图12为嵌入式微电脑与前后功能环节相互衔接的功能框图示意。其中，“数据输入端口”、“数据输出端口”、“控制端口”均为嵌入式微电脑的基本配置。“模/数转换”或编码输出与嵌入式微电脑的数据输入端口相连。

备注：

“嵌入式微电脑”的定义为嵌入式微电脑模组，即：包括嵌入式微电脑芯片或集成式微电脑、微电脑输入输出接口及其信号处理与变换匹配电路、微电脑外围辅助电路等，以及嵌入式微电脑软件。

(8)显示驱动接口——由于显示装置的多类型，因此嵌入式微电脑(包括单片机)通常不具备附属的显示驱动功能，需要外部构造显示驱动接口部分(包括驱动缓冲部分)。具体根据显示器的驱动需求而采用配套于既定规格显示装置配套的驱动集成电路商品。显示驱动信号来源于嵌入式电脑的输出端口。在实施中，显示驱动接口既需要与嵌入式微电脑的输出相衔接与信号适配，又需要配合显示装置对驱动信号的要求，具体可在确定具体工程规格的前提下选择相应的集成电路或模块化商品。

图12中包括嵌入式微电脑数据输出端口与显示驱动接口相连之示意，由显示驱动接口电路完成数据格式、显示缓冲暂存及功率驱动等功能环节。鉴于显示驱动接口及其配套的驱动程序属于成熟技术，此处不在赘述。

(9)显示器——用于实时显示车辆方向盘及方向轮动态方位的装置，可以是阴级射线式，也可以是液晶式或其它类型。还可以采用车辆配套的现存显示器(例如配套于卫星定位系统或多媒体播放设备的显示装置等)。显示器及相关技术为成熟技术，此处不再详述。

(10)存储单元——通常，嵌入式微电脑内部包括程序存储器和较小空间的数据存储器。为利于处理较大容量的数据和附加参数以及便于装置的软件升级，本实施例配套采用了一定容量的外部存储器，具体规格可以包括闪存方式(FLASH)、静态存储器(RAM)或串行存储器等。

图12中包括外部存储器与嵌入式微电脑相连之示意。

(11)人机界面——为本实施例配套的用于车辆驾驶者在应用中灵活使用装置的功能键盘组合。

图12中包括人机界面(按键)与嵌入式微电脑相连之示意。由图可见，嵌入式微电脑的控制端口也与人机界面相连，作用在于采用典型的扫描法获取操作键值。

(12)电源单元——为本发明之方法所涵盖的方向盘探测及方向盘与方向轮动态显示装置的电源供应单元。其源功率输入为车辆配套电源接口，经过电源单元的变换与处理(包括功率及电压变换及处理)，构成满足整套电路所需要的电源组合。电源单元采用集成电路构造的模块，可以根据电路的具体模式自行构造，也可以采用商品模块(包括所需要的电源组合并满足功率需求)。鉴于电源的构造为常规成熟技术，此处不再详细描述。

3.4.3.方向盘动态位置状态的划分

方向盘或方向机中轴在动态操作过程中包括如下状态特征：

(1)图6、图7中，将方向盘径线夹角对应于α＝360(R-1)°时的状态称为“零”状态，其中R为自然数。将方向盘径线夹角由α＝360(R-1)°时变化到α≠360(R-1)°的状态，称为“过零”状态，包括顺时针过零和逆时针过零。将方向盘径线夹角对应于α＝180(R-1)°的状态称为“半周”状态，类似地，将方向盘径线顺时针或逆时针通过α＝180(R-1)°的状态称为“过半周”状态。

对应于方向盘的过零，车辆方向轮随同发生偏转。

(2)方向盘或方向机中轴的旋转包括两种过零状态：顺时针过零和逆时针过零。对应这两种过零状态，车辆方向轮分别产生向右的偏转和向左的偏转。这种截然不同状态的偏转需要在方向盘探测装置中给予区分。

顺时针过零前提下，0°＜α＜360°；逆时针过零前提下，-360°＜α＜0°。

(3)方向盘顺时针或逆时针连续旋转一周以上时，图6、图7中，方向盘径线夹角再次通过零点，这种状态称为“周期性过零”。

将所有的过零状态用数学式表达为：

顺时针过零时，360(R-1)°＜α＜360R°；

逆时针周期性过零时，-360R°＜α＜-360(R-1)°。

其中R为自然数，当R＝1时，表明方向盘旋转圈数在一周内，当R＝2时表明方向盘旋转圈数在两周内，依此类推。

(4)在明确方向盘过零状态的前提下，可直接通过对实时的栅孔位所对应的光接收管输出的具体位置判断并根据上述“3.2.方向盘转角的探测机理和方向轮方位的指示机理”而获得车辆方向轮的偏转方向和偏转角度。

(5)反复过零状态。图6、图7中，当方向盘径线夹角α＝0°并相对保持或反复多次通过“零”状态位置，称这种现象为“反复过零”状态。

由于不同方向的过零，车辆方向轮分别产生向右的偏转和向左的偏转，因此必须严格区分。

3.4.4.方向盘转动探测信息及相关标志的定义说明

本实施例对信号状态的设定说明如下：

(1)设图8所示的52个栅孔所对应的光接收管产生输出时为逻辑“1”，无输出时为逻辑“0”，且根据图8所示的检测装置机理，任何时刻只可能有一个栅孔位所对应的光接收管产生输出。嵌入式微电脑程序将根据栅孔位所对应的光接收管输出状态进行相应的逻辑处理并进行必要的标记。

(2)将图8中的栅孔位编码“XX”设定为嵌入式微电脑程序对应于相应栅孔位子程序入口地址，对应的栅孔位产生输出，则嵌入式程序将自动按地址编码进入相应的处理程序段。

(3)在栅孔所对应的光接收管输出的逻辑处理程序中，将图8所示的52个栅孔位编码分为两个“栅孔组”，其中从编码“00”到编码“25”为“栅孔组1”，从编码“26”到编码“51”为“栅孔组2”。

