實(shí)車碰撞車速控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

撞擊速度控制一直是汽車碰撞試驗(yàn)中最為關(guān)鍵的部分。汽車被動(dòng)安全性法規(guī)中的多項(xiàng)決定性的指標(biāo)如人體頭部傷害指數(shù)(HIC)、胸部合成加速度、大腿力等都是同車輛撞擊速度有密切關(guān)系的,所以必須嚴(yán)格保證撞擊速度在允許的偏差范圍內(nèi)[1～4]。在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的橡皮繩彈射實(shí)車碰撞速度控制系統(tǒng)中,控制器的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。在汽車行業(yè)中廣泛應(yīng)用的MOTOROLA單片機(jī)系統(tǒng)具有卓越的穩(wěn)定性和豐富實(shí)用的功能,該系統(tǒng)配以其它輔助電路,可成功地構(gòu)建出系統(tǒng)的控制器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的控制器能夠完成速度的采集和控制算法的實(shí)現(xiàn)。

1 車速控制的總體方案

為了解決橡皮繩的時(shí)變特性和驅(qū)動(dòng)裝置的非線性特性,提高整個(gè)系統(tǒng)抵抗?jié)L動(dòng)阻力干擾的能力,根據(jù)橡皮繩彈射碰撞試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際情況,結(jié)合清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室的實(shí)際,速度控制的總體方案如圖1所示。

通過(guò)控制橡皮繩拉伸的長(zhǎng)度進(jìn)行“開環(huán)”控制,粗略地把速度控制到一定的范圍內(nèi)。通過(guò)安裝在加速滑車上的傳感器、控制器和執(zhí)行器等構(gòu)成速度“閉環(huán)”控制系統(tǒng),力圖精確、穩(wěn)定地控制碰撞時(shí)的車速。

對(duì)于質(zhì)量為1.5噸的小轎車,在距離加速末端拉伸5m處釋放加速,可得到15km/h的車速。由動(dòng)能定理和等效原理可以計(jì)算出在拉伸5m以上情況下,在距離加速末端拉伸5m處與加速末端的速度差:

其中,v1、v22、v21分別為拉伸5m得到的車速、拉伸5m以上時(shí)加速末端的速度和在距離加速末端拉伸5m處的速度。若在實(shí)車碰撞中v22+v21=100km/h

代入數(shù)據(jù)可得: v22-v21=2.25km/h

由理論分析和計(jì)算結(jié)果可以看出:在加速末端速度變化量相對(duì)很小,有利于控制調(diào)整,但是留給控制系統(tǒng)的時(shí)間也很少。閉環(huán)系統(tǒng)控制策略為對(duì)整個(gè)過(guò)程的初始階段不加控制,到加速的末端進(jìn)行速度的調(diào)整和控制。

圖2為試驗(yàn)車輛與滑車之間連接的示意圖。由于滑車與被測(cè)試車輛間只有推力,其非線性特性和動(dòng)力的時(shí)變特性給控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)增加了難度。“閉環(huán)”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的框圖如圖3所示。

執(zhí)行器即為剎車機(jī)構(gòu),利用軌道和剎車片的摩擦消耗系統(tǒng)的動(dòng)能來(lái)降低加速滑車的速度,導(dǎo)致加速滑車與被測(cè)車輛脫離,從而切斷被測(cè)車輛的動(dòng)力源,對(duì)車速進(jìn)行控制。

2 控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計(jì)分析

控制器要求具有復(fù)雜計(jì)算的能力,而且整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)需要安裝在加速滑車上,工況較惡劣。因此選用單片機(jī)作為整個(gè)控制器的核心器件,以單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建控制器。

根據(jù)控制單元的要求,作為控制器核心器件的單片機(jī)應(yīng)具備以下性能:

·有足夠大的RAM

·有足夠大的EEPROM

·有足夠大并方便開發(fā)的ROM

·有A/D轉(zhuǎn)換功能

·有串行通訊能力

·有足夠強(qiáng)的中斷功能

·有很高的穩(wěn)定性,最好有良好的耐沖擊能力

根據(jù)以上的性能要求,選擇MOTOROLA公司的MC68HC711E9[6]單片機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)速度采集、狀態(tài)顯示、算法實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)處理等功能,所設(shè)計(jì)的控制器的組成框圖如圖4所示。

2.2 速度的測(cè)量

在控制系統(tǒng)中,速度的測(cè)量精度直接影響最后的控制精度。若用傳統(tǒng)的五輪儀方式來(lái)測(cè)量車速,其滑差和傳動(dòng)遲滯問(wèn)題將使精度提高到本系統(tǒng)要求的水平變得很困難;若應(yīng)用超聲波測(cè)速,其測(cè)量距離對(duì)于長(zhǎng)達(dá)70m的加速跑道又顯不足。因此采用的速度測(cè)量方案為:由記錄等距明暗條紋的反射式光電開關(guān)完成位移的采集,時(shí)間由擴(kuò)展的單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器來(lái)記錄,最后速度由單片機(jī)計(jì)算出來(lái)。此新穎的非接觸式測(cè)量大距離的方法測(cè)量精度高、安裝簡(jiǎn)便、成本較低。

