基于智能傳感器技術(shù)的載貨汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置研究設(shè)計

劉麗敏，陳立旦，陳超龍，董雨燕，岳洪偉

（浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，310018，浙江杭州）

隨著我們國民經(jīng)濟的穩(wěn)步增長和交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，我國載貨汽車市場呈現(xiàn)出繁榮的景象，2021年末全國載貨汽車擁有量達1 173.26 萬輛，比上年末增加5.7%。與此同時，交通事故也時有發(fā)生，其中由載貨汽車側(cè)翻引起的事故發(fā)生率已僅次于碰撞事故。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國機動車交通事故發(fā)生數(shù)量為211 074 起，造成61 703 人死亡、250 723人受傷。側(cè)翻事故是貨車交通事故中較常見的類型之一，如果此類事故發(fā)生在車流量較大的路段，常會造成周圍小型車輛的車毀人亡和行人的傷亡。因此，研究造成貨車側(cè)翻事故的原因，并對相關(guān)因素進行監(jiān)測，利用智能傳感器技術(shù)對轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控，對減少交通事故傷亡、保障交通安全有著重要意義。

1 智能傳感器概述

智能傳感器最初是由美國宇航局（NASA）在開發(fā)宇宙飛船的過程中提出的，并于1979 年形成產(chǎn)品。目前全球?qū)χ悄軅鞲衅鬟€沒有統(tǒng)一的科學(xué)定義[1]。中國在2017 年制定國家標準GB/T33905-2017 把智能傳感器定義為：具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器[2]。智能傳感器不僅具備傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點，還有信息采集處理和自動交換信息的能力，是一種集成傳感器。其結(jié)構(gòu)一般包含電源單元、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、人機接口、通信接口和電輸出子系統(tǒng)等。其中傳感器子系統(tǒng)將被測的物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)調(diào)理和數(shù)字化后傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要功能是為人、通信接口和（或）電輸出子系統(tǒng)的實時應(yīng)用提供并處理被測量數(shù)據(jù)。

2 貨車轉(zhuǎn)向側(cè)傾的風(fēng)險度量指標

參考國內(nèi)外相關(guān)研究[3-7]，選取貨物載荷量、懸架位移和輪胎垂直載荷為測量物理量，通過采用載荷傳感器、懸架位移傳感器及胎壓傳感器作為信息采集裝置，結(jié)合三者的實時數(shù)據(jù)進行分析，判斷車輛是否存在側(cè)翻的風(fēng)險。若有側(cè)翻危險，防傾裝置通過控制ABS 執(zhí)行器對貨車進行制動減速控制，并通過控制轉(zhuǎn)向助力電機控制貨車轉(zhuǎn)向角度，有效減小載貨車側(cè)翻的可能性。

3 貨車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置系統(tǒng)設(shè)計

載貨汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置是以AT89C51單片機為核心的基于智能傳感器技術(shù)的測控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由電源模塊、MCU 控制模塊、復(fù)位模塊、智能傳感器模塊、報警模塊與執(zhí)行控制模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 載貨汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊的電源由車載低壓蓄電池供應(yīng)，電源模塊將電源分為三路輸出。智能傳感器模塊由胎壓傳感器、懸架位移傳感器和載荷傳感器構(gòu)成。報警模塊由燈光報警系統(tǒng)和語音報警系統(tǒng)組成。執(zhí)行控制模塊由轉(zhuǎn)向助力電機與ABS 執(zhí)行器組成。

4 貨車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置工作原理

轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置設(shè)計工作原理是：工作時，首先，根據(jù)載荷傳感器的信號來判斷貨車的載貨情況，貨車載貨情況可分為空載、中載、滿載、超載四種情況，并根據(jù)不同載貨情況在MCU 控制模塊中設(shè)定不同的動作閾值；其次，依據(jù)胎壓傳感器所采集的胎壓信號，判斷車身的運動狀態(tài)；再次，為了進一步提高防控裝置的判斷可靠度，在胎壓信號變化的基礎(chǔ)上，融入懸架位移傳感器的信號進行對比，綜合判定車輛的側(cè)傾狀態(tài)；最后，MCU 控制模塊依據(jù)接收的信號，作出合理的判斷，若貨車有側(cè)翻危險，在啟動報警模塊工作、警示駕駛員的同時，發(fā)指令給執(zhí)行控制模塊，控制ABS 執(zhí)行器和轉(zhuǎn)向助力電機工作，對車輪進行制動減速和轉(zhuǎn)向控制，調(diào)整貨車的側(cè)傾狀態(tài)。其控制原理框圖如圖2 所示。