(4)图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19中的“XX”表示对应于图8中的栅孔位编码，“XX-1”和“XX+1”则表示方向盘转动中在顺时针方向上比“XX”低一位或高一位的栅孔编码；“(XX)”表示对应于编码为“XX”的栅孔位所对应的标志存储单元的内容，“(XX-1)”及“(XX+1)”则表示对应于编码为“XX-1”或“XX+1”的栅孔位所对应的标志存储单元的内容。

备注：

后续将针对图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19流程图逐一给予说明。

(5)在嵌入式微电脑中，当某个栅孔位产生输出时，嵌入式程序将根据信息处理结果而置位或清位相应的标志，包括如下方面：

其一，方向盘转动的方向标志(顺时针转动或逆时针转动)为每个栅孔信息处理时所共享。

其二，与每个栅孔位对应的非共享标志信息则包括当前光接收管产生输出的栅孔位置范围，用于区分当前产生输出的栅孔位属于“栅孔组1”范围内还是位于“栅孔组2”范围内，以便显示程序段根据标志实施方向盘和方向轮的实时显示，并在完成显示处理后清除标志。

其三，方向盘在顺时针或逆时针转动时，根据不同的圈数位置而以不同的标志区分。例如：当方向盘顺时针转动，径线在0°＜α＜360°范围内时，产生输出的栅孔位相应标志被置“001”，表明当前方向盘径线在第一圈范围内；当方向盘径线在360°＜α＜720°范围内时，产生输出的栅孔位相应标志被加“1”后为“010”，表明当前方向盘径线在第二圈范围内，依此类推；当方向盘径线位置由360°＜α＜720°范围回转到0°＜α＜360°范围内时，产生输出的栅孔位相应标志被减“1”。当方向盘逆时针转动时，其径线位置所在的范围也和顺指针转动时的情况类似，只是角度值为负值。

3.4.5.方向盘转动探测信息的处理及程序流程说明

图13为方向盘径线位于“栅孔组1”区域时的栅孔输出信息处理流程，图14为方向盘径线位于“栅孔组2”区域时的栅孔输出信息处理流程，图15为已确定方向盘为顺时针转动下的栅孔信息处理和相关标记处理流程，图16为已确定方向盘为逆时针转动下的栅孔信息处理和相关标记处理流程，图17为方向盘先逆时针过零再顺时针进入“栅孔组1”区域时的栅孔输出信息处理流程，图18为方向盘先顺时针过零再逆时针进入“栅孔组2”区域时的栅孔输出信息处理流程，图19为方向盘在转动时因短暂停留而导致栅孔输出抖动的处理流程。后续将详细说明。

3.4.5.1.方向盘顺时针过零转动下的探测信息处理及程序流程说明

图13、图15、图17为图8所示的方向盘转动装置之栅孔组合中的“栅孔组1”(对应图8中的栅孔位编码“00”到编码“25”)中的任一栅孔位所对应的光接收管产生输出时的信息处理程序流程，说明如下：

(1)图13为“栅孔组1”中的任一栅孔为所对应光接收管产生输出时的初步判断程序。

(2)每当方向盘转动探测装置检测到图8所示的“栅孔”所对应的光接收管产生输出时，程序总是首先判断方向盘的转动方向，并在确定的基础上在专门配置的存储单元中置位相应的标志(例如可设顺时针标志为2比特的“01”，设逆时针标志为2比特的“10”，也可以是其它形式的标志)。

备注：

之所以在方向盘转动探测装置的检测信息处理程序中首先判断方向盘的转动方向，是因为两个基本要素：

其一，方向盘以最原始的零状态为起点，顺时针旋转和逆时针旋转所对应的方向轮偏转方向是决然不同的。因此从一开始就必须区分。

其二，方向盘以最原始的零状态为起点，顺时针旋转和逆时针旋转属于探测信息分析判断的本质特征点，在明确了起始的旋转方向后，方向盘在一个方向上的转动，只要不重新反向过初始“零点”位置，则仅仅属于该方向上的量的变化。

(3)图13中的第6项的作用在于：图8中的栅孔位每产生一次输出，需要及时地将该位所对应的标记加1，一方面为后续相关的逻辑判断预置标记，另一方面起着记录方向盘旋转圈数(每超过360°为一圈)的作用。

(4)图13中的第7项的作用在于：如果方向盘的转动在图8中的某个栅孔位产生一次输出属于在顺时针转动方向基础上的反转(即没有反转而超越方向盘初始零状态的有限反转)，则及时地将已经加1的栅孔位标志实时地减1。

(5)本发明之方法所对应的方向盘探测装置支持嵌入式微电脑采用较低运算速率的品种，因此允许方向盘在迅速旋转的情况下丢失转动过程中栅孔输出之中间信息，采用图13中第6项和第7项的程序方式，将当前完成处理的栅孔位状态信息回补给转动过程中所有经历的栅孔位所对应的状态存储单元，同时保持当前栅孔位状态比后续未到达的栅孔位具有标志上的分界。这种处理过程体现在图13、图14、图15、图16、图17、图18所示的分析处理程序过程中。

(6)图15为已经确定当前方向盘为顺时针转动前提下的嵌入式微电脑处理程序流程。该流程的标志前提之一，是当前检测到的栅孔位所对应的光接收管输出为顺时针转动下的第N个栅孔位所对应的光接收管输出，N为大于1的自然数，即：当前的光接收关所产生的输出可能是方向盘径线在360(R-1)°＜α＜360R°范围内的某次输出，其中R为自然数。

(7)通过图15所示的程序流程，既可以通过对当前光接收管输出信息的分析判断而确定方向盘径线当前所在的位置区间，又可以在明确结果的基础上对可能发生丢失的数据进行补充标记。

