基于巴哈賽車的行駛狀態(tài)采集

魏耿全，汪孟杰

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 基本原理

1.1 汽車懸掛系統(tǒng)阻尼比測定方法

測量懸掛系統(tǒng)阻尼比需要的測定參數(shù)包括車身部分（簧載質(zhì)量）的固有頻率和阻尼比以及車輪部分（非簧載質(zhì)量）的固有頻率。這3 個參數(shù)是分析懸掛系統(tǒng)振動特性和對汽車平順性進(jìn)行研究和評價的基本數(shù)據(jù)。

巴哈比賽對賽車懸架要求較高，其道路復(fù)雜，懸架承受較大的力，部分賽車比賽過程中出現(xiàn)前擺臂直接彎曲變形甚至擺臂斷裂的情況，之前主要靠經(jīng)驗來判斷原因。如果能夠得到懸架的受力狀況，則在設(shè)計階段便可以根據(jù)數(shù)據(jù)增大或降低安全系數(shù)，做到安全性與經(jīng)濟(jì)性的最佳統(tǒng)一。

1.2 傳感器原理

1.2.1 加速度傳感器原理

當(dāng)傳感元件以加速度a 運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度a 成正比的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個電阻作為電橋的一個橋臂，通過測量電橋輸出電壓的變化可以完成對加速度的測量。

1.2.2 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器由測速齒圈和傳感頭組成，輪速齒圈由磁鋼制成。當(dāng)輪速齒圈以不同速度轉(zhuǎn)動時，其產(chǎn)生的不同強度的磁場穿過霍爾元件，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。本項目采用頻率法測量轉(zhuǎn)速，輪速傳感器產(chǎn)生對應(yīng)頻率的脈沖信號，經(jīng)過芯片信號處理后輸出到計數(shù)器或其他計數(shù)裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量。

1.3 巴哈賽車簡介

中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽Baja SAE China（簡稱BSC大賽）是一項由中國汽車工程學(xué)會創(chuàng)辦的主要面向職業(yè)院校和本科院校開展的小型越野汽車設(shè)計和制作賽事。BSC 大賽要求各參賽車隊在規(guī)定時間內(nèi)，使用同一型號發(fā)動機，設(shè)計制造一輛單座、發(fā)動機中置、后驅(qū)的小型越野車。巴哈賽車有獨特的車架結(jié)構(gòu)及與之相匹配的懸架系統(tǒng)，而這導(dǎo)致巴哈賽車的一個特性：在賽車高速入彎時，會發(fā)生較大的側(cè)傾和橫向振動，可能導(dǎo)致賽車外側(cè)輪離地以及內(nèi)側(cè)輪側(cè)偏嚴(yán)重的情況，影響輪胎附著力，從而影響賽車的過彎速度。同時較大的橫向振動會嚴(yán)重影響車手的駕駛舒適性和操控平穩(wěn)性。

2 實施方案

2.1 行駛狀態(tài)采集系統(tǒng)基本框架和實施方案

基于武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院參加BSC 大賽賽車需要采集的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行子項目的確定。通過查找文獻(xiàn)了解并掌握霍爾傳感器、線位移傳感器、角位移傳感器等各類傳感器工作原理，通過查找論文研究汽車震動、惡劣天氣對傳感器精確度的影響。根據(jù)賽車的實際工作情況確定各個傳感器的布置方案及反饋裝置的布置方案。各類模塊安裝完成后，在武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院自主研發(fā)設(shè)計的巴哈賽車上進(jìn)行試驗。不斷試驗，持續(xù)提高數(shù)據(jù)反饋的準(zhǔn)確性。信息處理流程如圖1 所示。

圖1 信息處理流程

2.2 油量監(jiān)測方案

2.2.1 項目特殊意義

為了確保安全性，巴哈大賽使用百力通公司的原廠799863 油箱，油箱上不允許有孔洞，不允許使用燃油泵，因此無法采用常規(guī)的油量檢測方案，為了滿足耐力賽的需求，讓車手可以合理判斷油箱油量，在合適的時機更換油箱，決定在規(guī)則范圍內(nèi)設(shè)計一套油量監(jiān)測方案。

