基于加速度計(jì)的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)參數(shù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)電子化程度不斷提高。安全、便捷、舒適、無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)性一直是汽車(chē)工業(yè)和用戶追求的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的關(guān)鍵在于汽車(chē)的電子化和智能化，先決條件則是各種信息的及時(shí)獲取。
汽車(chē)在行駛過(guò)程中的各種路況信息是非常復(fù)雜的。在行駛過(guò)程中可作為剛性特征體來(lái)考慮，將三軸加速度計(jì)放在被測(cè)車(chē)體的某個(gè)特征點(diǎn)上，就可準(zhǔn)確地采集到該特征點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在x軸，y軸，z軸的三個(gè)加速度分量。結(jié)合車(chē)體總質(zhì)量可以計(jì)算出車(chē)輛的瞬時(shí)受力情況；結(jié)合車(chē)輛即時(shí)速度，可以計(jì)算出瞬時(shí)功率。采集和計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息可以進(jìn)行本地的控制處理。同時(shí)，本系統(tǒng)支持CAN總線接口，利用該接口，可以將得到的數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析處理。從而使本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)自動(dòng)變速器，汽車(chē)安全氣囊(Airbag)、ABS防抱死剎車(chē)系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛系統(tǒng)等方面。

1 方案總體設(shè)計(jì)
該采集平臺(tái)需要解決數(shù)據(jù)采集、計(jì)算及通信的問(wèn)題，而且由于應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，需要保證系統(tǒng)的抗干擾性及可靠性。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主控制器通過(guò)ADXL330采集三個(gè)坐標(biāo)軸上的加速度分量，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后提供給本系統(tǒng)直接應(yīng)用或通過(guò)CAN總線提供給別的應(yīng)用者。

2 建立汽車(chē)運(yùn)動(dòng)模型
汽車(chē)在路面上的運(yùn)行環(huán)境是非常復(fù)雜的，受到的振動(dòng)頻率分布很寬，一般情況下車(chē)輛的振動(dòng)頻率范圍可分為如下幾種情況：
剛體運(yùn)動(dòng)：0～15 Hz；
結(jié)構(gòu)振動(dòng)，板件共振：15～150 Hz；
噪聲及嘯鳴：150 Hz以上。
汽車(chē)典型的共振頻率范圍通常為：
車(chē)身共振頻率：1～1．5 Hz；
車(chē)輪跳動(dòng)：10～12 Hz；
座椅上的乘客：4～6 Hz；
懸置的動(dòng)力總成：10～20 Hz；
結(jié)構(gòu)共振頻率：大于20 Hz；
輪胎共振頻率：30～50 Hz和80～100 Hz。
在研究車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要研究的對(duì)象一般包括車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)位移、瞬時(shí)加速度、瞬時(shí)功率、瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力等。而以上各項(xiàng)參數(shù)，均可通過(guò)對(duì)被測(cè)點(diǎn)的加速度計(jì)算得出。車(chē)體在空間位置的加速度如圖2所示。

車(chē)輛瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力F=ma。其中，F(xiàn)為車(chē)輛的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力；m為車(chē)體總質(zhì)量；a為運(yùn)動(dòng)加速度。
速度。其中，v為運(yùn)動(dòng)速度；v0為初始速度；為加速度對(duì)時(shí)間的積分。
瞬時(shí)功率P=Fv。
ADXL330是一個(gè)三軸(x軸，y軸和z軸)模擬輸出的加速度傳感器，通過(guò)ADXL330能夠測(cè)量出任意時(shí)刻三個(gè)方向的加速度分量。通過(guò)測(cè)量得到的加速度分量可以計(jì)算出車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)等信息。

3 硬件設(shè)計(jì)
3．1 電源設(shè)計(jì)
汽車(chē)的用電設(shè)備所需電能有兩個(gè)來(lái)源：發(fā)電機(jī)和蓄電池，輸出的額定電壓為12 V。本設(shè)計(jì)中采用LM2575開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和LM1117低壓差線性穩(wěn)壓器將12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3 V的供電電源。電源設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

LM2575是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1 A集成穩(wěn)壓電路，電壓輸入范圍寬為7～40 V，電流輸出最大可達(dá)1 A；同時(shí)內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等。
LM1117為低壓差線性穩(wěn)壓器，其壓差典型值僅為1．2 V，輸出電壓精度高達(dá)±1％。輸出的3．3 V電源提供給主控制器使用，為保證電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，輸出端需要添加一個(gè)10μF的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。