基于加速度傳感器的機(jī)動車制動性能監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：針對目前機(jī)動車制動性能中檢測依靠車管部門強(qiáng)制檢測所帶來的檢測周期長、自主檢測能力差的問題，利用三軸傳感器的特性結(jié)合改進(jìn)的向后積分算法實時檢測機(jī)動車的制動性能信息并通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測試數(shù)據(jù)。簡述了系統(tǒng)的硬件組成與操作流程。該系統(tǒng)功能齊全、成本低廉、安裝方便具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

機(jī)動車的制動系統(tǒng)是其安全運(yùn)行的重要保障，其性能是否合格直接關(guān)系到機(jī)動車駕乘人員的人身財產(chǎn)安全，因此國家制定了GB7258—2012(機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件)以及GB12676—1999(汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》對制動系統(tǒng)檢測提出了明確的檢驗方法和技術(shù)指標(biāo)。機(jī)動車制動系包括行車制動、駐車制動以及應(yīng)急制動，我們?nèi)粘Ｖ饕獧z測行車制動性能。GB7258中規(guī)定了兩種行車制動性能檢測方法即路試檢驗和臺式檢驗，其中路試法因為更具綜合性，更貼近于實際情景，所以在實際檢測中應(yīng)用最廣。路試檢驗行車制動性能的關(guān)鍵指標(biāo)主要有制動距離、充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動初速度、制動協(xié)調(diào)時間。

目前整車制動性能檢測通常使用五輪儀或非接觸式測速傳感器來測量制動距離，測試過程繁瑣，不利于常態(tài)化監(jiān)測。采用加速度傳感器可以準(zhǔn)確地記錄制動過程中的制動加速度，結(jié)合相應(yīng)的算法可以得到制動距離等參數(shù)。三軸加速度傳感器可以同時記錄制動過程中機(jī)動車行進(jìn)方向、水平方向以及機(jī)動車的縱向加速度。通過對三軸向加速度數(shù)據(jù)的處理可以去除制動開始過程中的點(diǎn)頭誤差，震動誤差等對制動檢測結(jié)果的干擾。針對目前制動性能檢測依賴于交通管理部門每年強(qiáng)制性檢測所帶來的檢測間隔周期長、自主性檢測能力差的問題，提出了聯(lián)網(wǎng)檢測的形式。通過改進(jìn)后的制動性能檢測儀可以定時，定性的對車輛的制動性能進(jìn)行檢測的同時將檢測結(jié)果上報管理部門，并可由上級部門控制儀器進(jìn)行實時檢測，從而形成從檢測到監(jiān)管的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，極大地提高了對車輛安全監(jiān)測的透明性，實時性。在客運(yùn)公司，危險品運(yùn)輸?shù)葘囕v安全有較高要求的單位具有較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的市場前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)主要由三軸加速度傳感器、微控制器(MCU)、踏板力傳感器、3G模塊、鐵電存儲器等組成，硬件組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)每輪檢測以踏板開關(guān)踩下為開始信號，單片機(jī)的AD(數(shù)模轉(zhuǎn)換)模塊開始對踏板力傳感器輸入的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，與此同時通過I2C接口讀取加速度傳感器的加速度數(shù)據(jù)。進(jìn)人數(shù)據(jù)處理程序后，分析整個制動過程，并計算機(jī)動車在制動過程中的制動初速度、制動時間、制動距離，充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動協(xié)調(diào)時間(BCT)等參數(shù)。并與規(guī)定數(shù)值比較，得到本次制動性能檢測的最終結(jié)果。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與檢測結(jié)果存儲于鐵電存儲器內(nèi)后，通過3G模塊EM770W將結(jié)果上傳到監(jiān)控終端，并可根據(jù)上位機(jī)的要求上傳基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便供進(jìn)一步分析處理。在接收完上位機(jī)指令后把指令存儲在存儲器內(nèi)，以備下一次檢測。

1. 2 加速度傳感器選型及接口設(shè)計

路試測試中，加速度數(shù)據(jù)是計算制動初速度、制動距離、MFDD等關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)，因而需要選擇合適的加速度傳感器及適當(dāng)?shù)乃惴?。目前市場上的便攜式制動測試儀普遍采用單軸或雙軸加速度傳感器。因而在測試過程中對于儀器的放置有著嚴(yán)格的要求，必須將一個方向與車輛行駛方向重合。這給檢測帶來了很大的不便，同時由于在制動過程開始時存在點(diǎn)頭誤差以及路邊的顛簸導(dǎo)致的車輛整體晃動或者抖動直接影響測量結(jié)果。選用三軸加速度傳感器可以隨便放置，由于計算的是三軸的和加速度，從而降低點(diǎn)頭誤差及路面顛簸對測試結(jié)果的影響。