(8)当图13所示程序流程中出现逆时针标志置位但却检测到“栅孔组1”产生输出，则可能性包括两个方面的因素所导致：一是方向盘径线位置在逆时针旋转的情况下进入“栅孔组1”所界定的区域(包括多圈转动的情况)；二是在方向盘径线位于零状态的初始状态下首先逆时针方向旋转并由电脑程序将逆时针标志置位，然后反向旋转再次通过零点，方向盘状态由顺时针转动状态变为逆时针转动装。图17为此两种状态的判断处理程序。

(9)图13、图15、图17所示的程序分析与处理的逻辑对象为方向盘径线位于“栅孔组1”所界定的范围内之基础上；图14、图16、图18所示的程序分析与处理的逻辑对象则为方向盘径线位于“栅孔组2”所界定的范围内之基础上。两类程序的处理模式一致。

(10)由于每个栅孔位编码均作为该位信息输出处理子程序的入口地址，因此由位于不同栅孔组范围内(“栅孔组1”或“栅孔组2”)的子程序在处理起始段即默认规定的栅孔组并按规定程序操作。如图13、图15，嵌入式处理程序直接按相应的程序处理栅孔输出信息。

备注1：

对于绝大多数车辆而言，方向盘的旋转角度通常为顺时针两周(720°)或逆时针两周(720°)，但存在因误差而顺时针或拟时针超越720°的情况。为便于说明，这里取方向盘的极限转角为顺时针或逆时针三周共1080°。

备注2：

在图8中的栅孔位编码“XX”设定为嵌入式微电脑程序对应于相应栅孔位子程序入口地址的前提下，对应的栅孔位产生输出，则嵌入式程序将自动按地址编码进入图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19所示的相应处理程序段，包括对方向盘径线具体位置标志的置位。

3.4.5.2.光接收管输出信号抖动的处理方法

图8所对应的光接收管输出产生抖动的情况为：同一光接收管在邻近的其它光接收管未间隔的情况下多次重复产生输出。为防止这种抖动导致对逻辑处理过程中的标记造成混乱，在实际程序过程中包括如下处理原则：

(1)对于转动方向未明确的栅孔输出(即顺时针标志或逆时针标志未置位)，可以确定为该栅孔位输出为方向盘自原始零点开始的第一次输出，因而不存在抖动处理问题，但需要将该栅孔位所对应的防抖动标志值位，如图13和图14中所示程序流程的第6项。

(2)对于转动方向(顺时针或逆时针)已经明确的栅孔输出，首先确定本次输出是否属于抖动输出，其基本方法便是查询防抖动标志。即：栅孔输出的处理程序在完成信息处理后均包括防止后续抖动的标志置位操作，同时清位本与本栅孔位前后相邻的栅孔位防抖标志。

图19为方向盘转动时的防抖动处理程序，防抖动程序入点对应图15、图16、图17、图18所示的程序起始点及其它为列示的其它栅孔位输出信息处理的入口处。

3.5.方向盘转动探测与方向轮偏转方位印射的基本方法说明

3.5.1.方向轮偏转角的获取

如图8和图7所示，设定“栅孔墙”在360°的圆周上均匀分布52个栅孔，每个栅孔配置一光接收管，计算可知每一相邻两栅孔与圆心之连线之间的夹脚为6.923°，即：当方向盘转动检测装置从相邻栅孔所配置的光接收管检测到输出，表明方向盘在最新的实时检测中产生了α＝6.923°的角位移，当S个栅孔所对应的光接收管产生输出，则表明方向盘的角位移为α＝6.923S°，根据上述“3.1.方向机中轴轴线同心圆转角与方向轮偏转角之间的关系”之描述中所给出的方向盘转角α和方向轮偏转角β之间的比例函数式λ＝α/β，可通过嵌入式微电脑计算得车辆之方向轮的偏转角为：

β＝α/λ＝6.923S/λ(单位度)

其中，λ为具体车辆方向盘角位移和方向轮偏转角之间的比值常数。

3.5.2.方向盘和方向轮角位移的实时显示处理方法说明

(1)图20为本发明之方法所采用的方向盘和方向轮显示方式示意图。图中，方向盘的偏转角度和偏转方向利用方向盘径线的实时偏转位置来表示，方向轮的偏转角度和偏转方向采用方向轮轮廓的实时偏转位置形式。

备注：

方向盘和方向轮在转动方向采用实时的偏转位置表示的意义是指：方向盘或方向轮的偏转方向仅区分顺时针或拟时针，在此前提下，方向盘或方向轮为实时的动态位置显示。

(2)显示处理采用查表法。下列表1和表2分别为方向盘顺时针转动下各栅孔位所对应的遍转角度和方向盘逆时针转动下各栅孔位所对应的遍转角度。其中，“栅孔编码”为对应图8中的栅孔位编码，是指方向盘在转动过程中，图20中的方向盘径线所对应的发光管实时地在该栅孔位所对应的光接收管产生输出，如果不考虑方向盘的转动圈数，此时方向盘径线与方向盘原始零点之间的夹角和对应栅孔位的偏角是一致的。如果考虑到方向盘的转动圈数，则方向盘径线与方向盘原始零点之间的夹角可以是对应当前输出栅孔位的多次输出下的累计值。

(3)表1及表2中，对应每个栅孔编码均包括三个“α值”，分别对应“N＝1”、“N＝2”、“N＝3”，这里的“N”表示图20中方向盘径线从原始零点开始所转过的圈数，在程序逻辑中分别用“001”、“010”、“011”表示。

(4)嵌入式微程序的查表操作流程及方向盘和方向轮的显示要素判断逻辑流程如图21所示。

(5)如图20所示，方向盘的圆形轮廓线为固定位置显示(包括方向盘径线的中心点)，方向盘径线则根据不同的α值而以动态方式显示。即：一旦确定α值，则以方向盘径线中心点为坐标原点，以过原点的水平线为“X轴”，以过原点的垂直线为“Y轴”。方向盘原始零点位于过坐标零点的Y轴上，又是方向盘径线端点的起始位。

