基于加速度傳感器的機動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能監測系統

摘要：針對目前機動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能中檢測依靠車(chē)管部門(mén)強制檢測所帶來(lái)的檢測周期長(cháng)、自主檢測能力差的問(wèn)題，利用三軸傳感器的特性結合改進(jìn)的向后積分算法實(shí)時(shí)檢測機動(dòng)車(chē)的制動(dòng)性能信息并通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送測試數據。簡(jiǎn)述了系統的硬件組成與操作流程。該系統功能齊全、成本低廉、安裝方便具有較好的經(jīng)濟與社會(huì )效益。

機動(dòng)車(chē)的制動(dòng)系統是其安全運行的重要保障，其性能是否合格直接關(guān)系到機動(dòng)車(chē)駕乘人員的人身財產(chǎn)安全，因此國家制定了GB7258—2012(機動(dòng)車(chē)運行安全技術(shù)條件)以及GB12676—1999(汽車(chē)制動(dòng)系統結構、性能和試驗方法》對制動(dòng)系統檢測提出了明確的檢驗方法和技術(shù)指標。機動(dòng)車(chē)制動(dòng)系包括行車(chē)制動(dòng)、駐車(chē)制動(dòng)以及應急制動(dòng)，我們日常主要檢測行車(chē)制動(dòng)性能。GB7258中規定了兩種行車(chē)制動(dòng)性能檢測方法即路試檢驗和臺式檢驗，其中路試法因為更具綜合性，更貼近于實(shí)際情景，所以在實(shí)際檢測中應用最廣。路試檢驗行車(chē)制動(dòng)性能的關(guān)鍵指標主要有制動(dòng)距離、充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動(dòng)初速度、制動(dòng)協(xié)調時(shí)間。

目前整車(chē)制動(dòng)性能檢測通常使用五輪儀或非接觸式測速傳感器來(lái)測量制動(dòng)距離，測試過(guò)程繁瑣，不利于常態(tài)化監測。采用加速度傳感器可以準確地記錄制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)加速度，結合相應的算法可以得到制動(dòng)距離等參數。三軸加速度傳感器可以同時(shí)記錄制動(dòng)過(guò)程中機動(dòng)車(chē)行進(jìn)方向、水平方向以及機動(dòng)車(chē)的縱向加速度。通過(guò)對三軸向加速度數據的處理可以去除制動(dòng)開(kāi)始過(guò)程中的點(diǎn)頭誤差，震動(dòng)誤差等對制動(dòng)檢測結果的干擾。針對目前制動(dòng)性能檢測依賴(lài)于交通管理部門(mén)每年強制性檢測所帶來(lái)的檢測間隔周期長(cháng)、自主性檢測能力差的問(wèn)題，提出了聯(lián)網(wǎng)檢測的形式。通過(guò)改進(jìn)后的制動(dòng)性能檢測儀可以定時(shí)，定性的對車(chē)輛的制動(dòng)性能進(jìn)行檢測的同時(shí)將檢測結果上報管理部門(mén)，并可由上級部門(mén)控制儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，從而形成從檢測到監管的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò )，極大地提高了對車(chē)輛安全監測的透明性，實(shí)時(shí)性。在客運公司，危險品運輸等對車(chē)輛安全有較高要求的單位具有較好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益，具有良好的市場(chǎng)前景。

1 系統硬件設計

1.1 硬件結構原理

系統主要由三軸加速度傳感器、微控制器(MCU)、踏板力傳感器、3G模塊、鐵電存儲器等組成，硬件組成框圖如圖1所示。

系統每輪檢測以踏板開(kāi)關(guān)踩下為開(kāi)始信號，單片機的AD(數模轉換)模塊開(kāi)始對踏板力傳感器輸入的模擬信號進(jìn)行轉換處理，與此同時(shí)通過(guò)I2C接口讀取加速度傳感器的加速度數據。進(jìn)人數據處理程序后，分析整個(gè)制動(dòng)過(guò)程，并計算機動(dòng)車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)初速度、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)距離，充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動(dòng)協(xié)調時(shí)間(BCT)等參數。并與規定數值比較，得到本次制動(dòng)性能檢測的最終結果。將基礎數據與檢測結果存儲于鐵電存儲器內后，通過(guò)3G模塊EM770W將結果上傳到監控終端，并可根據上位機的要求上傳基礎數據，以便供進(jìn)一步分析處理。在接收完上位機指令后把指令存儲在存儲器內，以備下一次檢測。

