基于巴哈賽車的行駛狀態(tài)采集

魏耿全，汪孟杰

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

1 基本原理

1.1 汽車懸掛系統(tǒng)阻尼比測(cè)定方法

測(cè)量懸掛系統(tǒng)阻尼比需要的測(cè)定參數(shù)包括車身部分（簧載質(zhì)量）的固有頻率和阻尼比以及車輪部分（非簧載質(zhì)量）的固有頻率。這3 個(gè)參數(shù)是分析懸掛系統(tǒng)振動(dòng)特性和對(duì)汽車平順性進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)的基本數(shù)據(jù)。

巴哈比賽對(duì)賽車懸架要求較高，其道路復(fù)雜，懸架承受較大的力，部分賽車比賽過程中出現(xiàn)前擺臂直接彎曲變形甚至擺臂斷裂的情況，之前主要靠經(jīng)驗(yàn)來判斷原因。如果能夠得到懸架的受力狀況，則在設(shè)計(jì)階段便可以根據(jù)數(shù)據(jù)增大或降低安全系數(shù)，做到安全性與經(jīng)濟(jì)性的最佳統(tǒng)一。

1.2 傳感器原理

1.2.1 加速度傳感器原理

當(dāng)傳感元件以加速度a 運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，發(fā)生與加速度a 成正比的形變，使懸臂梁也隨之產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。該變形被粘貼在懸臂梁上的擴(kuò)散電阻感受到。根據(jù)硅的壓阻效應(yīng)，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生與應(yīng)變成正比的變化，將這個(gè)電阻作為電橋的一個(gè)橋臂，通過測(cè)量電橋輸出電壓的變化可以完成對(duì)加速度的測(cè)量。

1.2.2 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器由測(cè)速齒圈和傳感頭組成，輪速齒圈由磁鋼制成。當(dāng)輪速齒圈以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)穿過霍爾元件，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號(hào)。本項(xiàng)目采用頻率法測(cè)量轉(zhuǎn)速，輪速傳感器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，經(jīng)過芯片信號(hào)處理后輸出到計(jì)數(shù)器或其他計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

1.3 巴哈賽車簡(jiǎn)介

中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽Baja SAE China（簡(jiǎn)稱BSC大賽）是一項(xiàng)由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)創(chuàng)辦的主要面向職業(yè)院校和本科院校開展的小型越野汽車設(shè)計(jì)和制作賽事。BSC 大賽要求各參賽車隊(duì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型越野車。巴哈賽車有獨(dú)特的車架結(jié)構(gòu)及與之相匹配的懸架系統(tǒng)，而這導(dǎo)致巴哈賽車的一個(gè)特性：在賽車高速入彎時(shí)，會(huì)發(fā)生較大的側(cè)傾和橫向振動(dòng)，可能導(dǎo)致賽車外側(cè)輪離地以及內(nèi)側(cè)輪側(cè)偏嚴(yán)重的情況，影響輪胎附著力，從而影響賽車的過彎速度。同時(shí)較大的橫向振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響車手的駕駛舒適性和操控平穩(wěn)性。

2 實(shí)施方案

2.1 行駛狀態(tài)采集系統(tǒng)基本框架和實(shí)施方案

基于武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院參加BSC 大賽賽車需要采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行子項(xiàng)目的確定。通過查找文獻(xiàn)了解并掌握霍爾傳感器、線位移傳感器、角位移傳感器等各類傳感器工作原理，通過查找論文研究汽車震動(dòng)、惡劣天氣對(duì)傳感器精確度的影響。根據(jù)賽車的實(shí)際工作情況確定各個(gè)傳感器的布置方案及反饋裝置的布置方案。各類模塊安裝完成后，在武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的巴哈賽車上進(jìn)行試驗(yàn)。不斷試驗(yàn)，持續(xù)提高數(shù)據(jù)反饋的準(zhǔn)確性。信息處理流程如圖1 所示。

圖1 信息處理流程

2.2 油量監(jiān)測(cè)方案

2.2.1 項(xiàng)目特殊意義

為了確保安全性，巴哈大賽使用百力通公司的原廠799863 油箱，油箱上不允許有孔洞，不允許使用燃油泵，因此無法采用常規(guī)的油量檢測(cè)方案，為了滿足耐力賽的需求，讓車手可以合理判斷油箱油量，在合適的時(shí)機(jī)更換油箱，決定在規(guī)則范圍內(nèi)設(shè)計(jì)一套油量監(jiān)測(cè)方案。