(6)在实际显示中，图20中的α值的确定只为了根据函数式β＝α/λ而确定β值。在方向盘的径线动态显示中，采用如下方式：

其一，将图20中的方向盘轮廓圆周线自方向盘原始零点开始，划定为52个等份，每一分隔线与图8所示栅孔位相对应，在嵌入式电脑的存储单元中存储各分隔点的坐标值(X，Y)，同时标记坐标值所对应的栅孔编码。

其二，直接根据当前存在输出的栅孔位编码查询对应的坐标值，然后实时地显示坐标值与方向盘径线中心点之间的连线。

其三，方向盘的圈数在显示屏直接用数字显示出来，供司机参考。

(7)如图20所示，方向轮外轮廓(包括具体尺寸)及隐含(不显示)的中间线在程序中为固定的集合值(即具有固定相对尺寸的矩形图元)。在图20中，设定方向轮矩形纵横中心线的交点为X-Y坐标系的原点，设方向轮处于中间平衡位置(对应于方向盘径线处于原始零点位置)时的中心垂直线与Y轴重合。方向轮在方向盘的驱动下所产生的偏转角β值根据β＝α/λ确定。

                                                        表1

方向盘顺时针旋转
									栅孔编码	α值(N＝1)	α值(N＝2)	α值(N＝3)	栅孔编码	α值(N＝1)	α值(N＝2)	α值(N＝3)	备注
00	0°	359.996	719.992	26	179.998	539.994	899.99
									01	6.923	366.919	726.915	27	186.921	546.917	906.913
02	13.846	373.842	733.838	28	193.844	553.84	913.836
									03	20.769	380.765	740.761	29	200.767	560.763	920.759
04	27.692	387.688	747.684	30	207.69	567.686	927.682
									05	34.615	394.611	754.607	31	214.613	574.609	934.605
06	41.538	401.534	761.53	32	221.536	581.532	941.528
									07	48.461	408.457	768.453	33	228.459	588.455	948.451
08	55.384	415.38	775.376	34	235.382	595.378	955.374
									09	62.307	422.303	782.299	35	242.305	602.301	962.297
10	69.230	429.226	789.222	36	249.228	609.224	969.22
									11	76.153	436.149	796.145	37	256.151	616.147	976.143
12	83.076	443.072	803.068	38	263.074	623.07	983.066
									13	89.999	449.995	809.991	39	269.997	629.993	989.989
14	96.922	456.918	816.914	40	276.92	636.916	996.912
									15	103.845	463.841	823.837	41	283.843	643.839	1003.835
16	110.768	470.764	830.76	42	290.766	650.762	1010.758
									17	117.691	477.687	837.683	43	297.689	657.685	1017.681
18	124.614	484.61	844.606	44	304.612	664.608	1024.604
									19	131.537	491.533	851.529	45	311.535	671.531	1031.527
20	138.46	498.456	858.452	46	318.458	678.454	1038.45
									21	145.383	505.379	865.375	47	325.381	685.377	1045.373
22	152.306	512.302	872.298	48	332.304	692.3	1052.296
									23	159.229	519.225	879.221	49	339.227	699.223	1059.219
24	166.152	526.148	886.144	50	346.15	706.146	1066.142
									25	173.075	533.071	893.067	51	353.073	713.069	1073.065	满度为1079.988

                                                            表2

方向盘逆时针旋转
								栅孔编码	α值(N＝1)	α值(N＝2)	α值(N＝3)	栅孔编码	α值(N＝1)	α值(N＝2)	α值(N＝3)
00	0°	-359.996	-719.992	26	-179.998	-539.994	-899.99
								51	-6.923	-366.919	-726.915	25	-186.921	-546.917	-906.913
50	-13.846	-373.842	-733.838	24	-193.844	-553.84	-913.836
								49	-20.769	-380.765	-740.761	23	-200.767	-560.763	-920.759
48	-27.692	-387.688	-747.684	22	-207.69	-567.686	-927.682
								47	-34.615	-394.611	-754.607	21	-214.613	-574.609	-934.605
46	-41.538	-401.534	-761.53	20	-221.536	-581.532	-941.528
								45	-48.461	-408.457	-768.453	19	-228.459	-588.455	-948.451
44	-55.384	-415.38	-775.376	18	-235.382	-595.378	-955.374
								43	-62.307	-422.303	-782.299	17	-242.305	-602.301	-962.297
42	-69.230	-429.226	-789.222	16	-249.228	-609.224	-969.22
								41	-76.153	-436.149	-796.145	15	-256.151	-616.147	-976.143
40	-83.076	-443.072	-803.068	14	-263.074	-623.07	-983.066
								39	-89.999	-449.995	-809.991	13	-269.997	-629.993	-989.989
38	-96.922	-456.918	-816.914	12	-276.92	-636.916	-996.912
								37	-103.845	-463.841	-823.837	11	-283.843	-643.839	-1003.835
36	-110.768	-470.764	-830.76	10	-290.766	-650.762	-1010.758
								35	-117.691	-477.687	-837.683	09	-297.689	-657.685	-1017.681
34	-124.614	-484.61	-844.606	08	-304.612	-664.608	-1024.604
								33	-131.537	-491.533	-851.529	07	-311.535	-671.531	-1031.527
32	-138.46	-498.456	-858.452	06	-318.458	-678.454	-1038.45
								31	-145.383	-505.379	-865.375	05	-325.381	-685.377	-1045.373
30	-152.306	-512.302	-872.298	04	-332.304	-692.3	-1052.296
								29	-159.229	-519.225	-879.221	03	-339.227	-699.223	-1059.219
28	-166.152	-526.148	-886.144	02	-346.15	-706.146	-1066.142
								27	-173.075	-533.071	-893.067	01	-353.073	-713.069	-1073.065

3.5.3.方向盘旋转多圈时显示处理方法说明

本发明之方法包括对方向盘旋转超过一周情况下的圈数记录方式，对应于表1及表2中的N＝1、N＝2、N＝3，在程序逻辑中分别用“001”、“010”、“011”表示。在显示时遵循如下方式：