1. 2 加速度傳感器選型及接口設計

路試測試中，加速度數據是計算制動(dòng)初速度、制動(dòng)距離、MFDD等關(guān)鍵參數的基礎，因而需要選擇合適的加速度傳感器及適當的算法。目前市場(chǎng)上的便攜式制動(dòng)測試儀普遍采用單軸或雙軸加速度傳感器。因而在測試過(guò)程中對于儀器的放置有著(zhù)嚴格的要求，必須將一個(gè)方向與車(chē)輛行駛方向重合。這給檢測帶來(lái)了很大的不便，同時(shí)由于在制動(dòng)過(guò)程開(kāi)始時(shí)存在點(diǎn)頭誤差以及路邊的顛簸導致的車(chē)輛整體晃動(dòng)或者抖動(dòng)直接影響測量結果。選用三軸加速度傳感器可以隨便放置，由于計算的是三軸的和加速度，從而降低點(diǎn)頭誤差及路面顛簸對測試結果的影響。

1.2.1 三軸MEMS加速度傳感器選型

加速度傳感器采用飛思卡爾的MEMS三軸數字輸出加速度傳感器MMA8451Q。MMA8451Q具有可配置的量程(±2g/±4 g/±8 g)、可配置的分辨率(14位、12位、10位)和嵌入式功能，可以通過(guò)相應的寄存器配置實(shí)現精確的運動(dòng)狀態(tài)分析。同時(shí)具有低功耗的設計，可以根據實(shí)際需求配置采樣速率，擁有六種用戶(hù)可配置的數據輸出速率，采樣速率范圍從1.5～800 Hz，具備休眠和喚醒模式，最低工作電流只有6 μA。MMA 8451Q具有兩個(gè)可編程中斷引腳，可供七個(gè)中斷源使用，通過(guò)I2C接口與控制器通信，工作電壓1.95 V～3.6 V，接口電壓1.6 V～3.6 V，采用3 x3 x 1mm的QFN小型封裝。其與MSP430的連接如圖2所示。

1. 3 踏板力傳感器選型及接口設計

《機動(dòng)車(chē)運行安全技術(shù)條件》中對液壓制動(dòng)系的機動(dòng)車(chē)的踏板力大小提出了明確要求，其最大合格壓力值為700 N。因而踏板力傳感器的量程選擇為0～1 000 N。踏板力傳感器選用的是北京龍鼎科技的LDCZL～TL，該踏板力傳感器是電阻應變片式傳感器，可以進(jìn)行壓向力測試，輸出對稱(chēng)性好。具有測量精度高、結構緊湊、穩定性能好、溫度漂移小等特點(diǎn)。其體積呈扁平狀態(tài)，可靈活方便地裝于汽車(chē)踏板上，采用孔幅結構，具有先天的抗踩踏的偏置力且體積小、抗振能力強、輸出電壓信號。工作電壓在±10 V DC，靈敏度1.5 mV/V，可以滿(mǎn)足系統的測試精度要求。

由于踏板力傳感器安裝在汽車(chē)踏板上，靠近發(fā)動(dòng)機、啟動(dòng)電機等強干擾源。并且由于駕駛員和各測試項目的要求不同，電橋的輸出信號變化范圍大，要求信號檢測電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪、增益大范圍可調等性能，根據以上要求選擇儀表放大器AD623作為踏板力信號放大器。AD623是集成的單電源儀表放大器，其通過(guò)提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的誤差，線(xiàn)路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達200 Hz時(shí)仍保持恒定而受到抑制。

它能夠在單電源(+3 V～+12 V)下提供軌對軌輸出，允許通過(guò)增益調節電阻進(jìn)行增益編程，從而具有良好的靈活性，其增益最高可達1000倍，增益調節電阻大小由下式求得：