輪胎內(nèi)置加速度傳感器的汽車制動特性傳感方法

1、第 35卷 第 1期華 南 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報 ( 自 然 科 學(xué) 版 )Journal of Sou th C hina U n ive rsity of Technology V o l. 35 N o. 12007年 1月 (N atu ra l Science Edition) January 2007文章編號 : 10002565X ( 2007) 0120001206輪胎內(nèi)置

2、加速度傳感器的汽車制動特性傳感方法 3林土勝 1 潘夢鷂 2 杜明輝 1( 1. 華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院 , 廣東 廣州 510640;2. 廣東廣物汽貿(mào)機動車檢測服務(wù)有限公司 , 廣東 廣州 510410)摘 要 : 汽車制動性能失靈會危及生命安全. 為此 ,文中提出一種通過微電子機械系統(tǒng) (M EM S)電容加速度傳感器來監(jiān)測動態(tài)汽車制動性能的方案. 將傳感裝置安裝在汽車輪 胎內(nèi)部用以獲取徑向加速度信號 ,

3、將制動時段的徑向加速度信號通過無線通信方式向外 部接收系統(tǒng)傳送 ,作為后續(xù)變換處理和制動性能評估的依據(jù). 文中對加速度傳感器信號的 組成進(jìn)行了理論推導(dǎo) ,并闡述了傳感器信號的采樣 、動態(tài)標(biāo)注和存儲 、平滑去噪 、斜率比較 以及制動起始時刻判定等的處理方法. 硬件實驗結(jié)果驗證了該輪胎內(nèi)置傳感方案的可行性. 關(guān)鍵詞 : 汽車 ; 輪胎 ; 加速度傳感器 ; 制動 ; 監(jiān)測中圖分類號 : TP 212. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

4、: A據(jù)統(tǒng)計 ,在公路上發(fā)生的交通事故有 70%是由 汽車安全性能失效 (如輪胎爆胎 ,制動失靈等 )引起 的 ,世界各國的這類交通事故都很嚴(yán)重. 近年來動態(tài) 汽車事故防范技術(shù)理論成為研究的熱點 [ 123 ] . 一系 列預(yù)防事故的電子監(jiān)控產(chǎn)品在市場上出現(xiàn) [ 425 ] ,最 具代表性的是汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng) ( TPM S) , 該 系統(tǒng)能有效地防止因為高速行駛輪胎爆胎而引起的 交通事故 ,在美國倍受聯(lián)邦法律重視

5、[ 6 ] . 然而 ,即使 汽車非高速行駛 ,也會因制動性能下降或失靈 ,隨時 會影響行駛過程中的生命與財產(chǎn)的安全. 目前 ,汽車 制動性能的檢測通常采用接觸式傳感方式 ,通過對 輪速的測量間接得到. 這些方法常用于汽車的防抱 制動系統(tǒng) (ABS)中 [ 7 ] ,都是將制動傳感器的輸出轉(zhuǎn) 變?yōu)槊}沖信號 ,再對脈沖進(jìn)行計數(shù)來完成輪速的測 量. 通常的安全性能例行檢查也只是在監(jiān)測站每年 定期進(jìn)行一兩次 ,而制動性能在行駛

6、的其它時間內(nèi) 會發(fā)生較大的變化. 為了對動態(tài)汽車進(jìn)行制動性能 的監(jiān)測 ,上述方法顯然都難以實現(xiàn). 為此 ,文中提出 了一種新的傳感方案 ,該方案以制動減速度作為衡 量的依據(jù) ,將一種新型的微電子機械系統(tǒng) (M EM S)收稿日期 : 20062032143 基金項目 : 國家自然科學(xué)基金資助項目 ( 60472006) 作者簡介 : 林土勝 (19452) ,男 ,教授 ,博士生導(dǎo)師 ,主要從 事電路與系統(tǒng) 、信號

7、與信息處理等方面 的研究. E2m ail:eetshlin@scut. edu. cn電容加速度傳感器 [ 829 ] 安裝在輪胎內(nèi)輪轂上以獲取 輪胎徑向加速度 ,然后把制動時段的徑向加速度信 號以非接觸方式發(fā)射到輪胎外部的配套接收系統(tǒng) , 根據(jù)徑向加速度與輪胎線速度的關(guān)系進(jìn)行變換處 理 ,求取輪胎減速度 ,用以研究制動性能的優(yōu)劣. 文 中通過理論推導(dǎo)和實驗測試證明了以輪胎徑向加速 度為基礎(chǔ)所建立的制動變換關(guān)系的理論依

8、據(jù) ,為后 續(xù)系統(tǒng)的實現(xiàn)作準(zhǔn)備.1 輪胎的加速度傳感器信號1. 1 加速度傳感器的物理特性M EM S電容加速度傳感器是基于電容差別原 理 ,載體的加速運動使傳感器中硅結(jié)構(gòu)發(fā)生位移而 導(dǎo)致電容值變化 ,并將電容值變化變?yōu)槟M量的電 壓輸出以測量加速度 [ 10 ] . 傳感器安裝在輪轂上 ,使 其作用面的垂線與輪胎的半徑平行 ,如圖 1所示.圖 1 加速度傳感器傳感作用面示意圖Fig. 1 Schem

9、 atic diagram of accelerom eter’s sensitive surface2m + 1第 1期 林土勝 等 : 輪胎內(nèi)置加速度傳感器的汽車制動特性傳感方法 3它們在制動時段的線性下降趨勢基本一致. 從圖 4 可以看到 , 輪胎線速度越高 , 傳感器的徑向加速度值 越大 , 反之亦然 , 這體現(xiàn)了傳感器受到重力加速度和 輪胎平移減速度的影響 , 但在輪速很高時影響很小. 例如 ,

