基于加速度傳感器的機動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能監測系統

RG=100 kΩ/(G-1)

踏板力傳感器信號調理電路如圖3所示。

1.4 微控制器選型

為了設備能夠在多種情景下工作，采用兩路供電，通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇，一路由鋰電池供電，一路由汽車(chē)內部12 V DC直接供電。同時(shí)為了滿(mǎn)足持續監控的使用要求，選擇支持超低功耗的MSP430系列單片機，其擁有4種省電模式，其中LPM4的最低工作電流只有0.1μA，可以通過(guò)內部指令在不同工作模式下快速切換，因而MSP430系列單片機在電池供電的情況下?lián)碛袠O大的優(yōu)勢。

MSP430系列是16位混合信號處理器，其擁有豐富的片上外圍模塊，片內有硬件乘法器、兩個(gè)具有PWM功能的16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數轉換器。MSP430可以提供內置參考電壓源(2.5 V)、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器并且支持8 M的時(shí)鐘。同時(shí)

MSP430擁有豐富的具有中斷功能的I/O端口，并擁有大容量的Flash和RAM。

綜上所述，MSP430擁有的豐富資源可以簡(jiǎn)化系統的電路設計，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低系統成本，其低功耗特性更是能夠提高系統的便攜性，因而使用其作為制動(dòng)性能監測系統的處理器。

2 軟件及算法設計

系統以三軸加速度傳感器為核心，系統開(kāi)機后從存儲器上讀取上次檢測后上位機發(fā)回的指令及數據存儲的末地址，在踏板力傳感器被踩下后，進(jìn)入加速度數據與踏板力數據采集階段，并同時(shí)通過(guò)MSP430內部定時(shí)器對制動(dòng)過(guò)程計時(shí)，采集數據的同時(shí)，記錄該數據的采集時(shí)間點(diǎn)。在制動(dòng)過(guò)程完成后，通過(guò)相應的數據處理程序計算制動(dòng)過(guò)程中的踏板力、平均制動(dòng)減速度等參數并將測試數據發(fā)回到上位機進(jìn)行數據分析、圖形化顯示及記錄等操作。下位機等待上位機的控制指令，收到指令后將之存儲于存儲器中，完成后返回預讀系統初值狀態(tài)，至此完成一次閉環(huán)檢測與上報。

2.1 系統主程序設計

軟件設計采取模塊化的思想，系統由數據采集模塊，系統控制模塊，數據傳輸模塊組成，系統流程圖如圖4。

2.2 數據處理算法設計

系統自踏板力傳感器檢測到壓力且超過(guò)閥值時(shí)開(kāi)始采集加速度信號。由于踏板力在制動(dòng)開(kāi)始階段未達到最大值，故而在制動(dòng)開(kāi)始后，利用定時(shí)器開(kāi)關(guān)中斷以10 Hz的頻率采集踏板力數據。同時(shí)從加速度傳感器讀取加速度數據。數據采集在連續采集到10組低于0.1g的加速度數據后停止，進(jìn)入數據處理流程，計算制動(dòng)初速度，平均制動(dòng)減速度，制動(dòng)距離等參數。

機動(dòng)車(chē)制動(dòng)過(guò)程可以分成三個(gè)部分，如圖5所示，分別為t1：機械反應時(shí)間;t2：制動(dòng)力增長(cháng)時(shí)間;t3：制動(dòng)力持續時(shí)間。機械反應時(shí)間t1以踏板力采集到踩踏的時(shí)間開(kāi)始持續到制動(dòng)力開(kāi)始上升為止。制動(dòng)力增長(cháng)時(shí)間t2是指制動(dòng)減速度由0上升到穩定制動(dòng)階段所需要的時(shí)間。t2結束點(diǎn)作為制動(dòng)力持續時(shí)間t3的開(kāi)始點(diǎn)，由圖5可知在制動(dòng)完成時(shí)，由于機動(dòng)車(chē)前后輕微抖動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生負的加速度，將這個(gè)點(diǎn)作為制動(dòng)完成點(diǎn)。

在機動(dòng)車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，從制動(dòng)踏板被踩下到制動(dòng)生效有較長(cháng)的制動(dòng)準備時(shí)間，這給整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)初速度，制動(dòng)距離等變量帶來(lái)了較大的累積誤差。因而制動(dòng)關(guān)鍵參數采取分段計算求得，從制動(dòng)結束點(diǎn)向后數值積分。t1階段可以視為勻速運動(dòng)故而S1=vD·t1，t2階段由于是變減速運動(dòng)，故

但是根據實(shí)際檢測證明，在t2階段機動(dòng)車(chē)也可以視為勻速運動(dòng)。因而可以簡(jiǎn)化運算S2=v0·t2，制動(dòng)力持續階段也屬于變減速運動(dòng)，同時(shí)在向后積分的情況下，存在誤差累積的情況且采樣速度較快時(shí)采樣間隔誤差也會(huì )對減速度大小造成較大誤差。因而采取N次平滑法，N次平滑后使采樣間隔△t基本相等，從而可以用累積求和的方法直接求出行進(jìn)距離與初始速度。

2.3 上位機監測與處理程序

上位機系統采取B/S/S(Browser客戶(hù)端瀏覽器/WebServer網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器/Database Server)結構設計。下位機通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò )將測試數據以報文形式發(fā)送到服務(wù)器，經(jīng)由服務(wù)器解碼處理后存入數據庫，同時(shí)系統管理員以及機動(dòng)車(chē)駕駛人員可以通過(guò)不同級別賬戶(hù)登錄網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)查詢(xún)制動(dòng)系統情況。在制動(dòng)性能數據處于臨界值或者不合格時(shí)，將相應車(chē)輛信息加入警告窗口，并通知管理部門(mén)同時(shí)向駕駛人員發(fā)布報警短信，從而達到實(shí)時(shí)監控，將危險因素抑制于初發(fā)階段的目的。

3 結束語(yǔ)

文中設計了一個(gè)機動(dòng)車(chē)制動(dòng)性能監測系統，該系統基于3G網(wǎng)絡(luò )利用多維加速度傳感器等檢測出機動(dòng)車(chē)制動(dòng)過(guò)程中的平均制動(dòng)減速度，制動(dòng)時(shí)間，制動(dòng)距離等關(guān)鍵參數并經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò )向服務(wù)器發(fā)送檢測結果。為了簡(jiǎn)化系統安裝使用，采用了高性能且低功耗的處理器設計成便攜便安裝結構，從而可以方便快捷地實(shí)時(shí)監測機動(dòng)車(chē)的制動(dòng)系統的安全狀態(tài)。系統具有功耗小，實(shí)時(shí)性強、安裝方便簡(jiǎn)單、實(shí)用性強同時(shí)具有較好的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益，尤其對于降低因制動(dòng)系統故障導致的交通事故數目具有較大的幫助。