雙軸加速度計的汽車(chē)側翻預警電路設計

摘要：介紹了汽車(chē)側翻的數學(xué)模型，分析了引起汽車(chē)側翻的關(guān)鍵因素，利用ADXL203設計出測量側傾角的電路，通過(guò)微控制器進(jìn)行數據處理。設計了基于雙軸加速度計的便攜式汽車(chē)側翻預警系統，實(shí)現動(dòng)態(tài)提示駕駛員當前汽車(chē)運行狀態(tài)的功能。測試結果表明，系統運行速度高、測量準確、能夠實(shí)時(shí)監測汽車(chē)運行姿態(tài)測量，實(shí)現側翻預警功能。本電路具有結構簡(jiǎn)單、精度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用于各類(lèi)機動(dòng)車(chē)運行狀態(tài)監測領(lǐng)域。

引言

隨著(zhù)汽車(chē)保有量的增加以及汽車(chē)行駛速度的不斷提高，汽車(chē)的行駛安全性越來(lái)越受到關(guān)注，目前基于各類(lèi)傳感器和信息處理系統的車(chē)輛運行姿態(tài)監測系統逐步應用于各類(lèi)汽車(chē)當中，通過(guò)傳感器及時(shí)獲取車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)并及時(shí)做出判斷是智能汽車(chē)的重要發(fā)展方向，其中汽車(chē)側翻預警是其中之一。依據美國公路交通安全管理局(NHTSA)統計數據顯示，車(chē)輛側翻事故危害程度位居第二，僅次于車(chē)輛碰撞引起的事故。北美與歐洲交通事故統計結果顯示，汽車(chē)側翻占產(chǎn)生人身傷害交通事故比例的5%，是產(chǎn)生人員死亡的交通事故比例的20%。如何減少車(chē)輛行駛情況下的側翻已經(jīng)成為汽車(chē)安全必須考慮的重要問(wèn)題，因此，體積小、便攜式、成本低的汽車(chē)防側翻預警系統具有重要應用價(jià)值。

1 理論分析

引起汽車(chē)側翻的因素多，主要包括汽車(chē)機構、駕駛員和道路條件，近年來(lái)國內外學(xué)者和汽車(chē)廠(chǎng)商對整車(chē)抗側翻能力進(jìn)行了廣泛研究，其中Jang yeol Yoon和Kyong-suYi提出了基于傾角速度的來(lái)測量?jì)A角動(dòng)態(tài)相平面的分析方法，本文采用參考文獻提出的模型，綜合考慮懸架和輪胎形變等因素。

首先將汽車(chē)簡(jiǎn)化為3個(gè)自由度：分別沿y軸的側向運動(dòng)、繞z軸的橫擺運動(dòng)和繞x的側傾運動(dòng)。圖1為汽車(chē)側翻受力模型，Ms表示車(chē)廂，車(chē)廂的側傾導致質(zhì)心偏移就會(huì )改變汽車(chē)自重的抗側翻能力，造成側翻閾值減小。

忽略車(chē)橋的質(zhì)量，可得

其中，φ=Rφac，ac為汽車(chē)開(kāi)始側傾時(shí)所受的側向加速度，也稱(chēng)為汽車(chē)側傾加速度閾值;h表示重心到地面的距離，hr表示側翻中心到地面的距離;t為兩輪間距;Rφ表示側翻剛度，取決于側傾角φ和側向加速度ac。當ac達到最大值時(shí)，汽車(chē)發(fā)生側翻，因此可以及時(shí)獲取φ和ac，若及時(shí)采取措施，則可預防汽車(chē)側翻。

2 系統設計

通過(guò)以上分析可知，汽車(chē)側翻主要由側向加速度、軸向加速度、輪距、重心到地面的高度等參數決定，則可分別實(shí)時(shí)測出這些參數，利用式(1)力學(xué)模型進(jìn)行分析計算，預測汽車(chē)運行狀態(tài)。對于給定型號的小汽車(chē)，輪距和重心到地面的高度可視為已知條件，因此，只需要測量出側向加速度和軸向加速度就可以計算出汽車(chē)運行狀態(tài)。

本設計中加速度測量選用雙軸加速度計ADXL203實(shí)時(shí)測量汽車(chē)軸向和縱向加速度。輪距、重心到地面高度、承載重量等固定參數，采用4×4薄膜鍵盤(pán)設置，微控制器采用MSP4 30F149，實(shí)時(shí)接收并處理以上輸入信息。為減少對駕駛員的干擾，在危險發(fā)生前，采用語(yǔ)音方式提示駕駛員采取相應措施。LCD顯示屏選用彩色液晶顯示屏，完成用戶(hù)輸入交互。存儲器記錄一段時(shí)間汽車(chē)運行狀態(tài)，以便于用戶(hù)分析。電源電路、鍵盤(pán)電路和語(yǔ)音提示、LCD等模塊采用電子系統常見(jiàn)電路模塊，本文不再贅述。系統結構框圖如圖2所示。

3 傾斜測量電路設計

傾斜測量電路是汽車(chē)防側翻預警電路的核心，需要高速、精確、實(shí)時(shí)處理汽車(chē)行駛姿態(tài)信號。傾斜測量電路如圖3所示，根據系統設計需要，采用ADI公司的雙軸加速度計ADXL203，它是一款多晶硅表面微加工傳感器，內部集成了信號調理電路，在汽車(chē)運動(dòng)時(shí)X軸或Y軸方向的加速度可以動(dòng)態(tài)地在器件Xout或Yout端輸出以相應的電壓信號。

加速度傳感器工作原理是使用重力作為輸入矢量來(lái)確定空間中物體的方向。該傳感器為表面微加工多晶硅結構，置于晶圓頂部，多晶硅彈簧懸掛于晶圓表面的結構之上，提供加速度力量阻力。

差分電容由獨立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成，能對結構偏轉進(jìn)行測量。固定板由180°反相方波驅動(dòng)，加速度使梁偏轉，使差分電容失衡，從而使輸出方波的幅度與加速度成比例。然后，使用相敏解調技術(shù)來(lái)對信號進(jìn)行整流并確定加速度的方向。

由于加速度傳感器輸出的電壓信號瞬變，因此需要選擇運行速度快、可以捕捉瞬變信號的高性能運算放大器。因此，本文選擇具有低失調電壓、低偏置電流、低噪聲的軌到軌輸入/輸出的AD8608四通道運放，實(shí)現信號調理，圖3中的A1～A4表示AD8608的4個(gè)通道。

信號采集與調理完成后需要進(jìn)行數字化處理，然后輸入到微控制器進(jìn)行處理，A/D轉換的精度和速度為關(guān)鍵因素，為了處理加速度計輸出的數據并計算出角度，需確定ADXL203的輸出電壓范圍并將其與ADC輸入電壓范圍進(jìn)行比較。

AD7887的輸入電壓范圍為0～3.3 V，ADXL203的理想輸出電壓范圍為1.5～3.5 V。故該電路選擇高速低功耗的12位SAR型A/D轉換器AD7887，其采樣率達到了125 ksps，轉換工作頻率可達2.5 MHz。

本電路在傾斜度90°范圍內可達到0.01的精度，系統設計時(shí)全部采用低功耗、小封裝尺寸器件，因此本電路系統具有高精度、高性能、低成本、小尺寸的特征。

4 實(shí)驗與結果分析

如圖4所示，X軸上的重力矢量投影會(huì )產(chǎn)生輸出加速度，大小等于加速度計X軸和水平面之間夾角的正弦值。水平面通常是與重力矢量正交的平面，當重力為理想值1g時(shí).輸出加速度為：