雙軸加速度計(jì)的汽車側(cè)翻預(yù)警電路設(shè)計(jì)

摘要：介紹了汽車側(cè)翻的數(shù)學(xué)模型，分析了引起汽車側(cè)翻的關(guān)鍵因素，利用ADXL203設(shè)計(jì)出測(cè)量側(cè)傾角的電路，通過(guò)微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。設(shè)計(jì)了基于雙軸加速度計(jì)的便攜式汽車側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)提示駕駛員當(dāng)前汽車運(yùn)行狀態(tài)的功能。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行速度高、測(cè)量準(zhǔn)確、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)汽車運(yùn)行姿態(tài)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)側(cè)翻預(yù)警功能。本電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

引言

隨著汽車保有量的增加以及汽車行駛速度的不斷提高，汽車的行駛安全性越來(lái)越受到關(guān)注，目前基于各類傳感器和信息處理系統(tǒng)的車輛運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步應(yīng)用于各類汽車當(dāng)中，通過(guò)傳感器及時(shí)獲取車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并及時(shí)做出判斷是智能汽車的重要發(fā)展方向，其中汽車側(cè)翻預(yù)警是其中之一。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，車輛側(cè)翻事故危害程度位居第二，僅次于車輛碰撞引起的事故。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%。如何減少車輛行駛情況下的側(cè)翻已經(jīng)成為汽車安全必須考慮的重要問(wèn)題，因此，體積小、便攜式、成本低的汽車防側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 理論分析

引起汽車側(cè)翻的因素多，主要包括汽車機(jī)構(gòu)、駕駛員和道路條件，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者和汽車廠商對(duì)整車抗側(cè)翻能力進(jìn)行了廣泛研究，其中Jang yeol Yoon和Kyong-suYi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，本文采用參考文獻(xiàn)提出的模型，綜合考慮懸架和輪胎形變等因素。

首先將汽車簡(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為汽車側(cè)翻受力模型，Ms表示車廂，車廂的側(cè)傾導(dǎo)致質(zhì)心偏移就會(huì)改變汽車自重的抗側(cè)翻能力，造成側(cè)翻閾值減小。

忽略車橋的質(zhì)量，可得

其中，φ=Rφac，ac為汽車開(kāi)始側(cè)傾時(shí)所受的側(cè)向加速度，也稱為汽車側(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)防汽車側(cè)翻。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上分析可知，汽車側(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)汽車運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于給定型號(hào)的小汽車，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實(shí)時(shí)測(cè)量汽車軸向和縱向加速度。輪距、重心到地面高度、承載重量等固定參數(shù)，采用4×4薄膜鍵盤設(shè)置，微控制器采用MSP4 30F149，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)間汽車運(yùn)行狀態(tài)，以便于用戶分析。電源電路、鍵盤電路和語(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。

3 傾斜測(cè)量電路設(shè)計(jì)

傾斜測(cè)量電路是汽車防側(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)。

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0～3.3 V，ADXL203的理想輸出電壓范圍為1.5～3.5 V。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125 ksps，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：