(1)直接用阿拉伯数字显示方向盘的显示圈数，即：当方向盘在不满一圈的旋转范围内，用“1”表示；在一圈至不满两圈的范围内，用“2”表示；在二至三圈的范围内用“3”表示。

(2)在阿拉伯数字前附加“+”号和“-”号表示顺时针和逆时针转动方向。例如：“+2”表示顺时针两圈，“-2”表示逆时针两圈，依此类推。

3.5.4.异常情况处理方法说明

当装置掉电时，而方向盘的当前位置处于非“0”点位的其它位置，掉电导致存储器对方向盘位置的记录丢失，重新加电后并移动方向盘，只能作出判断方向盘径线在某一周内的位置，无法判断出方向盘径线已经转过的整圈数。此时需要人工回正方向盘，使方向盘径线的偏转处于不足一圈的范围内，然后通过人机界面设置的“校正”按键而达到恢复探测装置对车辆方向盘及方向轮的正确监控状态。。

探测装置带可充电电池，保留方向盘位置数据的记录。

3.5.5.附属说明

(1)这里利用整个“栅孔组1”或“栅孔组2”中的某一个栅孔位之首次产生输出的设定，是基于如下可靠性保障机理：

本实施例支持采用不同规格的嵌入式微电脑，允许当方向盘旋转过于迅速时而导致嵌入式电脑程序因数据处理速度的设计选择而发生数据丢失现象。

(2)本实施例可有效区分方向盘反复通过中间零点或某定点之状态。

(3)本实施例可有效区分方向盘周期性过零之状态。

(4)本实施例采用但发光管与多光电接收管组成的角位移探测装置，实际中也可以采用但发光管和单接收管，通过计数的方式印射当前方向盘的位置，但需要人工校正方向盘的初始状态。

3.6.高度安全性和可控性驾驶的方法

(1)图22为按照车辆方向轮和驱动轮轴间距实际尺寸及两方向轮和驱动轮间距实际尺寸依据一定比例压缩的显示示意图。图23为将图22结合进车辆平面轮廓及其移动趋势包络线轮廓中的示意图，也是本发明之方法基础上的实际显示示意图。为使核心突出，实际显示时不包括图中的字符及其它辅助符号或线段，车辆本身轮廓下的移动趋势线也可隐藏。当出于显示界面清晰的需要时，也可只显示以Ri和Rj为半径的移动趋势线，形成车辆移动趋势包络轮廓线(关于车辆移动趋势线的形成方法详见后续)。

(2)由图22及图23可见，车辆驾驶者通过实时展示的方向轮偏转方位、方向盘径线位置及显示的圈数(图23中未表示)，即可直观地确定车辆的移动趋势，以类似控制自行车方向的模式在直观趋势判断下灵活安全地实现可靠驾驶。

4.车辆自动导驾之方法及其实现说明

通过方向盘的动态探测而实现自动导驾的核心包括两个方面：

其一，通过方向盘的动态探测而获取方向轮的偏转角度，进而获取方向轮延伸趋势轨迹，结合车辆外形平面轮廓尺寸则可获取车辆在平面上运动的轨迹，供司机结合周围环境而判断是否需要调整方向。

其二，利用障碍物探测技术的辅助而实现自动导驾，即障碍物的探测由相应的装置实现，将根据探测结果而自动获得的分析结论以方向轮的调整指示形式提供给司机，由司机根据指示完成车辆运动状态的实际控制。

4.1.车辆定向移动趋势线的数学模型

图23为车辆方向盘固定某位置的情况下而使方向轮形成定向偏转时两方向轮和两驱动轮的轨迹模型示意图(本实施例中仅考虑四轮车辆，其余类型车辆依此类推)，其中：

(1)鉴于四轮车辆方向轮的前展驱动设计，图示中的两方向轮偏转角度略有差别，使车辆转弯时外侧的方向轮偏转角小于内侧方向轮偏转角，以外侧方向轮偏转角为车辆转弯半径所对应的偏转角β。

(2)四只车轮的转弯趋势轨迹互为同心圆。

(3)设四个同心圆所对应车轮的转弯半径分别为R1、R2、R3、R4，其中R1为车辆的转弯半径。

(4)设车辆方向轮中心轴和驱动轮中心轴之间的间距为L，两方向轮中心间距或两驱动轮中心间距均为W。

(5)A、B两点分别位于转弯车辆内侧方向轮和驱动轮的中心点，E、F两点分别位于转弯车辆外侧方向轮和驱动轮的中心点。经推导可知：

外侧方向轮偏转角＝∠GEH＝∠EOF＝β1＝α/λ1，进一步推导可得：

R1＝L/sin(β1)＝L/sin(α/λ1)，R2＝L/cot(β1)＝L/cot(α/λ1)；

内侧方向轮偏转角＝∠CAD＝∠AOB＝β1＝α/λ2，进一步推导可得：

R3＝L/sin(β2)＝L/sin(α/λ2)，R4＝L/cot(β2)＝L/cot(α/λ2)；

在四轮车辆之方向轮的前展角设计中，β2-β1＝(α/λ2)-(α/λ1)＝a＞0，相对具体车辆而言为一常量，设为a。这里设β1＝β，λ1＝λ，可得：

R1＝L/sin(α/λ)

R2＝L/cot(α/λ)

R3＝L/sin(α/λ2)＝L/sin[a+(α/λ)]

R4＝L/cot(α/λ2)＝L/cot[a+(α/λ)]

(6)由图23可见，图中虚线框为车身平面轮廓线，轮廓线内的每一点在随同车轮转动中构成同心圆。

在车辆的定向转弯过程中，车辆的最前端的延长线和最外侧的延长线的交点(图23中的点i)之同心圆的轨迹为整个车辆上各点同心圆的最外侧圆，车辆的最内侧的延长线和车辆驱动轮轴向延长线的交点(图23中的点j)之同心圆的轨迹为整个车辆上各点同心圆的最内侧圆，