圖2 控制原理框圖

5 貨車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置硬件設(shè)計

5.1 電源模塊

載貨汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置的電源模塊由車載低壓蓄電池提供電源，電源模塊將電源分為三路輸出：第一路DC+24 V 經(jīng)過DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓轉(zhuǎn)換成DC+12 V 電壓，輸送給懸架位移傳感器、胎壓傳感器和載荷傳感器；第二路DC+24 V 經(jīng)過DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓轉(zhuǎn)換成DC+5 V 電壓，輸送給MCU 控制模塊；第三路DC+24 V 直接輸送給報警模塊和執(zhí)行控制模塊。

5.2 MCU 控制模塊

選取AT89C51 單片機為該裝置的核心控制模塊，根據(jù)三組不同傳感器輸入的電信號的不同值，通過內(nèi)置程序邏輯計算判斷，發(fā)出指令控制執(zhí)行模塊工作，在貨車處于側(cè)傾時，自動制動減速和調(diào)整轉(zhuǎn)向角度，輔助調(diào)整車身實現(xiàn)快速穩(wěn)定車身的目的。

5.3 智能傳感器模塊

智能傳感器模塊共由4 個胎壓傳感器、2 個懸架位移傳感器與2 個載荷傳感器組成。胎壓傳感器分別安裝在前后輪輪胎內(nèi)，前后左右各一個，通過無線發(fā)射器將監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU 控制模塊；懸架位移傳感器安裝于減震器上，左右各一個，與減震器相連，根據(jù)貨車側(cè)傾時懸架彈性元件會壓縮的原理，對貨車懸架壓縮量實施數(shù)據(jù)采集；載荷傳感器安裝于貨車后輪側(cè)貨箱支架上，左右各一個，貨車載貨量不同，質(zhì)心位置不同，會直接影響其側(cè)翻的速度，因此本裝置采用載荷傳感器來檢測貨車的運輸重量和質(zhì)心位置的變化，根據(jù)空、中、滿、超載情況設(shè)定相應(yīng)的動作閾值，提高對貨車側(cè)翻控制的有效性和可控性。

5.4 報警模塊

燈光報警裝置和語音報警裝置共同組成報警系統(tǒng)，與MCU 控制模塊進行線性連接，提示駕駛員車輛存在側(cè)翻風(fēng)險。

5.5 執(zhí)行控制模塊

MCU 控制模塊發(fā)出指令對執(zhí)行控制模塊即轉(zhuǎn)向助力電機與ABS 執(zhí)行器實行控制，由MCU 控制模塊經(jīng)CAN 線通信分別對原貨車中轉(zhuǎn)向助力控制系統(tǒng)ECU 和ABS 制動防抱死系統(tǒng)ECU 進行工作控制。各執(zhí)行控制元件工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 各執(zhí)行元件工作狀態(tài)

5.6 復(fù)位模塊

復(fù)位模塊是為了特殊情況下保證MCU 控制模塊正?？煽康毓ぷ鞫貏e設(shè)計的輔助模塊。本復(fù)位模塊采用MAX813 看門狗電路對MCU 控制模塊工作進行監(jiān)測，利用定時器來監(jiān)控主程序的運行，在設(shè)定時間內(nèi)對定時器進行復(fù)位。若出現(xiàn)控制程序死循環(huán)，那么經(jīng)設(shè)定時間后就會對控制模塊進行復(fù)位和重啟。

6 貨車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置整體布局

載貨汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置主要元器件整體布局如圖3 和圖4 所示。其中包括：懸架位移傳感器（2個）、前輪胎壓傳感器（2 個）、載荷傳感器（2 個）、后輪胎壓傳感器（2 個）、燈光報警系統(tǒng)、語音報警系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向助力電機、ABS 執(zhí)行器、MCU 控制模塊。

圖3 裝置主要元件整體布置主視圖

圖4 裝置主要元件整體布置俯視圖

7 結(jié)語

載貨汽車轉(zhuǎn)向側(cè)傾實時防控裝置的研究設(shè)計，主要采用了三種不同類型的智能傳感器對載貨汽車進行三方面數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。利用載荷傳感器檢測載貨汽車載荷狀態(tài)，輪胎胎壓傳感器與懸架位移傳感器檢測載貨汽車具體運動狀況，轉(zhuǎn)換信號后輸入MCU 控制模塊，MCU 控制模塊經(jīng)過運算作出合理的判斷，發(fā)出合適的指令控制報警模塊、執(zhí)行控制模塊進行工作，通過語音和燈光提示駕駛員減速和緩慢轉(zhuǎn)動方向盤，同時控制轉(zhuǎn)向助力電機與ABS 控制器的工作，為防止載貨汽車側(cè)翻提供保障，從而有效降低載貨汽車側(cè)翻的可能性。