電容式傾角傳感器在底盤懸掛系統(tǒng)中的應(yīng)用

隋洪江，周 濱

(中國人民解放軍駐一二二廠軍事代表室，黑龍江哈爾濱150066)

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，汽車的安全性、舒適性和智能性越來越高，汽車傾角傳感器的應(yīng)用是控制汽車行駛車速和車姿的一種有效的方法，是提高汽車安全性的重要措施［1］。通常使用磁阻式角度傳感器進(jìn)行測量，雖然能實(shí)現(xiàn)非接觸的精確角度測量，達(dá)到使用要求［2］，但是，該角度傳感器不方便安裝，且不便于整機(jī)校準(zhǔn)。本文提出的電容式傾角傳感器應(yīng)用在底盤懸掛系統(tǒng)中，便于安裝，能實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動校準(zhǔn)，且具有系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)分為信號檢測部分和控制部分，其中信號檢測部分包括:角度測量模塊和光電檢測模塊［3］;控制部分包括:控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊和聲光指示模塊。車輛的基本模塊方框圖如圖1所示。

圖1 車輛的基本模塊方框圖Fig 1 Basic module block diagram of vehicle

2 理論分析與計(jì)算

2.1 傾角傳感器原理

所謂傾角傳感器，其理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。所以，它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器。簡言之，傾角傳感器就是可以用來測量相對于水平面的傾角變化量［4］。

2.2 杠桿平衡計(jì)算

根據(jù)杠桿平衡原理對蹺蹺板左右兩端進(jìn)行受力分析，得出支點(diǎn)C兩端力矩必須相等，即

圖2 蹺蹺板系統(tǒng)受力分析圖Fig 2 Force analysis diagram of seesaw system

若車輛質(zhì)量為1200 kg，蹺蹺板長為1.6 m，平衡時(shí)允許的最大角偏為1.4°(arcsin(4/160))，配重1可以在離A點(diǎn)20～40 cm的范圍內(nèi)移動。假設(shè)配重1和車輛所受到的重力分別為G1，G2，它們到支點(diǎn)C的垂直距離分別為L1，L2;根據(jù)公式(1)，推出:G1×L1=G2×L2。

配重1最大重量

設(shè)比例系數(shù)K=G1/G2，則K≤4，推出

當(dāng)K值無限接近0時(shí)，推出L2也趨近于0，所以，車輛可以達(dá)到自校準(zhǔn)效果。

2.3 角度轉(zhuǎn)換計(jì)算

傾角傳感器是雙軸加速度傳感器，可以測動態(tài)、靜態(tài)加速度，從而轉(zhuǎn)換成物體的傾斜角度，轉(zhuǎn)換公式如下

式中 X0為x軸的加速度原始數(shù)據(jù)，X1為x軸角度零點(diǎn)的加速度原始值，X2為x軸的靈敏度，即x軸單位加速度的值。

2.4 控制方法分析

車輛控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)主體循環(huán)程序、增量式PID速度控制程序、中斷服務(wù)程序、尋線控制算法程序和速度控制算法程序等。軟件控制算法如圖3所示。首先對各種設(shè)備進(jìn)行初始化，然后選擇進(jìn)入?yún)?shù)修改程序。參數(shù)設(shè)定完畢后打開中斷，最后循環(huán)執(zhí)行位置速度控制程序，實(shí)現(xiàn)變速。

本系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID控制算法，通過PWM脈沖對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。增量式數(shù)字PID調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

圖3 軟件控制算法流程圖Fig 3 Flow chart of software control algorithm

A=KP，B=KP/Ti，C=KP·TD/T，從而確定傾斜角度與車輛姿態(tài)之間的關(guān)系。

3 系統(tǒng)電路與程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、光電檢測模塊和角度測量模塊。

3.1 檢測電路設(shè)計(jì)

3.1.1 光電檢測電路設(shè)計(jì)

為了讓車輛能在蹺蹺板上按既定方向的運(yùn)動，采用黑線來引導(dǎo)車輛前進(jìn)。利用ST198反射式紅外光電傳感器對黑線進(jìn)行檢測，光電檢測電路圖如圖4所示。