作為速度控制系統(tǒng)的控制器,時(shí)間的測(cè)量精度直接影響控制的精度。采用集成的精度為30×10-6的晶振提供時(shí)鐘信號(hào),時(shí)間測(cè)量精度遠(yuǎn)高于速度測(cè)量精度,所以由計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)引起的誤差可以忽略不計(jì)。此外,因?yàn)榕鲎踩痰拿恳粋€(gè)位移采集點(diǎn)用4字節(jié)32位計(jì)數(shù)器來(lái)記錄時(shí)間的絕對(duì)值,所以消除了累積誤差。

對(duì)于單片機(jī)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘,出于精度的考慮,選擇的分頻因子為1。這樣用于定時(shí)的單片機(jī)的計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率與單片機(jī)的E時(shí)鐘信號(hào)的頻率相同,其時(shí)鐘周期為即0.5μs。對(duì)于單片機(jī)本身具有的16位計(jì)數(shù)器,在上述的時(shí)鐘周期情況下,計(jì)數(shù)器每32.77ms溢出一次,本控制器采用4字節(jié)來(lái)記錄時(shí)間,系統(tǒng)記錄的整個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為:

32.77×64=2097s≈35min

此時(shí)間長(zhǎng)度可以滿足整個(gè)碰撞試驗(yàn)過(guò)程對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度的要求。為了實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì),對(duì)于每個(gè)位移點(diǎn),系統(tǒng)用兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示16位計(jì)數(shù)器的溢出次數(shù),即為4字節(jié)時(shí)間值的高16位,此數(shù)值的更新由計(jì)數(shù)器的溢出中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外兩個(gè)字節(jié)為光電開關(guān)經(jīng)過(guò)明暗條紋交界處時(shí)16位計(jì)數(shù)器的數(shù)值,即為4字節(jié)時(shí)間值的低16位,用輸入捕捉中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入捕捉中斷程序把輸入捕捉中斷所記錄的16位計(jì)數(shù)器的數(shù)值和計(jì)數(shù)器的溢出次數(shù)存儲(chǔ)到每一位移點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RAM中。為滿足時(shí)間的精確性需求,在所有的中斷中,計(jì)數(shù)器的溢出中斷優(yōu)先級(jí)最高,輸入捕捉中斷的優(yōu)先級(jí)次之。

考慮到在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間的一致性需求,計(jì)數(shù)器的溢出中斷和輸入捕捉中斷之間不希望有中斷嵌套發(fā)生。用于設(shè)置位移標(biāo)志的條形碼產(chǎn)生的中斷信號(hào)的間距為2cm,對(duì)于最高車速為60km/h的試驗(yàn)車輛,其兩個(gè)輸入捕捉中斷之間的時(shí)間差最小為:

0.02÷60×3.6=0.0012s

在這段時(shí)間里共有1200/0.5=2400個(gè)E時(shí)鐘,足可以運(yùn)行一個(gè)輸入捕捉中斷程序和一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出中斷程序。因此在車速不超過(guò)上述車速時(shí),單片機(jī)可以成功地對(duì)時(shí)間進(jìn)行記錄。

光電的輸出電路為集電極開路接口形式,為了與單片機(jī)的CMOS輸入電路進(jìn)行連接,利用分壓電阻及門電路的輸入特性來(lái)進(jìn)行電平變換,設(shè)計(jì)的位移采集及整型電路示意圖如圖5所示。

2.3 其它外圍電路

·通訊電路

單片機(jī)內(nèi)部有全雙工的串行通信接口,可以直接同計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信。但是單片機(jī)的信號(hào)是CMOS電平,而計(jì)算機(jī)的串行口是EIA-RS232C電平,其電平1為-3V～-25V,電平0為+3V～+25V,因此要進(jìn)行CMOS電平和EIA-RS232電平間的相互轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。串行通訊方式為全雙工,波特率為9600,1個(gè)起始位,8個(gè)數(shù)據(jù)位,1個(gè)停止位。

為了減少控制電路的元件數(shù)量,把MAX232芯片設(shè)計(jì)在控制器之外單獨(dú)的一個(gè)通訊電路板上。通訊電路由兩根電纜分別與控制器和上位PC機(jī)連接。

EIA-RS232C是一個(gè)功能強(qiáng)大的通用串行通信總線,單片機(jī)只有一個(gè)輸出信號(hào)線、一個(gè)輸入信號(hào)線、一個(gè)地線,因此只用部分EIA-RS232C的接線。請(qǐng)求發(fā)送RTS和允許發(fā)送CTS短接,調(diào)制解調(diào)器就緒DSR和數(shù)據(jù)終端就緒DTR短接,對(duì)應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)線同單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收線相,PC機(jī)的接收數(shù)據(jù)線同單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線相連,另外兩者共地。

