基于線位移傳感器系統(tǒng)的雙氣室空氣懸架控制設計

董家軒

摘? 要： 針對目前中國汽車工程學會Baja賽事中的越野環(huán)境，可能會發(fā)生一些較為明顯的側傾現(xiàn)象，甚至會產生側翻的情況，設計了一款配合單片機傳感器系統(tǒng)的交叉型空氣懸架控制系統(tǒng)，基于線位移傳感器的實時數(shù)據(jù)利用交叉型雙氣室空氣互聯(lián)懸架與電磁閥的配合工作實現(xiàn)對巴哈賽車的側傾處理。達到減小側傾現(xiàn)象，降低側翻的產生率，從而提高賽車安全。

關鍵字：線位移傳感器;空氣懸架;巴哈賽車;

1 項目背景及研究意義

1.1項目的背景

在2015年巴哈賽事由中國汽車工程學會將引入國內。至今已舉辦過五屆巴哈大賽。其一般駕駛環(huán)境和比賽環(huán)境多為不平整的山地、草地或是其他更惡劣的環(huán)境，路面較為崎嶇且有很多小型障礙如中小型石塊等的障礙，并且車手在做轉向時就會有很大的側傾趨勢，若碰到一些 小型障礙物甚至會有賽車側翻的可能性，這無論是對車手本身還是Baja賽車的機械部件而言還是電子部件而言都會造成一定程度的損傷，有時可能會造成很嚴重的人力財力損失。

目前在Baja賽車上對于防側傾的部件并不能起到很強的作用。針對上述的現(xiàn)狀，我們提出了“基于線位移傳感器系統(tǒng)的雙氣室空氣懸架控制設計” 。利用雙氣室空氣懸架良好抗側傾的優(yōu)點結合傳感器系統(tǒng)控制優(yōu)化達到更好的抗側傾效果。

1.2研究意義

雙氣室空氣懸架能夠提高汽車的平順性，并且還有著阻尼性能調節(jié)方便等優(yōu)點，整車抗側傾能力上也有更好的效果。此外，配合以電氣部分的傳感器進行工作，通過安裝在Baja賽車懸架上的線位移傳感器利用中心MCU通過一定的信號轉換數(shù)據(jù)處理取得賽車四個懸架的實時位移數(shù)據(jù)，并進行一定的數(shù)據(jù)分析，配合控制安裝在空氣彈簧各氣囊的空氣連通處的電磁閥，調節(jié)空氣彈簧氣體輸送阻尼從而達到控制空氣彈簧氣體流通來智能化輔助控制整個系統(tǒng)的工作，通過兩者配合工作來降低車身側傾的程度。

2.項目內容的研究

2.1技術總體思路

本項目重點在于實時調節(jié)空氣懸架來減小車身的側傾。為解決此類問題，項目組綜合分析如下：設計并安裝雙氣室空氣懸架，然后對賽車上進行電氣線路布置。通過電氣系統(tǒng)對車身姿態(tài)的實時檢測，調節(jié)空氣懸架的氣體阻尼。

2.2技術實施原理與設計方案

本系統(tǒng)的工作原理主要是通過賽車行駛時分析車身四個獨立懸架的位移變化數(shù)據(jù)，基于車輛的懸架彈性力學，對車身姿態(tài)進行實時的分析，從而根據(jù)分析結果實時對安裝在空氣懸架上的電磁閥進行實時的信號控制，調節(jié)空氣阻尼，進而調節(jié)空氣懸架的性能。從能減弱車身的側傾趨勢。保證車身減小側傾的同時提高過彎的效率。

（1）雙氣室空氣懸架：雙氣室空氣懸架有著更優(yōu)異的防側傾效果，在設計空氣懸架的一些參數(shù)時， 首先對懸架垂向剛度與側傾角剛度進行分析，然后利用 AMEsim 仿真軟件搭建氣體耦合模型與巴哈賽車的動力學模型交互，再結合不同轉彎路況下試驗，對交叉型空氣互聯(lián)懸架的側傾特性進行研究。