圖中通過光敏三極管Q1和R50分壓產(chǎn)生一個(gè)2 V左右的電壓基準(zhǔn)，送LM339的同相端。當(dāng)遇到黑線時(shí)，U1接收端沒有接收到發(fā)射管反射回來的信號，故在U1的2腳輸出低電平，送LM339反相端進(jìn)行電壓比較，LM339輸出高電平，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平，送單片機(jī)的P0口。

圖4 光電檢測電路原理圖Fig 4 Principle diagram of photoelectric detecting circuit

3.1.2 角度測量模塊電路設(shè)計(jì)

如圖5所示，傾角傳感器是利用重力加速度對加速度傳感器的影響來測量物體傾角，當(dāng)加速度傳感器的敏感軸與重力加速度垂直時(shí)，傳感器對傾角十分敏感，精度達(dá)到0.1°。傳感器模塊內(nèi)部單片機(jī)P89LPC932將傳感器測量到的實(shí)時(shí)加速度模擬信號經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算，變成表示成角度的數(shù)字信號，再通過單片機(jī)之間串口將數(shù)據(jù)傳送給P89V51RD2FN。

圖5 角度測量模塊原理圖Fig 5 Principle diagram of angle measurement module

3.2 程序設(shè)計(jì)

1)軟件的主要功能是為車輛的整個(gè)運(yùn)動過程建立一個(gè)數(shù)學(xué)的分段控制，配合增量式數(shù)字PID控制算法［5］，根據(jù)角度傳感器反饋的信號和光電檢測到的信號，實(shí)現(xiàn)車輛速度和位置的自動調(diào)節(jié)，確保蹺蹺板在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。

2)對多只光電傳感器狀態(tài)進(jìn)行采集，并經(jīng)過反復(fù)考量而確定的各個(gè)傳感器的安裝位置，提高了測量精度，確保車輛在蹺蹺板上行駛時(shí)更加平穩(wěn)和精確。

3)程序設(shè)計(jì)采用C51語言編寫，有利于程序的調(diào)用和執(zhí)行，提高了程序的可靠性。

主程序具體處理流程圖見圖6。

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 測量方法

將車輛至于角度測試臺上，分別制造0°～50°的單向傾斜角和 x向?yàn)?°～5°，y 向?yàn)?°～50°的雙向傾斜角，對平衡誤差進(jìn)行測量。

4.2 測試結(jié)果

基本測量結(jié)果比對見表1。

表1 測試結(jié)果Tab 1 Test result

與傳統(tǒng)的采用磁阻式角度傳感器的車姿測試系統(tǒng)相比，現(xiàn)在的測試系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間單向傾斜角達(dá)到50 ms，雙向傾斜角達(dá)到70 ms;誤差單向傾斜角達(dá)到0.5°，雙向傾斜角達(dá)到 0.6°。

圖6 主程序流程圖Fig 6 Flow chart of main program

5 結(jié)束語

系統(tǒng)利用P89V51RD2FN單片機(jī)為控制核心，采用電容式傾角傳感器實(shí)時(shí)測量車輛底盤的傾斜角，并用光電傳感器檢測車輛最終運(yùn)動姿態(tài)和車速。光電傳感器和傾角傳感器將實(shí)時(shí)測量信號饋送至單片機(jī)，并采用增量式PID控制算法確保車輛能夠達(dá)到平衡。利用CANBUS 2.0將數(shù)據(jù)傳輸至車載電腦來達(dá)到智能化車姿控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，精度高，性能穩(wěn)定。

［1］楊曉波.汽車側(cè)向傾斜角度傳感器的應(yīng)用初探［J］.汽車電器，2002(1):6－10.

［2］梁長根.磁阻式傳感器在角度測量中的應(yīng)用［J］.傳感器技術(shù)，2004，23(4):79－81.

［3］Zhao Yang，Mao Minyao，Horowitz R，et al.Optomechanical uncooled infrared imaging system:Design，microfabrication，and performance［J］.Journal of Micro-Electro-Mechanical Systems，2002，11(2):136－146.

［4］陳 超，續(xù)志軍.電容式傾角傳感器的研究與應(yīng)用［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009(16):13－16.

［5］馬忠梅，籍順心，張 凱，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.