10、在車速為 70 km / h時 , 受重力影響的波動約占 傳感器實際加速度值的 113%.當(dāng)車速較低時 , 可以采用兩種方法來降低重力加速度的影響 :一是把傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過平滑 方法進(jìn)行處理 ;二是采用對稱雙傳感器方法把輸出 進(jìn)行平均 , 以抵消重力加速度的影響. 把平滑處理后 的數(shù)據(jù)通過換算即得線速度 vcar (見圖 4 ( b) ) , 在沒 有滑移情況下 vcar等于輪胎線速度 vtire , 對 vtire取微分

11、 可得到輪胎線加速度 atire , 用以研究制動時段的制 動性能.2 輪胎的加速度信號傳感裝置安裝在汽車輪胎內(nèi)輪轂上的加速度信號傳感裝 置由加速度傳感器單元 、采樣模 /數(shù) (A /D ) 變換單 元 、中央控制微處理器單元 、隨機存取存儲器單元和 無線發(fā)射單元組成 (如圖 5 所示 ) . 其中隨機存取存 儲器地址劃分成容量均等的兩部分 , 每部分內(nèi)部再 劃分成容量均等的小段 , 第一部分存放采集到的數(shù) 據(jù) , 第二部

12、分存放平滑去噪后的數(shù)據(jù) ;平滑處理過程 在第一部分中第一小段數(shù)據(jù)的采集和存儲完成后開 始進(jìn)行 , 兩者需有一小段時延.圖 5 徑向加速度傳感裝置的組成Fig. 5 Configuration of radial acceleration sensing set該裝置的工作原理是 : 汽車行駛中的制動操作 是隨機發(fā)生的 ,需要連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集. 對采樣并經(jīng) 數(shù)字化后的輪胎徑向加速度信號進(jìn)行動態(tài)逐段標(biāo)記和存儲

13、,對已存儲的信號逐段進(jìn)行平均值平滑去噪 濾波 ,并在段內(nèi)求取信號間隔點的變化斜率 ,比較各3 制動傳感信號的處理汽車輪胎內(nèi)置制動特性傳感方法的關(guān)鍵是要自 動找到制動操作的起始時刻 ,才能把后續(xù)的徑向加 速度信號發(fā)射傳送. 判定制動起始時刻的步驟有 :(1)信號采樣 /動態(tài)標(biāo)記和存儲 加速度傳感 器單元的徑向加速度信號經(jīng)采樣模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器單元 變成數(shù)字信號 ,以中斷觸發(fā)方式送到中央控制微處 理器單元 ;該處理器單元結(jié)合隨機存取

14、存儲器單元 對信號進(jìn)行動態(tài)逐段標(biāo)記和存儲 ,起始段序號記為 1,最末段序號記為 P, 當(dāng)存儲完 P段后 ,從起始段循 環(huán)存儲 ,這樣不會受到存儲器容量的限制.以上述機理為基礎(chǔ) ,在馬達(dá)為動力的測試架上 進(jìn)行制動實驗 , 輪胎的半徑為 27154 cm , 采用 Mo2 to ro la公司的高 g加速度傳感器 MMA1200D,并安裝 在距輪心 1415 cm 的位置 ,從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動 ,經(jīng) 過加速 、平穩(wěn)轉(zhuǎn)

15、動 、減速和停止 4個階段. 在 30 km / h 平穩(wěn)轉(zhuǎn)動時進(jìn)行制動 ,實測傳感器輸出電壓所折算 的徑向加速度信號波形如圖 6 所示 ,由于徑向加速 度信號中夾雜有尖峰等干擾成分 ,需進(jìn)行平滑處理.圖 6 徑向加速度實測信號波形Fig. 6 W avefo rm of signal of radial acceleration measured( 2)信號平滑濾波去噪 中央控制微處理器單 元對已存儲的

16、數(shù)據(jù)逐段進(jìn)行動態(tài)平滑是為了進(jìn)行斜 率比較以監(jiān)測制動操作的起始時刻. 具體方法是依 次以數(shù)據(jù)段內(nèi)每一個數(shù)據(jù)點 n 為中心 , 取其前后各 m 個數(shù)據(jù)點的數(shù)值之和 , 求這 2m + 1 個數(shù)據(jù)點的平 均值 , 用以代替該中心點 n 的數(shù)值 dn , m 應(yīng)以自適 應(yīng)方式取值 , 實驗中取 m = 160, 平滑去噪后的數(shù)據(jù) 放到第二部分存儲器的相應(yīng)小段中 , 平滑關(guān)系式為 :n +m1 斜率之間的差值 ,判定差值到達(dá)預(yù)置閾

17、值的信號點 , dn = 6 r = n - mdr ( 11)作為制動發(fā)生的時刻點 ,把其后續(xù)徑向加速度作為 制動時段的數(shù)據(jù)向外發(fā)射輸出. 對輪胎徑向加速度 進(jìn)行信號變換運算是在外部接收系統(tǒng)中實現(xiàn) ,以提 高輪胎內(nèi)置傳感系統(tǒng)的處理效率和節(jié)約輪胎內(nèi)置供 電電池的能耗.圖 6 信號波形經(jīng)平滑去噪后結(jié)果如圖 7 所示 ,其中的明顯尖峰干擾已被平滑處理掉.( 3)制動起始時刻的判定 實驗中 , 在完成第 二部分存儲器的小段