（2）電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：傳感器所采集得到的信號為模擬信號，而處理器無法讀取這樣的信號，通過ADC模塊，將傳感器得到的數(shù)字信號轉變?yōu)榭晒﹩纹瑱C系統(tǒng)讀取的數(shù)字信號，再進行進一步的數(shù)字換算，以及設定的數(shù)據(jù)分析流程，從而實現(xiàn)對車身姿態(tài)的檢測。最終得到的數(shù)據(jù)也可以使用Matlab等數(shù)據(jù)分析軟件進行實驗結果的分析。

3.數(shù)據(jù)采集與試驗

在整體設備設計搭建完成后我們需要采集一些巴哈賽車行駛時的數(shù)據(jù)，則為我們所搭建的雙氣室空氣懸架。通過特定的轉彎行駛測試，分析傳感器數(shù)據(jù)，以確定控制系統(tǒng)的一些參數(shù)，以便更好地控制氣室內氣體的流通來降低巴哈賽車側傾現(xiàn)象。

對于車身姿態(tài)的研究我們并沒有使用陀螺儀加速度計等相關傳感器，而是使用固定在懸架上的線位移傳感器，通過觀察賽車上四個懸架的伸縮量從而獲取賽車的姿態(tài)數(shù)據(jù)。我們利用單片機傳感器配合，并配以車隊專用的下位機軟件進行無線數(shù)據(jù)接受。通過安裝在賽車懸架上的四個線位移傳感器，利用單片機ADC數(shù)據(jù)采集轉換得到實際的懸架伸縮量，從而采集得到賽車行駛時的實時姿態(tài)跳動數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通信方面，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸需要將電腦放在行駛的賽車中，對車手造成極大的不便利。相比之下，無線數(shù)據(jù)傳輸則免去了這些問題，但是無線通信受限于距離的問題，我們對多種無線通信方式，如藍牙，Wi-FI，LoRa等通信模式做對比，藍牙通信的優(yōu)點是可以用帶有藍牙功能的移動設備（如手機/筆記本電腦），都可以接收到實時數(shù)據(jù)，但缺點是通信距離短。LORA通信的優(yōu)點是通信距離長達3000m，但缺點是他不能與手機進行通信。綜上，我們選擇使用LoRa通信進作為傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式。并配合電腦上的上位機軟件，進行數(shù)據(jù)接受。

通過分析賽車在不同程度的轉彎程度下以及不同路面下的行駛時懸架跳動數(shù)據(jù)。最終確定控制程序中的PID控制系數(shù)以及阻尼系數(shù)控制參數(shù)等相關參數(shù)。就此，傳感器與單片機電控系統(tǒng)可以與機械部分的雙氣室空氣懸架完成配合工作。

4.總結

雙氣室互聯(lián)電控設計懸架不僅消耗更少的動力，而且還可以在不同的車輪之間傳遞推力。 通過電子控制和調整，車輛在各種地形條件下都實現(xiàn)了出色的機動性。使得賽車在轉向以及顛簸里面上具有更良好的車輛控制效果以及更小的側傾程度，提高了駕駛效率的同時還減小了賽車側傾甚至側翻的風險。具有很強的科學實際意義。目前該設備應用于巴哈賽車上做行駛使用，該設備未來可應用于全地形車來降低側翻風險。通過該項目我們完成了以下幾點：

1）成功搭建起了一套完整可行且有效的交叉型雙氣室空氣互聯(lián)懸架。

2）建立處一套完整的以MCU為核心搭配以傳感器為數(shù)據(jù)源的電控系統(tǒng)，并編程出對應的控制程序，實現(xiàn)了對交叉型雙氣室空氣懸架的數(shù)據(jù)檢測與控制。

3）根據(jù)在同一場地上安裝有空氣懸架和未安裝有空氣懸架的對比測試數(shù)據(jù)顯示，車身的側傾程度有進一步的改善約有20%～25%，同時在燃油巴哈賽車工作室練車過程中車手也表示駕駛感覺有進一步的提高。并打算該系統(tǒng)帶入賽場中。

參考文獻

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創(chuàng)新訓練項目：交叉型雙氣室空氣互聯(lián)懸架電控設計，編號 S202010497162