周美麗，白宗文

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，延安716000）

周美麗（講師）、白宗文（副教授），研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

引 言

隨著汽車(chē)保有量的增加以及汽車(chē)行駛速度的不斷提高，汽車(chē)的行駛安全性越來(lái)越受到關(guān)注，目前基于各類(lèi)傳感器和信息處理系統(tǒng)的車(chē)輛運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步應(yīng)用于各類(lèi)汽車(chē)當(dāng)中，通過(guò)傳感器及時(shí)獲取車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并及時(shí)做出判斷是智能汽車(chē)的重要發(fā)展方向，其中汽車(chē)側(cè)翻預(yù)警是其中之一［1］。依據(jù)美國(guó)公路交通安全管理局（NHTSA）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，車(chē)輛側(cè)翻事故危害程度位居第二［2］，僅次于車(chē)輛碰撞引起的事故。北美與歐洲交通事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，汽車(chē)側(cè)翻占產(chǎn)生人身傷害交通事故比例的5%，是產(chǎn)生人員死亡的交通事故比例的20%。如何減少車(chē)輛行駛情況下的側(cè)翻已經(jīng)成為汽車(chē)安全必須考慮的重要問(wèn)題［3］，因此，體積小、便攜式、成本低的汽車(chē)防側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 理論分析

引起汽車(chē)側(cè)翻的因素多，主要包括汽車(chē)機(jī)構(gòu)、駕駛員和道路條件，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者和汽車(chē)廠商對(duì)整車(chē)抗側(cè)翻能力進(jìn)行了廣泛研究［4］，其中Jang yeol Yoon和KyongsuYi提出了基于傾角速度的來(lái)測(cè)量?jī)A角動(dòng)態(tài)相平面的分析方法［5－6］，本文 采 用 參 考 文 獻(xiàn)［7］提 出 的 模 型，綜 合 考 慮懸架和輪胎形變等因素。

首先將汽車(chē)簡(jiǎn)化為3個(gè)自由度：分別沿y軸的側(cè)向運(yùn)動(dòng)、繞z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)和繞x的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)。圖1為汽車(chē)側(cè)翻受力模型，Ms表示車(chē)廂，車(chē)廂的側(cè)傾導(dǎo)致質(zhì)心偏移就會(huì)改變汽車(chē)自重的抗側(cè)翻能力，造成側(cè)翻閾值減小。

忽略車(chē)橋的質(zhì)量，可得

當(dāng)Fzlt＝0時(shí)，汽車(chē)開(kāi)始側(cè)傾，可得：

其中，φ＝Rφac，ac為汽車(chē)開(kāi)始側(cè)傾時(shí)所受的側(cè)向加速度，也稱為汽車(chē)側(cè)傾加速度閾值；h表示重心到地面的距離，hr表示側(cè)翻中心到地面的距離；t為兩輪間距；Rφ表示側(cè)翻剛度，取決于側(cè)傾角φ和側(cè)向加速度ac。當(dāng)ac達(dá)到最大值時(shí)，汽車(chē)發(fā)生側(cè)翻，因此可以及時(shí)獲取φ和ac，若及時(shí)采取措施，則可預(yù)防汽車(chē)側(cè)翻。

圖1 汽車(chē)側(cè)翻受力模型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析可知，汽車(chē)側(cè)翻主要由側(cè)向加速度、軸向加速度、輪距、重心到地面的高度等參數(shù)決定，則可分別實(shí)時(shí)測(cè)出這些參數(shù)，利用式（1）力學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算，預(yù)測(cè)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于給定型號(hào)的小汽車(chē)，輪距和重心到地面的高度可視為已知條件，因此，只需要測(cè)量出側(cè)向加速度和軸向加速度就可以計(jì)算出汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)中加速度測(cè)量選用雙軸加速度計(jì)ADXL203［8－9］，實(shí)時(shí)測(cè)量汽車(chē)軸向和縱向加速度。輪距、重心到地面高度、承載重量等固定參數(shù)，采用4×4薄膜鍵盤(pán)設(shè)置，微控制器采用MSP430F149，實(shí)時(shí)接收并處理以上輸入信息。為減少對(duì)駕駛員的干擾，在危險(xiǎn)發(fā)生前，采用語(yǔ)音方式提示駕駛員采取相應(yīng)措施。LCD 顯示屏選用彩色液晶顯示屏，完成用戶輸入交互。存儲(chǔ)器記錄一段時(shí)間汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，以便于用戶分析。電源電路、鍵盤(pán)電路和語(yǔ)音提示、LCD等模塊采用電子系統(tǒng)常見(jiàn)電路模塊，本文不再贅述。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 傾斜測(cè)量電路設(shè)計(jì)

傾斜測(cè)量電路是汽車(chē)防側(cè)翻預(yù)警電路的核心，需要高速、精確、實(shí)時(shí)處理汽車(chē)行駛姿態(tài)信號(hào)。傾斜測(cè)量電路如圖3所示，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，采用ADI公司的雙軸加速度計(jì)ADXL203，它是一款多晶硅表面微加工傳感器，內(nèi)部集成了信號(hào)調(diào)理電路，在汽車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)X 軸或Y 軸方向的加速度可以動(dòng)態(tài)地在器件Xout或Yout端輸出以相應(yīng)的電壓信號(hào)。