2.2.2 具體方案

2.2.2.1 基本原理

將出油管處連接三通，做一個小型連通器，并將油量測位傳感器放入其中，油量測位傳感器連接單片機。將陀螺儀傳感器貼在油箱罩里面，并連接單片機。通過單片機設(shè)置警戒油量和陀螺儀角度范圍警戒，當(dāng)兩個警戒同時滿足時，系統(tǒng)報警。

基本運行原理如圖2 所示。

圖2 基本運行原理

2.2.2.2 傳感器原理

油位傳感器選用佰正90°短傳感器，該傳感器可以監(jiān)測油進(jìn)入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極之間電容量的變化，并將此變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓ぷ麟妷?2～28 V，探極耐溫-50～250 ℃，輸出電流4～20 mA，將傳感器安裝在連通器上。

陀螺儀傳感器的意義是使賽車傾斜在一定值內(nèi)才會報警，防止因為顛簸而誤報警，只有在一定范圍內(nèi)才會報警。

2.3 輪速測量原理

用霍爾效應(yīng)與電磁感應(yīng)方式測量車速時，都是在半軸或輪轂上加一齒輪信號盤，然后把傳感器正對信號盤，齒輪的轉(zhuǎn)動就會引起傳感器中的電壓的變化，產(chǎn)生交變電壓，通過對電壓的頻率的測量就可以得到車輪的角速度，再通過計算就可以得到車速。

所使用的輪速傳感器的外形為圓柱形，并用L 形吊耳將其固定。首先要將吊耳固定在立柱上，安裝時卡鉗固定螺栓依次穿過固定吊耳的圓孔、立柱圓孔和卡鉗上的孔在末端用螺母將其擰緊。為了保證輪速傳感器能夠準(zhǔn)確測得信號，霍爾元件的中心應(yīng)與輪速齒圈的中心線對準(zhǔn)。因此，測得前后齒圈中心線到螺栓末端的距離分別為19 mm、22 mm，由此可以確定L 形吊耳的長度。將輪速傳感器穿過吊耳圓孔兩端用螺母進(jìn)行固定，并可以調(diào)節(jié)傳感器與齒圈的距離。

2.4 懸架位移測量

采用線位移傳感器，兩端分別固定于車架和彈簧減振器下沿，實時測量彈簧減振器的變形量，并記錄于車載電腦上，可以得到單個車輪的垂向震動幅度與頻率。由于巴哈賽車前后懸采用的均是獨立懸架，且減振器振動幅度最大可以達(dá)到20 cm，因此，所選的線位移傳感器也要有一定的行程；為了適應(yīng)泥濘環(huán)境，傳感器不宜選用超聲測距或光電形式，用傳統(tǒng)的電子尺更合適。

利用catia 建模如圖3 所示。

圖3 利用catia 建模

3 數(shù)據(jù)處理

32 位單片機的程序燒錄工具選用的是MDK5，而驅(qū)動程序則是在購買開發(fā)板時由店家提供。軟件由底層驅(qū)動程序和頂層邏輯控制組成，此外，為了能更直觀地觀測到相關(guān)數(shù)據(jù)，為后期設(shè)計提供參考，還設(shè)計了上位機來記錄實驗數(shù)據(jù)。對于底層驅(qū)動程序，大致包括：①AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換，5 ms 周期AD 中斷，實時采集模擬量，并作濾波處理，最后輸出真實物理值；②ECU 輸入捕捉中斷，根據(jù)輪速傳感器信號定時計數(shù)，最后輸出實時車速；③SCI 通信，與開關(guān)量采集芯片RS232 進(jìn)行SCI 通信，獲取開關(guān)量狀態(tài)信息。

對于頂層邏輯控制，主要是輸入信號處理，對外部輸入信號做必要的預(yù)處理，使其能準(zhǔn)確、可靠地反映實際的外部信號變化，以及一些數(shù)據(jù)的儲存。而上位機則包括示波器和串口數(shù)據(jù)接收軟件，在指導(dǎo)教師的幫助下采用了自己制作的上位機。程序的編寫方面，由各位組員在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下完成，對于底層驅(qū)動程序，可以檢索到一些已有的模塊，只需加以組合，并根據(jù)原理圖修改相關(guān)串口即可，程序燒錄入單片機后，反復(fù)調(diào)試，直到能得到需要的結(jié)果。