(7)由上述R1、R2、R3、R4的函数式可知，定向转动中之车辆方向轮的轨迹计算式和车辆驱动轮的轨迹计算式不相同，因此，图中虚线框内各点的转动轨迹表达方式也各不相同，为有效表达车辆整体的运行轨迹，采用区间表示法，具体为：

设车辆各点的转弯半径为R，则

Rj≤R≤Ri

即：当方向盘转向某个角度α时，车辆在该时刻将产生对应的运动趋势，在该趋势下，车辆的整个形态构成平面空间上的趋势包络线，形状为平面圆环。

4.2.车辆定向移动趋势包络线的显示

(1)利用本发明之方法所对应的装置之配套的人机界面分别输入对应于图23中车辆之矩形轮廓的车辆左右两边框线与方向轮平面中心轴点之间的实际距离、车辆左右两边框线与驱动轮平面中心轴点之间的实际距离、车辆前后两边框线与方向轮平面中心轴点之间的实际距离、车辆前后两边框线与驱动轮平面中心轴点之间的实际距离。根据设定的L值和W值可得图23中车辆外形轮廓与车辆两方向轮平面中心轴点和两驱动轮平面中心轴点所构成之矩形之间的对应尺寸关系。

备注：

对于两驱动轮的中心轴点间距和两方向轮的中心轴点间距相等的车辆，上述数据仅完成一组输入即可。

(2)车辆移动趋势包络线的产生是根据方向盘转动角位移α值并计算的。

(3)在移动趋势包络线的显示程序中采用坐标法，即遵循如下规则：

其一，首先确定显示原点，并作为移动趋势包络线的同心点；

其二，以同心点分别作半径为R1、R2、R3、R4的圆周，得以车辆方向轮平面中心轴点和驱动轮平面中心轴点为矩形(即图23中矩形ABFE)之四角的同心圆轨迹(对应于图23中的A、B、E、F点)。

其三，根据既定的对应关系，在以车辆方向轮平面中心轴点和驱动轮平面中心轴点为矩形的基础上，前后左右扩展既定距离即可得对应于图23中车辆矩形轮廓。

其四，以分别以对应于图23中车辆矩形轮廓的i点和j点作已确定之显示原点的同心圆，则可得Rj≤R≤Ri范围内全部车辆实体的移动趋势轮廓线。

(4)可根据需要而通过配置的人机界面确定是否显示以R1、R2、R3、R4为半径的移动趋势线。

(5)由于车辆内安装的电子显示器的实际尺寸限制，在实际的显示中，可通过配置的人机界面调整显示比例，使Rj≤R≤Ri的趋势包络线为圆环全部或者仅显示其中的一部分。

(6)移动趋势包络线是实时显示的，即：每改变方向盘的角位移值即可及时改变包络线形态。

4.3.自动导驾的实现说明

司机可凭借某个时刻显示的包络线和实际观察到的环境障碍物而直观地判断当前车辆延续既定轨迹运行下是否可行，并根据判断结果及时调整方向盘，以回避障碍物。此为移动趋势包络线的最直接应用方法，属于根据方向盘的角位移状态而被动地根据移动趋势包络线来实现驾驶引导。

5.本发明之方法的延伸应用说明

(1)在许多复杂场合下，车辆往往需要经历不断的方向调整或结合频繁的前进与后退方可达到通过或停车的目的。在此需求前提下，可通过对配置摄像或激光测距或测距雷达等装置的探测信息之实时处理实现对障碍物的信息处理并自动给出车辆行驶路线。由于本发明之方法所对应的装置配置有嵌入式微电脑，因此可方便地接口其它用于探测障碍物的传感器并通过配置专门的信息处理软件而达到自动导驾之目的，司机仅需要根据显示的方向盘径线指示位(例如以虚线形式动态指示调整方向)来调整方向轮即可。如果自动环境探测装置足够准确，相应的对车辆方向机构、制动装置、离合器、挡位等装置的自动操作控制足够齐备，这种驾驶方法可以确保车辆的全自动驾驶。可以全方位实现自动驾驶，包括两种导驾指示方式：

其一，定位式导驾——预先设定车辆需要到达的方位(包括方向和位置)，然后自动导驾。这里的“预先设定”可以是中间的临时状态。

其二，随机式导驾——司机不对车辆需要到达的方位作预先设定，仅凭视觉进行直观位置判断。探测装置将根据障碍物的探测结果而随时指示方向轮的调整。

(2)当车辆已经配置以微型计算机及显示器为核心功能部件的装置时，可将本发明之方法之全部方法逻辑在配置相应的传感装置等基础上以软件形式附加到既定装置中。

6.本发明之方法的其它同类实现模式说明

本发明之方法的本质核心，为利用传感探测的形式获取车辆方向盘和方向轮的动态方位(包括偏转方向和偏转角度)信息，经过智能装置对信息进行处理后利用电子显示装置给予显示，从而使车辆驾驶者不需要在车辆开始移动使即可通过对车辆方向盘及方向轮的直接观察而直观地获取车辆的移动趋势，大大降低对驾驶经验的依赖而实现安全可靠的驾驶。

在实现本发明之方法的上述本质核心的配套方法方面，本说明书完整描述了诸多配套方法中较为简便的实施例。在上述本质核心基础上，包括其它类似的实施方式，这些实施方式均以本发明之方法所实现的本质核心为基本特征，不同点主要体现在传感信息的获取方式、信息的处理方式及信息的显示方式这三个核心环节上，相关说明如下。

6.1.关于传感信息的获取方式说明

6.1.1.探测对象

本发明之方法针对的目标对象为车辆的方向盘和方向轮。本说明书仅仅针对通过方向盘中轴的角位移探测方式来映射方向盘和方向轮的动态方位给予了详细描述。根据车辆的基本构造可知，针对方向盘和方向轮动态的实时探测还包括多种类似方式，概要说明如下：