2.2.2 具體方案

2.2.2.1 基本原理

將出油管處連接三通，做一個(gè)小型連通器，并將油量測(cè)位傳感器放入其中，油量測(cè)位傳感器連接單片機(jī)。將陀螺儀傳感器貼在油箱罩里面，并連接單片機(jī)。通過單片機(jī)設(shè)置警戒油量和陀螺儀角度范圍警戒，當(dāng)兩個(gè)警戒同時(shí)滿足時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。

基本運(yùn)行原理如圖2 所示。

圖2 基本運(yùn)行原理

2.2.2.2 傳感器原理

油位傳感器選用佰正90°短傳感器，該傳感器可以監(jiān)測(cè)油進(jìn)入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極之間電容量的變化，并將此變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓ぷ麟妷?2～28 V，探極耐溫-50～250 ℃，輸出電流4～20 mA，將傳感器安裝在連通器上。

陀螺儀傳感器的意義是使賽車傾斜在一定值內(nèi)才會(huì)報(bào)警，防止因?yàn)轭嶔ざ`報(bào)警，只有在一定范圍內(nèi)才會(huì)報(bào)警。

2.3 輪速測(cè)量原理

用霍爾效應(yīng)與電磁感應(yīng)方式測(cè)量車速時(shí)，都是在半軸或輪轂上加一齒輪信號(hào)盤，然后把傳感器正對(duì)信號(hào)盤，齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)引起傳感器中的電壓的變化，產(chǎn)生交變電壓，通過對(duì)電壓的頻率的測(cè)量就可以得到車輪的角速度，再通過計(jì)算就可以得到車速。

所使用的輪速傳感器的外形為圓柱形，并用L 形吊耳將其固定。首先要將吊耳固定在立柱上，安裝時(shí)卡鉗固定螺栓依次穿過固定吊耳的圓孔、立柱圓孔和卡鉗上的孔在末端用螺母將其擰緊。為了保證輪速傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)得信號(hào)，霍爾元件的中心應(yīng)與輪速齒圈的中心線對(duì)準(zhǔn)。因此，測(cè)得前后齒圈中心線到螺栓末端的距離分別為19 mm、22 mm，由此可以確定L 形吊耳的長(zhǎng)度。將輪速傳感器穿過吊耳圓孔兩端用螺母進(jìn)行固定，并可以調(diào)節(jié)傳感器與齒圈的距離。

2.4 懸架位移測(cè)量

采用線位移傳感器，兩端分別固定于車架和彈簧減振器下沿，實(shí)時(shí)測(cè)量彈簧減振器的變形量，并記錄于車載電腦上，可以得到單個(gè)車輪的垂向震動(dòng)幅度與頻率。由于巴哈賽車前后懸采用的均是獨(dú)立懸架，且減振器振動(dòng)幅度最大可以達(dá)到20 cm，因此，所選的線位移傳感器也要有一定的行程；為了適應(yīng)泥濘環(huán)境，傳感器不宜選用超聲測(cè)距或光電形式，用傳統(tǒng)的電子尺更合適。

利用catia 建模如圖3 所示。

圖3 利用catia 建模

3 數(shù)據(jù)處理

32 位單片機(jī)的程序燒錄工具選用的是MDK5，而驅(qū)動(dòng)程序則是在購(gòu)買開發(fā)板時(shí)由店家提供。軟件由底層驅(qū)動(dòng)程序和頂層邏輯控制組成，此外，為了能更直觀地觀測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)，為后期設(shè)計(jì)提供參考，還設(shè)計(jì)了上位機(jī)來記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于底層驅(qū)動(dòng)程序，大致包括：①AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換，5 ms 周期AD 中斷，實(shí)時(shí)采集模擬量，并作濾波處理，最后輸出真實(shí)物理值；②ECU 輸入捕捉中斷，根據(jù)輪速傳感器信號(hào)定時(shí)計(jì)數(shù)，最后輸出實(shí)時(shí)車速；③SCI 通信，與開關(guān)量采集芯片RS232 進(jìn)行SCI 通信，獲取開關(guān)量狀態(tài)信息。

對(duì)于頂層邏輯控制，主要是輸入信號(hào)處理，對(duì)外部輸入信號(hào)做必要的預(yù)處理，使其能準(zhǔn)確、可靠地反映實(shí)際的外部信號(hào)變化，以及一些數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。而上位機(jī)則包括示波器和串口數(shù)據(jù)接收軟件，在指導(dǎo)教師的幫助下采用了自己制作的上位機(jī)。程序的編寫方面，由各位組員在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下完成，對(duì)于底層驅(qū)動(dòng)程序，可以檢索到一些已有的模塊，只需加以組合，并根據(jù)原理圖修改相關(guān)串口即可，程序燒錄入單片機(jī)后，反復(fù)調(diào)試，直到能得到需要的結(jié)果。