基于MEMS傳感器的車(chē)輛防側(cè)翻系統(tǒng)研究

張昊堃，聶鵬鵬，劉敏豐

(西安電子科技大學(xué)CAD研究所，陜西西安 710071)

隨著我國(guó)車(chē)輛人均占有率的逐步提升，在汽車(chē)安全領(lǐng)域，各種安全措施日益受到人們關(guān)注。安全氣囊、汽車(chē)防抱死系統(tǒng)等安全措施的廣泛應(yīng)用，對(duì)降低汽車(chē)碰撞及制動(dòng)事故率有顯著效果。但汽車(chē)的側(cè)翻一直沒(méi)受到重視。美國(guó)公路安全局的統(tǒng)計(jì)表明，在所有的交通事故中，汽車(chē)側(cè)翻事故的危害程度僅次于汽車(chē)碰撞事故，居第二位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，67%的車(chē)禍?zhǔn)怯捎趶澋?、地面路滑或緊急情況下突然猛打方向盤(pán)，使車(chē)輛發(fā)生側(cè)翻造成的。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7258－2004《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》中規(guī)定:最高時(shí)速高于20 km的車(chē)輛，整備質(zhì)量、靜態(tài)情況下最大側(cè)傾穩(wěn)定角應(yīng)≥35°。汽車(chē)安全性能已成為眾廠商博弈商場(chǎng)的殺手锏。因此，汽車(chē)防側(cè)翻系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

如果車(chē)輛能在發(fā)生側(cè)翻前的0.51 s時(shí)間內(nèi)給駕駛員提供預(yù)警信號(hào)，可以避免的側(cè)翻事故約占側(cè)翻事故總數(shù)的40%，側(cè)翻事故將大幅減少。針對(duì)這一特點(diǎn)，車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)提前在車(chē)輛存在側(cè)翻危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警。這樣，駕駛員就有足夠長(zhǎng)的時(shí)間采取相應(yīng)的措施抑制側(cè)翻的發(fā)生。目前國(guó)外無(wú)論轎車(chē)、運(yùn)動(dòng)型汽車(chē)、貨車(chē)等車(chē)型的側(cè)翻動(dòng)力學(xué)，還是靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的計(jì)算機(jī)模擬都有深入的研究。近年來(lái)在車(chē)輛側(cè)翻系統(tǒng)方面的主要預(yù)警技術(shù)以橫向加速度和傾側(cè)角作為側(cè)翻性能指標(biāo)。通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛橫向加速度和傾側(cè)角，側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)可以大幅減少交通事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

車(chē)輛防側(cè)翻系統(tǒng)由4個(gè)模塊構(gòu)成:數(shù)據(jù)采集模塊、中央數(shù)據(jù)處理單元以及側(cè)翻報(bào)警單元。以中央數(shù)據(jù)處理單元為核心，在數(shù)據(jù)采集模塊、側(cè)翻報(bào)警單元的配合下，達(dá)到對(duì)車(chē)輛側(cè)翻提前預(yù)警的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)采集模塊基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical System，MEMS)傳感器而設(shè)計(jì)，能有效地提高車(chē)輛行駛的安全性。MEMS傳感器技術(shù)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)［1］。數(shù)據(jù)采集模塊安裝在車(chē)輛質(zhì)心處，并以此作為車(chē)體平臺(tái)坐標(biāo)系，能實(shí)時(shí)地對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)采集，同時(shí)將采集到的信息傳遞給中央數(shù)據(jù)處理單元。中央數(shù)據(jù)處理單元主要由基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103RET6高性能嵌入式處理器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過(guò)預(yù)警算法，判斷當(dāng)前汽車(chē)是否有側(cè)翻安全隱患。側(cè)翻報(bào)警單元?jiǎng)t在中央數(shù)據(jù)單元的控制下，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)出提醒信息，提醒司機(jī)減速或增大轉(zhuǎn)彎半徑減緩車(chē)輛傾斜的角度，防止汽車(chē)傾倒［2］。

2 數(shù)據(jù)采集及處理

圖1 汽車(chē)防側(cè)翻系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

汽車(chē)防側(cè)翻系統(tǒng)通過(guò)微型傳感器采集汽車(chē)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，微型傳感器包括加速度傳感器LSM303DLHC以及陀螺儀L3GD20，他們分別測(cè)出加速度和角速度的大小。將陀螺儀測(cè)量的角速度積分來(lái)獲得物體旋轉(zhuǎn)的角度。將陀螺儀安裝在模擬實(shí)驗(yàn)車(chē)輛質(zhì)心上，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，獲得角速度的信號(hào)輸入［3］。

陀螺儀采用意法半導(dǎo)體(ST)的一款三軸數(shù)字陀螺儀L3GD20，這款陀螺儀的3個(gè)軸共用一個(gè)感應(yīng)結(jié)構(gòu)，從而消除了普通陀螺儀軸與軸之間的信號(hào)干擾，避免了輸出信號(hào)受到干擾信號(hào)的影響。L3GD20的輸出響應(yīng)與相對(duì)于重力方向的關(guān)系如圖2所示。L3GD20工作在I2C模式，與STM32F103RET6之間使用I2C接口連接，電路連接原理圖如圖6所示。其中，L3GD20的SDA與SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，與STM32的對(duì)應(yīng)引腳連接。