(1)针对方向盘外轮廓的线位移探测。可采用光电扫描方式对方向盘外轮廓的移动进行扫描而获取方向盘的角位移信息，进而获得方向轮的动态信息。

(2)针对方向机内部传动机构进行位移探测。根据方向机的基本构造，整个方向机随同方向盘运动的构件包括多个环节，可将相应的传感器装置安装在合适的环节进行位移探测，进而获取方向轮的实时动态信息。

(3)直接针对方向轮进行探测。也可以直接对方向轮的动态方位(包括偏转方向和偏转角度)进行探测而直接获取其方位信息并根据方向轮与方向盘之间的驱动函数关系而映射方向盘的实时动态信息。

(4)直接针对方向轮的驱动装置进行探测。方向盘通过方向机对方向轮的驱动是通过相应构件完成的，直接探测构件的动态位移也可达到获取方向轮和方向盘实时动态信息的目的。

6.1.2.探测机理

本说明书仅仅针对采用廉价而方便的光电式角位移探测方式给予了描述，实际上支持本发明之方法的实施还包括多种探测机理。概要说明如下：

(1)单红外接收头光电传感。本说明书仅就但发光管与多光接收管所形成的角位移探测机理给予了描述，实际上，也可采用单发光管和单接收管构成光电式角位移探测装置，利用发光管和接收管之间的栅孔墙形成间断的脉冲信号，从而构成类似的光电式角位移探测装置。

(2)光电式线位移探测。可直接利用光电扫描装置对方向盘外轮廓的移动扫描而达到探测方向盘线位移，进而映射方向盘角位移和方向轮角位移的目的。

(3)光电式探测还包括直接采用摄像传感的方式直接对方向盘的动态情况或直接对方向轮的动态情况进行实时探测。

(4)可采用其它电参量形式的传感探测方式。能够对线位移和角位移进行探测的传感装置多种多样，例如多圈精密电位器式、电容式、电感式、霍尔式、弹簧应力式等等，均可实现对方向盘或方向机中的某个驱动环节或方向轮上的某个驱动环节所映射的方向轮及方向盘之动态信息进行探测。

(5)其它探测方式还包括无线电探测、激光式探测、超声波探测等机理。

6.2.关于信息处理的方式说明

在说明书中，仅仅针对描述的光电式探测机理下所获取的映射方向盘和方向轮动态信息给出了处理方式说明。实际中，当采用不同的传感探测机理和针对不同的探测对象时，所采用的处理方式是不同的。概要说明如下：

6.2.1.传感装置输出信号的不同导致前置处理环节的不同

本说明书仅针对给出的实施方式给出了相应的信号处理环节描述。

显然，当针对不同的探测对象及采用不同的探测机理时，针对传感信号的探测装置之前置处理环节的构造方式是不同的。传感信息的输出包括数字开关量、脉冲量、模拟量等，具体的信号处理环节具有明确的针对性。

6.2.2.信息特征的不同导致处理模型的不同

本说明书仅针对给出的实施方式给出了采用微电脑进行相应信息处理的环节描述。当针对不同的探测对象及采用不同的探测机理时，不仅探测信号的前置处理方式不同，且核心的智能处理方式也不同。既包括采用微电脑进行智能化处理的方式，也包括直接构造智能处理电路的方式进行相应的处理。

6.3.关于信息显示的方式说明

6.3.1.显示信息特征的不同导致信息处理方式的不同

本说明书仅以方法发明的核心内容给出了方向盘和方向轮动态方位的显示形式。实际中，往往会根据车辆驾驶者有关车辆方向盘和方向盘轮动态信息的不同需求而给出不同的特征显示并以不同的特征显示而进行显示驱动前的信息处理。但无论如何处理，其本质的核心均以方向盘和方向轮的动态方位为基本内容，显示的形式可以是直接显示，也可以是间接映射。

6.3.2.工程需求的不同导致信息处理方式和显示装置的不同

本发明之方法在实施过程中，会因为不同的成本、实施者对技术的实施条件等因素而导致不同的实施方法。例如：

(1)对部分车辆驾驶者而言，实时地显示方向轮的动态方位即达到目的，或仅仅显示方向盘的动态方位也可达到目的。基于此，不仅可简化信息的处理方式，对显示器的要求也可相应降低。

(2)对于相对高档的机动车辆，用于诸如卫星定位、车载电视或多媒体播放装置等用途而配置显示器属于常规配置，而对于相当数量的车辆，则只能配置采用简单LCD模块显示装置对方向盘和方向轮或两者仅显示其中之一的形式来完成本发明之方法的实施。在这种前提下，显示驱动方面需要配置相应的信息处理环节。

(3)针对部分车辆已经配置由智能装置的情况，当将本发明之方法在此类车辆上实施时，最佳的工程方式应该是将相应的硬件和软件偶合到现存的智能装置中而实现新的综合功能，针对此类情况，需要对本发明之方法所涵盖的装置之对应环节及信息作相应的处理，使之适合新的运行环境。