1.2.1 三軸MEMS加速度傳感器選型

加速度傳感器采用飛思卡爾的MEMS三軸數(shù)字輸出加速度傳感器MMA8451Q。MMA8451Q具有可配置的量程(±2g/±4 g/±8 g)、可配置的分辨率(14位、12位、10位)和嵌入式功能，可以通過相應(yīng)的寄存器配置實現(xiàn)精確的運(yùn)動狀態(tài)分析。同時具有低功耗的設(shè)計，可以根據(jù)實際需求配置采樣速率，擁有六種用戶可配置的數(shù)據(jù)輸出速率，采樣速率范圍從1.5～800 Hz，具備休眠和喚醒模式，最低工作電流只有6 μA。MMA 8451Q具有兩個可編程中斷引腳，可供七個中斷源使用，通過I2C接口與控制器通信，工作電壓1.95 V～3.6 V，接口電壓1.6 V～3.6 V，采用3 x3 x 1mm的QFN小型封裝。其與MSP430的連接如圖2所示。

1. 3 踏板力傳感器選型及接口設(shè)計

《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中對液壓制動系的機(jī)動車的踏板力大小提出了明確要求，其最大合格壓力值為700 N。因而踏板力傳感器的量程選擇為0～1 000 N。踏板力傳感器選用的是北京龍鼎科技的LDCZL～TL，該踏板力傳感器是電阻應(yīng)變片式傳感器，可以進(jìn)行壓向力測試，輸出對稱性好。具有測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小等特點(diǎn)。其體積呈扁平狀態(tài)，可靈活方便地裝于汽車踏板上，采用孔幅結(jié)構(gòu)，具有先天的抗踩踏的偏置力且體積小、抗振能力強(qiáng)、輸出電壓信號。工作電壓在±10 V DC，靈敏度1.5 mV/V，可以滿足系統(tǒng)的測試精度要求。

由于踏板力傳感器安裝在汽車踏板上，靠近發(fā)動機(jī)、啟動電機(jī)等強(qiáng)干擾源。并且由于駕駛員和各測試項目的要求不同，電橋的輸出信號變化范圍大，要求信號檢測電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪、增益大范圍可調(diào)等性能，根據(jù)以上要求選擇儀表放大器AD623作為踏板力信號放大器。AD623是集成的單電源儀表放大器，其通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差，線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達(dá)200 Hz時仍保持恒定而受到抑制。

它能夠在單電源(+3 V～+12 V)下提供軌對軌輸出，允許通過增益調(diào)節(jié)電阻進(jìn)行增益編程，從而具有良好的靈活性，其增益最高可達(dá)1000倍，增益調(diào)節(jié)電阻大小由下式求得：

RG=100 kΩ/(G-1)

踏板力傳感器信號調(diào)理電路如圖3所示。

1.4 微控制器選型

為了設(shè)備能夠在多種情景下工作，采用兩路供電，通過開關(guān)選擇，一路由鋰電池供電，一路由汽車內(nèi)部12 V DC直接供電。同時為了滿足持續(xù)監(jiān)控的使用要求，選擇支持超低功耗的MSP430系列單片機(jī)，其擁有4種省電模式，其中LPM4的最低工作電流只有0.1μA，可以通過內(nèi)部指令在不同工作模式下快速切換，因而MSP430系列單片機(jī)在電池供電的情況下?lián)碛袠O大的優(yōu)勢。

MSP430系列是16位混合信號處理器，其擁有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有硬件乘法器、兩個具有PWM功能的16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MSP430可以提供內(nèi)置參考電壓源(2.5 V)、一個看門狗定時器、兩路USART通信端口、一個比較器并且支持8 M的時鐘。同時

MSP430擁有豐富的具有中斷功能的I/O端口，并擁有大容量的Flash和RAM。

綜上所述，MSP430擁有的豐富資源可以簡化系統(tǒng)的電路設(shè)計，縮短開發(fā)時間，降低系統(tǒng)成本，其低功耗特性更是能夠提高系統(tǒng)的便攜性，因而使用其作為制動性能監(jiān)測系統(tǒng)的處理器。

