基于加速度傳感器的機動車制動性能監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：針對目前機動車制動性能中檢測依靠車管部門強制檢測所帶來的檢測周期長、自主檢測能力差的問題，利用三軸傳感器的特性結(jié)合改進的向后積分算法實時檢測機動車的制動性能信息并通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測試數(shù)據(jù)。簡述了系統(tǒng)的硬件組成與操作流程。該系統(tǒng)功能齊全、成本低廉、安裝方便具有較好的經(jīng)濟與社會效益。

機動車的制動系統(tǒng)是其安全運行的重要保障，其性能是否合格直接關(guān)系到機動車駕乘人員的人身財產(chǎn)安全，因此國家制定了GB7258—2012(機動車運行安全技術(shù)條件)以及GB12676—1999(汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法》對制動系統(tǒng)檢測提出了明確的檢驗方法和技術(shù)指標(biāo)。機動車制動系包括行車制動、駐車制動以及應(yīng)急制動，我們?nèi)粘Ｖ饕獧z測行車制動性能。GB7258中規(guī)定了兩種行車制動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，更貼近于實際情景，所以在實際檢測中應(yīng)用最廣。路試檢驗行車制動性能的關(guān)鍵指標(biāo)主要有制動距離、充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動初速度、制動協(xié)調(diào)時間。

目前整車制動性能檢測通常使用五輪儀或非接觸式測速傳感器來測量制動距離，測試過程繁瑣，不利于常態(tài)化監(jiān)測。采用加速度傳感器可以準(zhǔn)確地記錄制動過程中的制動加速度，結(jié)合相應(yīng)的算法可以得到制動距離等參數(shù)。三軸加速度傳感器可以同時記錄制動過程中機動車行進方向、水平方向以及機動車的縱向加速度。通過對三軸向加速度數(shù)據(jù)的處理可以去除制動開始過程中的點頭誤差，震動誤差等對制動檢測結(jié)果的干擾。針對目前制動性能檢測依賴于交通管理部門每年強制性檢測所帶來的檢測間隔周期長、自主性檢測能力差的問題，提出了聯(lián)網(wǎng)檢測的形式。通過改進后的制動性能檢測儀可以定時，定性的對車輛的制動性能進行檢測的同時將檢測結(jié)果上報管理部門，并可由上級部門控制儀器進行實時檢測，從而形成從檢測到監(jiān)管的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，極大地提高了對車輛安全監(jiān)測的透明性，實時性。在客運公司，危險品運輸?shù)葘囕v安全有較高要求的單位具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益，具有良好的市場前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 硬件結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)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(tǒng)每輪檢測以踏板開關(guān)踩下為開始信號，單片機的AD(數(shù)模轉(zhuǎn)換)模塊開始對踏板力傳感器輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換處理，與此同時通過I2C接口讀取加速度傳感器的加速度數(shù)據(jù)。進人數(shù)據(jù)處理程序后，分析整個制動過程，并計算機動車在制動過程中的制動初速度、制動時間、制動距離，充分發(fā)出的平均減速度(MFDD)、制動協(xié)調(diào)時間(BCT)等參數(shù)。并與規(guī)定數(shù)值比較，得到本次制動性能檢測的最終結(jié)果。將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與檢測結(jié)果存儲于鐵電存儲器內(nèi)后，通過3G模塊EM770W將結(jié)果上傳到監(jiān)控終端，并可根據(jù)上位機的要求上傳基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便供進一步分析處理。在接收完上位機指令后把指令存儲在存儲器內(nèi)，以備下一次檢測。

1. 2 加速度傳感器選型及接口設(shè)計

路試測試中，加速度數(shù)據(jù)是計算制動初速度、制動距離、MFDD等關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)，因而需要選擇合適的加速度傳感器及適當(dāng)?shù)乃惴?。目前市場上的便攜式制動測試儀普遍采用單軸或雙軸加速度傳感器。因而在測試過程中對于儀器的放置有著嚴(yán)格的要求，必須將一個方向與車輛行駛方向重合。這給檢測帶來了很大的不便，同時由于在制動過程開始時存在點頭誤差以及路邊的顛簸導(dǎo)致的車輛整體晃動或者抖動直接影響測量結(jié)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，從而降低點頭誤差及路面顛簸對測試結(jié)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(shù)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，可以通過相應(yīng)的寄存器配置實現(xiàn)精確的運動狀態(tài)分析。同時具有低功耗的設(shè)計，可以根據(jù)實際需求配置采樣速率，擁有六種用戶可配置的數(shù)據(jù)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具有兩個可編程中斷引腳，可供七個中斷源使用，通過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(shè)計

《機動車運行安全技術(shù)條件》中對液壓制動系的機動車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(yīng)變片式傳感器，可以進行壓向力測試，輸出對稱性好。具有測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小等特點。其體積呈扁平狀態(tài)，可靈活方便地裝于汽車踏板上，采用孔幅結(jié)構(gòu)，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，可以滿足系統(tǒng)的測試精度要求。

由于踏板力傳感器安裝在汽車踏板上，靠近發(fā)動機、啟動電機等強干擾源。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(diào)等性能，根據(jù)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，線路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達200 Hz時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，允許通過增益調(diào)節(jié)電阻進行增益編程，從而具有良好的靈活性，其增益最高可達1000倍，增益調(diào)節(jié)電阻大小由下式求得：