圖3 雙軸傾斜測(cè)量電路

加速度傳感器工作原理是使用重力作為輸入矢量來(lái)確定空間中物體的方向。該傳感器為表面微加工多晶硅結(jié)構(gòu)，置于晶圓頂部，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結(jié)構(gòu)之上，提供加速度力量阻力。

差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對(duì)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量。固定板由180°反相方波驅(qū)動(dòng)，加速度使梁偏轉(zhuǎn)，使差分電容失衡，從而使輸出方波的幅度與加速度成比例。然后，使用相敏解調(diào)技術(shù)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流并確定加速度的方向。

由于加速度傳感器輸出的電壓信號(hào)瞬變，因此需要選擇運(yùn)行速度快、可以捕捉瞬變信號(hào)的高性能運(yùn)算放大器。因此，本文選擇具有低失調(diào)電壓、低偏置電流、低噪聲的軌到軌輸入／輸出的AD8608四通道運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理，圖3中的A1～A4表示AD8608的4個(gè)通道。

信號(hào)采集與調(diào)理完成后需要進(jìn)行數(shù)字化處理，然后輸入到微控制器進(jìn)行處理，A／D 轉(zhuǎn)換的精度和速度為關(guān)鍵因素，為了處理加速度計(jì)輸出的數(shù)據(jù)并計(jì)算出角度，需確定ADXL203的輸出電壓范圍并將其與ADC輸入電壓范圍進(jìn)行比較。

AD7887的輸入電壓范圍為0～3.3V，ADXL203的理想輸出電壓范圍為1.5～3.5V。故該電路選擇高速低功耗的12位SAR型A／D轉(zhuǎn)換器AD7887，其采樣率達(dá)到了125ksps，轉(zhuǎn)換工作頻率可達(dá)2.5 MHz。

本電路在傾斜度90°范圍內(nèi)可達(dá)到0.01的精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)全部采用低功耗、小封裝尺寸器件，因此本電路系統(tǒng)具有高精度、高性能、低成本、小尺寸的特征。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

如圖4所示，X軸上的重力矢量投影會(huì)產(chǎn)生輸出加速度，大小等于加速度計(jì)X 軸和水平面之間夾角的正弦值。水平面通常是與重力矢量正交的平面，當(dāng)重力為理想值1g時(shí)，輸出加速度為：

則：

對(duì)于雙軸傾角，則可利用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

圖4 雙軸傾斜測(cè)量加速度與傾斜角度的關(guān)系

結(jié) 語(yǔ)

利用ADXL203雙軸加速度傳感器實(shí)時(shí)采集標(biāo)識(shí)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的X 軸輸出和X 軸輸出，并對(duì)信號(hào)經(jīng)調(diào)理、轉(zhuǎn)換后傳送至微控制器，利用力學(xué)理論模型分析引起汽車(chē)側(cè)翻的各參數(shù)之間的關(guān)系，預(yù)判汽車(chē)側(cè)翻的可能性，并及時(shí)給出提示信息。

如表1所列，該系統(tǒng)角度測(cè)量范圍為－90°～90°，誤差范圍為－0.03°～0.03°，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)具有寸小、功耗低、抗沖擊和振動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能精確測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的偏轉(zhuǎn)角度，可廣泛應(yīng)用于各種慣性測(cè)量系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］金智林，翁建生，胡海巖.汽車(chē)側(cè)翻預(yù)警及防側(cè)翻控制［J］.動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2007（10）：365－368.

［2］趙嚴(yán)強(qiáng)，王思凡，楊志.汽車(chē)防側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)研究［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011（14）：68－69.

［3］岑達(dá)希，胡樹(shù)根.基于LTR 的汽車(chē)差動(dòng)制動(dòng)防側(cè)翻動(dòng)力學(xué)研究［J］.機(jī)電工程，2011（5）：532－535.

［4］宋小文，李杰，王松.一種改進(jìn)的汽車(chē)側(cè)翻模型及其應(yīng)用研究［J］.汽車(chē)工程，2009（10）：971－975.

［5］Jangyeol Yoon，Kyongsu Yi.A Rollover Mitigation Control Scheme Based on Rollover Index［C］／／Proceedings of the 2006American Control Conference，USA，2006.

［6］Aleksander Hac.Rollover Stability Index Including Effects of Sus－Pension Design［EB／OL］.［2015－01］.http：／／www.hindawi.com／journals／mpe／2013／750896／.

［7］李冬臨，林土勝.輪胎加速度傳感器的汽車(chē)制動(dòng)性能監(jiān)測(cè)分析［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006（5）：15－17.

［8］Chen Bo，Peng H.Rollover warning for articulated heavy verhicles based on a time rollover metric［J］.Transaction of the ASME，2005，127（9）：406－414.

［9］鹿麟，林凌.ADXL203 型雙軸加速度計(jì)在傾斜度測(cè)量中的應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2007（7）：62－64.