2 軟件及算法設(shè)計

系統(tǒng)以三軸加速度傳感器為核心，系統(tǒng)開機(jī)后從存儲器上讀取上次檢測后上位機(jī)發(fā)回的指令及數(shù)據(jù)存儲的末地址，在踏板力傳感器被踩下后，進(jìn)入加速度數(shù)據(jù)與踏板力數(shù)據(jù)采集階段，并同時通過MSP430內(nèi)部定時器對制動過程計時，采集數(shù)據(jù)的同時，記錄該數(shù)據(jù)的采集時間點(diǎn)。在制動過程完成后，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序計算制動過程中的踏板力、平均制動減速度等參數(shù)并將測試數(shù)據(jù)發(fā)回到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖形化顯示及記錄等操作。下位機(jī)等待上位機(jī)的控制指令，收到指令后將之存儲于存儲器中，完成后返回預(yù)讀系統(tǒng)初值狀態(tài)，至此完成一次閉環(huán)檢測與上報。

2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

軟件設(shè)計采取模塊化的思想，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，系統(tǒng)流程圖如圖4。

2.2 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計

系統(tǒng)自踏板力傳感器檢測到壓力且超過閥值時開始采集加速度信號。由于踏板力在制動開始階段未達(dá)到最大值，故而在制動開始后，利用定時器開關(guān)中斷以10 Hz的頻率采集踏板力數(shù)據(jù)。同時從加速度傳感器讀取加速度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集在連續(xù)采集到10組低于0.1g的加速度數(shù)據(jù)后停止，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理流程，計算制動初速度，平均制動減速度，制動距離等參數(shù)。

機(jī)動車制動過程可以分成三個部分，如圖5所示，分別為t1：機(jī)械反應(yīng)時間;t2：制動力增長時間;t3：制動力持續(xù)時間。機(jī)械反應(yīng)時間t1以踏板力采集到踩踏的時間開始持續(xù)到制動力開始上升為止。制動力增長時間t2是指制動減速度由0上升到穩(wěn)定制動階段所需要的時間。t2結(jié)束點(diǎn)作為制動力持續(xù)時間t3的開始點(diǎn)，由圖5可知在制動完成時，由于機(jī)動車前后輕微抖動，會產(chǎn)生負(fù)的加速度，將這個點(diǎn)作為制動完成點(diǎn)。

在機(jī)動車制動過程中，從制動踏板被踩下到制動生效有較長的制動準(zhǔn)備時間，這給整個制動過程中的制動初速度，制動距離等變量帶來了較大的累積誤差。因而制動關(guān)鍵參數(shù)采取分段計算求得，從制動結(jié)束點(diǎn)向后數(shù)值積分。t1階段可以視為勻速運(yùn)動故而S1=vD·t1，t2階段由于是變減速運(yùn)動，故

但是根據(jù)實際檢測證明，在t2階段機(jī)動車也可以視為勻速運(yùn)動。因而可以簡化運(yùn)算S2=v0·t2，制動力持續(xù)階段也屬于變減速運(yùn)動，同時在向后積分的情況下，存在誤差累積的情況且采樣速度較快時采樣間隔誤差也會對減速度大小造成較大誤差。因而采取N次平滑法，N次平滑后使采樣間隔△t基本相等，從而可以用累積求和的方法直接求出行進(jìn)距離與初始速度。

2.3 上位機(jī)監(jiān)測與處理程序

上位機(jī)系統(tǒng)采取B/S/S(Browser客戶端瀏覽器/WebServer網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器/Database Server)結(jié)構(gòu)設(shè)計。下位機(jī)通過3G網(wǎng)絡(luò)將測試數(shù)據(jù)以報文形式發(fā)送到服務(wù)器，經(jīng)由服務(wù)器解碼處理后存入數(shù)據(jù)庫，同時系統(tǒng)管理員以及機(jī)動車駕駛?cè)藛T可以通過不同級別賬戶登錄網(wǎng)頁實時查詢制動系統(tǒng)情況。在制動性能數(shù)據(jù)處于臨界值或者不合格時，將相應(yīng)車輛信息加入警告窗口，并通知管理部門同時向駕駛?cè)藛T發(fā)布報警短信，從而達(dá)到實時監(jiān)控，將危險因素抑制于初發(fā)階段的目的。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了一個機(jī)動車制動性能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于3G網(wǎng)絡(luò)利用多維加速度傳感器等檢測出機(jī)動車制動過程中的平均制動減速度，制動時間，制動距離等關(guān)鍵參數(shù)并經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送檢測結(jié)果。為了簡化系統(tǒng)安裝使用，采用了高性能且低功耗的處理器設(shè)計成便攜便安裝結(jié)構(gòu)，從而可以方便快捷地實時監(jiān)測機(jī)動車的制動系統(tǒng)的安全狀態(tài)。系統(tǒng)具有功耗小，實時性強(qiáng)、安裝方便簡單、實用性強(qiáng)同時具有較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，尤其對于降低因制動系統(tǒng)故障導(dǎo)致的交通事故數(shù)目具有較大的幫助。