7.附图说明

图1为车辆在较短行驶距离情形下的距离与方向可判断性之间关系的数学线段示意图。

图2为车辆在较图1所示的车辆行驶距离略长的情形下与图1的数学线段进行效果对比的距离与方向可判断性之间关系的示意图。图3为车辆行驶距离足够长并足以供车辆驾驶者直观判断车辆的运动轨迹之情形下的距离与方向可判断性之间关系的数学线段示意图。图4为本发明之方法所涉及的车辆方向盘俯视示意图。图5为图4的简化示意图。图6为本发明之方法所涉及车辆方向轮无偏转情形下的俯视截面状态效果和同时刻方向盘的俯视效果示意图。图7为本发明之方法所涉及车辆方向轮偏转β角度且对应方向盘转过α角度情形下，方向轮位置和方向盘相对位置变化的对比示意图。图8为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置中之前端信号检测部分功能装置示意图。图9为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置中之前端信号检测部分功能装置所采用的“栅孔墙”之侧面示意图。图10为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置中完成通过对方向盘角位移检测而映射方向轮方位的信息检测与处理过程的功能单元电原理框图。图11为图10中所涉及的“模/数转换”功能单元之进一步描述的功能框图。图12为图10和图11中所涉及的嵌入式微电脑与前后功能环节相互衔接之进一步描述的功能框图。图13为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件针对方向盘径线(如图5所示)位于图8所示的栅孔位编码00-25区域范围内时由相应栅孔所对应的光接收管产生的输出信息进行分析判断，进而对方向盘及方向轮转动方向进行判断并完成相关状态参数设置的逻辑处理流程框图。图14为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件针对方向盘径线(如图5所示)位于图8所示的栅孔位编码26-51区域范围内时由相应栅孔所对应的光接收管产生的输出信息进行分析判断，进而对方向盘及方向轮转动方向进行判断并完成相关状态参数设置的逻辑处理流程框图。图15为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件在完成图13所示的逻辑处理过程及确定方向盘为顺时针旋转之情形下，对方向盘状态及相关参数作进一步处理的逻辑流程框图。图16为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件在完成图14所示的逻辑处理过程及确定方向盘为逆时针旋转之情形下，对方向盘状态及相关参数作进一步处理的逻辑流程框图。图17为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件在完成图13所示的逻辑处理过程及确定方向盘为逆时针旋转之情形下，对方向盘状态及相关参数作进一步处理的逻辑流程框图。图18为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件在完成图14所示的逻辑处理过程及确定方向盘为顺时针旋转之情形下，对方向盘状态及相关参数作进一步处理的逻辑流程框图。图19为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件每次针对图8所示的栅孔位所对应的光接收管输出信息进行处理前所首先完成的甄别方向盘转动状态是否属于瞬间抖动之处理程序逻辑框图。图20为本发明之方法所采用的方向盘和方向轮显示方式之示意图。图21为本发明之方法所涉及的光电式转动探测装置之嵌入式软件根据方向盘转动时的输出信息处理结果而完成显示驱动处理的主逻辑框图。图22为本发明之方法所涉及的按照车辆方向轮和驱动轮轴间距实际尺寸及两方向轮和驱动轮间距实际尺寸依据一定比例压缩的显示示意图。图23为本发明之方法中将图22之示意结合进车辆平面轮廓及其移动趋势包络线轮廓中并利用电子显示装置予以实时动态显示并实现导驾的示意图。

Claims (3)

1.本发明是一种基于电子传感技术、智能控制技术及汽车电子和车辆驾驶控制技术而诞生的显著提高车辆可控制特性的方法创新。对于采用驾驶室构造并对车辆方向轮形成遮挡的机动或非机动车辆，本发明采用直观显示车辆方向盘及方向轮实时动态方位的方法解决车辆驾驶者(司机)只能凭借经验和车辆在实际移动中的动态趋势来决定方向盘调整所面临的困惑，防止因为不明确方向轮的具体方位而导致的误操作，从而有效提高车辆的可控性，大大降低车辆在复杂环境中驾驶时对驾驶经验的依赖，增强安全驾驶之保障。其特征在于：

(1)利用传感装置获取与车辆方向盘和方向轮实时动态相关的位置信息。

(2)利用电子或智能装置(例如微型计算机等)对传感装置获取的车辆方向盘和方向轮实时动态信息进行处理。

(3)将经过处理的包括偏转角度和方向的车辆方向盘及方向轮之动态方位以电子显示或图像方式直观地向车辆驾驶者展示，从而使车辆驾驶者可根据车辆方向盘和方向轮的方位而在静止状态下直接确定车辆的既定移动方向，在直观趋势判断下灵活安全地实现可靠驾驶。

2.在权利要求1的基础上，包括基于本发明之方法实现对车辆方向盘及方向轮之动态方位进行探测并实时显示的方法。其特征在于：

(1)利用光电式传感装置探测包括偏转角度和偏转方向的车辆之方向盘的动态方位，包括机械角位移探测和机械线性位移探测方法。

(2)根据传感装置的既定物理模型获取与车辆方向盘和方向轮实时偏转方位直接相关的信息。传感装置的既定物理模型为根据车辆方向盘及方向轮之间的驱动函数关系而建立。

(3)根据获取的车辆方向盘动态偏转方位信息并经过微型电脑及其配套程序的处理而在电子显示器上实时地显示方向盘的动态方位。

(4)根据车辆方向盘与方向轮之间的驱动函数关系获得车辆方向轮随同方向盘偏转的实时动态方位信息并经过微型电脑及其配套程序处理后利用电子显示装置实时地给予直观显示。

(5)车辆驾驶者将电子显示装置所直观显示的车辆方向盘和方向轮的实时动态方位作为控制车辆方向盘进而控制方向轮的实时参照，从而实现对车辆运动方向的准确控制。

3.在权利要求1和权利要求2的基础上，包括基于本发明之方法实现对车辆移动趋势预测的从属方法，通过预测的车辆移动趋势包络轮廓线的实时显示及结合车辆驾驶者对车辆周围障碍物的直观判断而构成实时的对方向盘的控制操作动作，进而控制方向轮的偏转，达到有效回避障碍物的目的。其特征在于：

(1)利用车辆方向盘在某个固定偏转角度下与方向轮所对应的函数关系，可确定车辆在此瞬间的转弯半径，结合车辆外形尺寸，则可获得车辆在对应方向盘某个旋转角度基础上所形成的以同心圆为特征的移动趋势包络线。

(2)将车辆外形轮廓与移动趋势包络线轮廓实时地利用电子显示器给予显示，作为车辆驾驶者结合车辆周围障碍物实施相对位置判断的基础。

(3)车辆驾驶者通过对车辆周围障碍物的观察及与实时显示的车辆本身及其移动趋势包络线轮廓的位置判断和映射提示的车辆延伸位置信息，达到预先分析在当前车辆移动趋势下是否将导致与某障碍物发生碰撞的情况，从而决定是否需要立刻调整车辆方向盘及方向轮的偏转。

Images