國內外現有的汽車(chē)模擬駕駛器和汽車(chē)駕駛考核系統中,對腳踏板(油門(mén)踏板、腳剎踏板、離合踏板)及手剎等操作機構的狀態(tài)信號的提取,主要是通過(guò)安裝角度傳感器或通過(guò)機械裝置將機構的旋轉運動(dòng)轉換為線(xiàn)性運動(dòng),安裝線(xiàn)性位移傳感器來(lái)實(shí)現;檔位的位置狀態(tài)則通過(guò)在檔位的不同位置分別安裝行程開(kāi)關(guān)組或非接觸開(kāi)關(guān)組(霍爾開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān))得到開(kāi)關(guān)量信號,獲取檔位的位置信息。由于這些傳感器成本較高、體積較大,且在一臺車(chē)輛中采用多種傳感器形式,檢測裝置規格不統一,給汽車(chē)駕駛狀態(tài)檢測系統的生產(chǎn)制造、安裝、維修、保養帶來(lái)了較大不便[1-2]。 近年來(lái),微電子機械系統(MEMS)技術(shù)微機械慣性器件日漸成熟,慣性測量系統得到了迅猛發(fā)展[3]。慣性測量系統將微電子、精密機械、傳感器技術(shù)相互融合,具有集成度更高、性?xún)r(jià)比更好、體積更小、功耗更低等特點(diǎn),且由于微機械結構制作精確、重復性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn),并有很高的性?xún)r(jià)比,在汽車(chē)上得到了廣泛的應用[4-5]。陀螺儀和加速度計是姿態(tài)測量系統的重要組成單元,本文選擇了ADIS16355傳感器,該傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器,具有體積小、功能強、功耗低等特性,完全滿(mǎn)足汽車(chē)駕駛運動(dòng)參數的數據采集要求。 1 測量系統的硬件設計 1.1 測量系統硬件組成 汽車(chē)駕駛模擬器姿態(tài)測量系統如圖1所示,主要包括信號采集模塊(陀螺儀及信號調理電路)、信號處理及傳輸模塊(微控制器及通信電路)、電源模塊三部分。 信號采集模塊由MEMS陀螺儀傳感器和信號調理電路組成,完成對油門(mén)、腳剎、離合、手剎、檔位等車(chē)輛駕駛操作機構傾角變化的物理量轉換,并完成傳感器輸出信號的可靠傳輸;信號處理及傳輸模塊由DSP構成核心器件,實(shí)現在姿態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度變化的條件下,精確測量運動(dòng)機構的傾角變化,完成信號的數字濾波、角速度變化量積分為角度變化量的運算、差分處理及串行輸出等工作;供電電源采用汽車(chē)充電發(fā)電機和車(chē)載蓄電池,供電電壓在9 V~30 V之間,系統設備使用的電源電壓為5 V。 1.2 MEMS加速度傳感器的選擇 本文采用微機械(MEMS)ADIS16355陀螺儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)角度測量。ADIS16355陀螺儀是一款多軸運動(dòng)傳感器,它高效地將三軸陀螺與三軸加速度計相結合,以測量所有六自由度。該傳感器集成了AD公司微機械和混合信息處理技術(shù),是一個(gè)高度集成的解決方案,提供校準后的數字慣性感應;一個(gè)SPI接口和簡(jiǎn)單輸出注冊結構形成了簡(jiǎn)單的系統接口和編程;單電源操作在4.75 V~5.25 V;2 000 g沖擊承受力。與其他現成慣性傳感器相比,ADI- S16355精度提高了50倍,易于集成(23 mm×23 mm×23 mm Mod封裝)。 1.3 差分測量方法 通過(guò)將兩個(gè)姿態(tài)傳感器探頭分別設置在被測物體和該被測物體所處的運動(dòng)載體上,兩姿態(tài)傳感器在初始狀態(tài)姿態(tài)相同,其安裝位置應盡量靠近,使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。此時(shí)不論檢測載體(汽車(chē))是否運動(dòng),兩個(gè)姿態(tài)傳感器探頭輸出的檢測信號大小相等,差模信號接近為零。當檢測裝置工作時(shí),兩個(gè)三軸姿態(tài)傳感器同時(shí)提取被測物和載體相對地面的三維運動(dòng)信號,兩組信號通過(guò)微處理器的數據融合及處理,屏蔽共有的振動(dòng)、轉動(dòng)慣量、姿態(tài)變化等共模信號,保留被測物體相對運動(dòng)載體角度或錐角變化的差模信號,進(jìn)而得到被測物體相對運動(dòng)載體的姿態(tài)變化量。該方法避開(kāi)了兩參照系數據轉換的繁瑣數學(xué)計算,具有電路簡(jiǎn)單、信號采集處理速度快的特點(diǎn)[6]。如圖2(a)所示,為傳感器在油門(mén)踏板上的差分安裝原理圖。 2 軟件設計 檢測系統的軟件包括數據采集和數據處理兩部分,軟件流程圖如圖3所示。按照安裝動(dòng)態(tài)傾角檢測裝置,通過(guò)兩個(gè)模塊同時(shí)提取被測物體和動(dòng)態(tài)載體上四組三維檢測信號(兩組角速度信號和兩組加速度信號)。這四組三維電壓模擬量的采集信號經(jīng)過(guò)模擬量數據處理模塊,屏蔽共有的振動(dòng)、轉動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號,保留被測物體相對運動(dòng)載體錐角變化的差模信號,該檢測信號經(jīng)DSP的運算處理,完成MEMS陀螺儀傳感器輸出的檢測信號與對應角度量的轉換,實(shí)現被測物相對載體傾角的測量。 3 實(shí)驗 按照差分測量的要求,將靜止模塊粘貼于固定支架上,將運動(dòng)模塊固定于離合器、剎車(chē)和油門(mén)踏板上(兩模塊與剛性架構間均用減振膠和海綿做減振材料),安裝時(shí)使兩個(gè)模塊X軸處于測量靈敏度最高的測量位置,如圖2(b)所示為傳感器在實(shí)車(chē)上的安裝圖。 在實(shí)車(chē)上進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗,刻意讓車(chē)體產(chǎn)生最大幅度的振動(dòng)和姿態(tài)變化,采集踩下油門(mén)踏板(以油門(mén)踏板為例)然后放開(kāi)踏板時(shí)的部分測試數據,分別利用加速度信息Xg1~Xg2、角速度信息X?棕1~X?棕2的數據進(jìn)行綜合考慮,相互修正,得到汽車(chē)姿態(tài)角的最優(yōu)估計值。如圖4為對加速度計和角速度陀螺X軸數據相互修正融合后的差模數據擬合曲線(xiàn)?梢钥闯,試驗結果滿(mǎn)足動(dòng)感汽車(chē)駕駛操作傾角信號采集的精度要求,說(shuō)明此測量系統的可行性。 圖4為對油門(mén)踏板X(qián)軸數據修正融合后的差模數據擬合曲線(xiàn)。 本文研究設計了基于A(yíng)DIS16355和DSP的汽車(chē)駕駛操作信號采集系統,基本思想是通過(guò)采集重力加速度和角速率信號,并對據進(jìn)行處理,最后運用差分測量方法,實(shí)現了對汽車(chē)駕駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)準確測量。實(shí)驗結果表明該測量系統能滿(mǎn)足汽車(chē)駕駛操作信號采集的精度要求。 |