加速度傳感器采用意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的LSM303DLHC，它是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，采用3 mm×5 mm×1 mm微型封裝，分辨率高，測(cè)量范圍達(dá)±16 g，最小功耗僅為110μA，可滿足應(yīng)用對(duì)尺寸和功耗的限制性要求，同時(shí)還具有出色的測(cè)量精度和性能。SDA和SCL分別為I2C總線的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，與STM32F103RET6的對(duì)應(yīng)引腳相連。汽車(chē)加速度可分解成3類(lèi):前向加速度(x軸);轉(zhuǎn)向過(guò)程中離心作用下的向心加速(y軸);平路至上坡或平路至下坡過(guò)程中出現(xiàn)的單擺向心加速(z軸)，如圖4所示。以上3種加速運(yùn)動(dòng)均是車(chē)體平臺(tái)坐標(biāo)系3個(gè)軸向的其中一軸的加速運(yùn)動(dòng)。

3 側(cè)翻預(yù)警算法

側(cè)翻預(yù)警算法是計(jì)算車(chē)輛保持相同的狀態(tài)行駛到車(chē)發(fā)生側(cè)翻所需要的時(shí)間，在發(fā)生側(cè)翻的前的第N秒鐘預(yù)警，此時(shí)刻的側(cè)翻預(yù)警時(shí)間為N s。也就是說(shuō)如果司機(jī)不采取任何措施，在N s后車(chē)輛將發(fā)生側(cè)翻。

設(shè)定車(chē)輛逆時(shí)針傾側(cè)為正向，正向傾側(cè)角為正。正向傾側(cè)角閾值θt。車(chē)輛順時(shí)針傾側(cè)為反向，反向傾側(cè)角為負(fù)θn;θt反向傾側(cè)角閾值為為當(dāng)前車(chē)輛的傾側(cè)角，?t為傾側(cè)角速度。傾側(cè)角速度?t=θ't，傾側(cè)角加速度?'t，其中“'”表示導(dǎo)數(shù)。

側(cè)翻預(yù)警上限時(shí)間X:假設(shè)X s內(nèi)，車(chē)輛不發(fā)生側(cè)翻，即認(rèn)為車(chē)輛不發(fā)生側(cè)翻，當(dāng)預(yù)警時(shí)間t＞X則預(yù)警器不用預(yù)警。

當(dāng)θt≥θm，車(chē)輛當(dāng)前傾側(cè)角超過(guò)或等于閾值，認(rèn)為車(chē)輛已經(jīng)發(fā)生側(cè)翻，預(yù)警時(shí)間為0。

當(dāng)θt≤θm，當(dāng)前車(chē)輛沒(méi)有發(fā)生側(cè)翻。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB7258 －2004 設(shè)定 θm=35°［4］。車(chē)輛以當(dāng)前傾側(cè)角運(yùn)行到閾值的基于傾側(cè)角加速度的時(shí)間計(jì)算公式如下

側(cè)翻算法流程如圖6所示。側(cè)翻預(yù)警程序首先獲取加速度、傾側(cè)角、傾側(cè)角速度值。如果車(chē)輛加速度小于零，則認(rèn)為車(chē)輛靜止，處于安全狀態(tài)。如果加速度大于零，認(rèn)為車(chē)輛行駛中，接著比較傾側(cè)角與傾側(cè)閾值，如果傾側(cè)角大于傾側(cè)閾值，則認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生側(cè)翻，預(yù)警時(shí)間值為0，如果傾側(cè)角小于傾側(cè)閾值則將傾側(cè)角和傾側(cè)角速度值代入式(2)和式(3)計(jì)算預(yù)警時(shí)間，最后將結(jié)果輸出［5］。

圖6 預(yù)警算法流程圖

4 軟件流程

系統(tǒng)以Keil uVision4作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Cortex－M3 STEVAL－MKI109V2為控制板，STM32單片機(jī)完成數(shù)據(jù)計(jì)算以及產(chǎn)生反饋信號(hào)。

系統(tǒng)上電后首先對(duì)STM32單片機(jī)初始化，然后設(shè)置端口參數(shù)，再配置中斷。然后對(duì)傳感器初始化，包括傳感器芯片的初始化、陀螺儀中點(diǎn)的測(cè)量、加速度計(jì)的標(biāo)定、四元數(shù)自對(duì)準(zhǔn);對(duì)藍(lán)牙模塊初始化，建立藍(lán)牙通道;以固定時(shí)間間隔采集角速度、加速度等信息;在STM32通過(guò)預(yù)警算法程序得到車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警時(shí)間值，之后得到的傾側(cè)角數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)側(cè)翻預(yù)警算法得到預(yù)警時(shí)間t，當(dāng)t在規(guī)定的3 s內(nèi)，則執(zhí)行預(yù)警子程序，并給藍(lán)牙模塊STEVAL－MKI115V1提供預(yù)警信號(hào)。在駕駛室的藍(lán)牙模塊由LED燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警。收到預(yù)警信號(hào)后，LED燈光由綠轉(zhuǎn)紅，蜂鳴器開(kāi)始蜂鳴提醒駕駛員有危險(xiǎn)，必須采取減速慢行或者回復(fù)方向盤(pán)的措施來(lái)保證行駛安全。

圖7 軟件流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

提出的系統(tǒng)方案，可以滿足對(duì)車(chē)輛側(cè)翻的日常監(jiān)護(hù)。嵌入設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)方案達(dá)到了對(duì)車(chē)輛進(jìn)行隨時(shí)隨地監(jiān)護(hù)的目的;側(cè)翻檢測(cè)功能的設(shè)計(jì)為司機(jī)行駛面對(duì)側(cè)翻危險(xiǎn)解除了后顧之憂;側(cè)翻算法的設(shè)計(jì)，可以對(duì)車(chē)輛的側(cè)翻及時(shí)可靠地進(jìn)行預(yù)警?？傊?，該方案將在很大程度上消除車(chē)輛的側(cè)翻隱患，為路上行駛車(chē)輛保駕護(hù)航。

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