·單片機(jī)的工作模式及譯碼電路

為了增大系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量,外擴(kuò)32K RAM,器件選擇HM62256;同時(shí)為方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)和譯碼電路的設(shè)計(jì),外擴(kuò)的ROM也采用32K的容量,器件選擇27C256,這樣正好分完B和C各8位共16位的64K尋址空間。由于單片機(jī)的B口為地址總線和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用,采用74HC373鎖存地址信號(hào);地址信號(hào)的最高位的電平用來(lái)區(qū)分RAM和ROM地址信號(hào)。

·電源電路

電源使用汽車上常用的12V電池作為電源電壓基準(zhǔn),這樣有利于驅(qū)動(dòng)電路的能量供給。由于控制器上很多元件的工作電壓為+5V,考慮到所使用的元器件中既有模擬電路,又有數(shù)字電路,如果使用同一個(gè)電源會(huì)造成不利影響,因此使用了兩個(gè)穩(wěn)壓芯片7805和78L05,輸出+5V的電源電壓。

·推力采集電路

考慮到單片機(jī)接口的特性和信號(hào)的頻譜特征,力傳感器和A/D管腳之間加上阻容低通濾波電路。

·信號(hào)反饋電路

把單片機(jī)的一輸出管腳接到發(fā)光二極管上,用發(fā)光二極管的閃爍頻率配以一定的程序來(lái)顯示系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。

·測(cè)試信號(hào)點(diǎn)

為了方便電路的檢測(cè),在控制器上設(shè)置了重要信號(hào)的輸出點(diǎn),有利于系統(tǒng)的調(diào)試和分析。

·驅(qū)動(dòng)電路

把單片機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大,增強(qiáng)帶負(fù)載的能力,驅(qū)動(dòng)剎車裝置的電磁閥。

3 控制算法及實(shí)現(xiàn)

最簡(jiǎn)單的思想即為只要速度值超過(guò)設(shè)定值即進(jìn)行剎車,通過(guò)剎車力使得加速滑車與被測(cè)車輛分離,使被測(cè)車輛在沒(méi)有動(dòng)力的情況下自行滑行,直至碰撞壁。此算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單,思路清晰,但滾動(dòng)阻力干擾將使控制效果和精度不會(huì)很高,而且釋放位置的不確定性使整個(gè)彈射系統(tǒng)對(duì)被測(cè)車輛的導(dǎo)向能力下降。也可以利用工程上很成熟的PID算法進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)的快速性要求,積分環(huán)節(jié)被排除在外,PD系數(shù)的大小可以在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)具體定出,但是橡皮繩的非線性力學(xué)特性和加速滑車的單向力傳遞特性會(huì)使PD算法的效果大大下降[5]。

為了提高控制的精度,控制器首先在算法上實(shí)現(xiàn)了對(duì)滾動(dòng)阻力的預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。這里的滾動(dòng)阻力是廣義的,包含汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中坡度阻力、風(fēng)阻和滾阻等所有的阻力。滾動(dòng)阻力的干擾是影響系統(tǒng)的控制精度的重要因素,若控制器能夠計(jì)算和預(yù)測(cè)出滾動(dòng)阻力的大小,將大大提高系統(tǒng)的控制精度。

被測(cè)車輛的受力分析為:

Mc×a=Ft-Fz

其中,Mc——被測(cè)車輛的等效平動(dòng)質(zhì)量;

a——被測(cè)車輛的加速度,可以由位移經(jīng)過(guò)兩次微分得到;

Ft——推動(dòng)被測(cè)車輛的力,可以由力傳感器測(cè)出;

Fz——滾動(dòng)阻力。

由上面的公式可以看出,滾動(dòng)阻力Fz可以計(jì)算得到。這樣就可以推算出被測(cè)車輛在無(wú)動(dòng)力狀態(tài)下離開加速滑車后的速度降低率,由此提高設(shè)定的速度后,得到的速度就會(huì)更加精確,有效地抑制了滾動(dòng)阻力對(duì)車速控制的干擾。

為了解決加速滑車與被測(cè)車輛間的單向連接引起的非線性特性問(wèn)題,應(yīng)限制在加速過(guò)程中加速滑車與被測(cè)車輛間的間距。控制算法在制動(dòng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)推力傳感器推力為零時(shí)就停止制動(dòng)過(guò)程,使加速滑車加速至與被測(cè)車輛接觸。若速度仍然高于設(shè)定速度則再進(jìn)行剎車,這樣就保證在大的速度閉環(huán)需要?jiǎng)恿?duì)被測(cè)車輛進(jìn)行加速時(shí),加速滑車由于與被測(cè)車輛間距很小而迅速對(duì)被測(cè)車輛進(jìn)行加速,保證了外面大閉環(huán)算法的有效性。算法的實(shí)現(xiàn)框圖見圖6。