FSAE賽車(chē)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 成，周岳斌，宋學(xué)前

（湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng)441053）

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽（FSAE）是一項(xiàng)由高等院校汽車(chē)工程或汽車(chē)相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車(chē)隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車(chē)制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車(chē)，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。FSAE賽車(chē)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，只需讀取競(jìng)賽時(shí)的轉(zhuǎn)向角位移的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄[1]。實(shí)時(shí)反饋回的轉(zhuǎn)向角位移數(shù)據(jù)反映了賽車(chē)工況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，就可以進(jìn)一步改進(jìn)賽車(chē)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的缺陷。因此，轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于賽車(chē)轉(zhuǎn)向的調(diào)校和賽車(chē)手的訓(xùn)練來(lái)說(shuō)尤其重要。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，處理器選用STM32F103系列芯片，具有64KB SRAM、512KB FLASH、1個(gè) SDIO接口以及 3路 12位的ADC和112個(gè)通用的I/O等[2]。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用3路ADC分別采集轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)角、內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，同時(shí)讀取三個(gè)角位移的模擬量大小，通過(guò)MCU將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，從而獲取某時(shí)刻賽車(chē)內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪以及轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪角位移大小，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊傳回到PC，然后采用MATLAB進(jìn)行建模和軟件分析，具體控制流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

考慮到角位移傳感器和轉(zhuǎn)向機(jī)械零部件都有一定的壽命范圍，賽車(chē)在不同工況下行駛時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不同形式的失效，導(dǎo)致傳回?cái)?shù)據(jù)異常，因此定義了兩種主要失效形式：傳感器失效、轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)失效。

2 角位移檢測(cè)與計(jì)算

角位移傳感器選用WDD35D4-1K角位移傳感器，傳感器模型如圖3所示，表1為其主要參數(shù)。

圖3 傳感器模型圖

表1 傳感器參數(shù)表

考慮到方程式賽車(chē)的低壓電氣系統(tǒng)大多是5 V供電，傳感器也選用5 V供電，而MCU的ADC口一般只能承受3.3 V輸入電壓，因此加入一個(gè)運(yùn)放跟隨電路，如圖4所示。運(yùn)放跟隨輸入端進(jìn)行RC濾波，輸出端采用精度0.01%、低溫漂的采樣電阻分壓，以保證電壓采集的精度和輸入到ADC口的最大電壓不超過(guò)3.3 V.

圖4 運(yùn)放電路

根據(jù)表1可知角位移傳感器的電氣轉(zhuǎn)角與機(jī)械轉(zhuǎn)角在AB段不是一一對(duì)應(yīng)的（電氣轉(zhuǎn)角最大為345°±2°，而機(jī)械轉(zhuǎn)角 360°連續(xù)），圖 3 中 A、B、C、D 分別代表機(jī)械轉(zhuǎn)角的 360°、345°、180°、0°，對(duì)應(yīng)的電氣轉(zhuǎn)角分別為 0°、345°、180°、0°. 以傳感器轉(zhuǎn)軸 180°的位置為基準(zhǔn)來(lái)安裝定位，當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向：C點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)，采集的電壓模擬量相對(duì)于基準(zhǔn)位置是線性增加的；C點(diǎn)D點(diǎn)時(shí)，采集的電壓模擬量相對(duì)于基準(zhǔn)位置又是線性減少的，從而可判斷某時(shí)刻賽車(chē)轉(zhuǎn)向的方向，也解決了機(jī)械轉(zhuǎn)角和電氣轉(zhuǎn)角AB段不對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的影響。

MCU的ADC是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有18個(gè)通道，各通道A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，其輸入時(shí)鐘由PCLK2時(shí)鐘除以預(yù)分頻因子產(chǎn)生，最大不能超過(guò)14 MHz[3]。ADCCLK=14 MHz時(shí)，采樣周期為1.5個(gè)ADC時(shí)鐘，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 us.如果ADC的時(shí)鐘頻率超過(guò)14 MHz，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確度減小。對(duì)于每個(gè)要轉(zhuǎn)換的通道，采樣時(shí)間在保證轉(zhuǎn)換速率的前提下，盡可能選擇稍長(zhǎng)的采樣時(shí)間，以獲得較高的準(zhǔn)確度。

ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間的計(jì)算公式為：

TCOVN為總轉(zhuǎn)換時(shí)間，采樣時(shí)間是根據(jù)每個(gè)通道SMP位的設(shè)置決定的[4]。在保證轉(zhuǎn)換速率的前提下，盡量提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，選用采樣時(shí)間為239.5周期，設(shè)置時(shí)鐘分頻因子為6，則時(shí)鐘頻率為12 MHz（小于14 MHz），TCOVN=239.5+12.5=252 個(gè)周期 =21 us.為了滿足數(shù)據(jù)采集的同時(shí)性，ADC設(shè)置為三個(gè)不同通道進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換模式為單次轉(zhuǎn)換。

C處參考電位為：

VB=5 V，VA=VD=0 V，因此任意時(shí)刻相對(duì)于參考電位的電位差為：

其中VT為任意時(shí)刻轉(zhuǎn)軸位置對(duì)應(yīng)的電位，由公式（3）可以得出，任意時(shí)刻賽車(chē)轉(zhuǎn)向的方向及角位移大小，△V>0時(shí)，賽車(chē)的轉(zhuǎn)向方向向左，△V<0時(shí)，賽車(chē)的轉(zhuǎn)向方向向右。角位移大小為：

3 數(shù)據(jù)處理與分析

方程式賽車(chē)的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)既要減少輪胎的磨損，延長(zhǎng)輪胎使用壽命，也要具有良好的轉(zhuǎn)向操縱性和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。賽車(chē)大多采用斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)，方向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向力矩由轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向機(jī)的齒輪上，再由齒輪帶動(dòng)齒條移動(dòng)。轉(zhuǎn)向橫拉桿兩端分別與轉(zhuǎn)向齒條和轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連，在拉桿推力和拉力作用下轉(zhuǎn)向節(jié)臂帶動(dòng)輪胎做轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。合理的轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)應(yīng)使賽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中四個(gè)轉(zhuǎn)向輪盡可能做純滾動(dòng)，而不產(chǎn)生側(cè)滑，即四個(gè)轉(zhuǎn)向輪速度的瞬心交于同一點(diǎn)。當(dāng)賽車(chē)后輪不發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，賽車(chē)的轉(zhuǎn)向中心應(yīng)在后輪軸線上，此轉(zhuǎn)向關(guān)系即為理想阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖5所示。

圖5 理想阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

其中α為理想外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，β為理想內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，K為兩主銷中心距，L為輪距。

斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型如圖6所示，依據(jù)此圖可計(jì)算相關(guān)轉(zhuǎn)向參數(shù)。

理想的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為[5]：

圖6 轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角：

外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角：

α0、β0為轉(zhuǎn)向模型設(shè)計(jì)得出的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，而通過(guò)傳感器1、2獲取的是內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際角位移量α1和β1，通過(guò)傳感器3獲取轉(zhuǎn)向機(jī)齒輪的角位移 Φ1，代入（8）式（W= Φ1）中求出 S，然后將 S代入式（5）可以求出α、β，然后用程序算法將每一次獲取的角位移量導(dǎo)入到阿克曼率公式中：

其中齒條單側(cè)行程由方向盤(pán)轉(zhuǎn)角大小決定，齒條單側(cè)行程與方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的關(guān)系為：

計(jì)算出阿克曼率的值，每獲取5次ak，求一次平均值，以減少采集數(shù)據(jù)誤差。求出的阿克曼率，可矯正內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，矯正后可以得到新的關(guān)系曲線。在實(shí)際轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系要與矯正后的關(guān)系曲線具有更高的擬合度，這樣可以使設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有更好的操作性和穩(wěn)定性，在比賽時(shí)才可以發(fā)揮出更優(yōu)越的性能。

4 數(shù)據(jù)傳輸與故障處理

數(shù)據(jù)傳輸模塊選用433 M的無(wú)線傳輸模塊，具有以下特點(diǎn)：433 M為ISM頻段，靈敏度高，透明傳輸且傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，并且在傳輸速度和繞射性能上相對(duì)比較均衡。比賽賽場(chǎng)上，要求數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回，并且傳輸?shù)目垢蓴_性能好，不受距離的影響，采用433 M無(wú)線傳輸，可以有效解決賽場(chǎng)上各種信號(hào)的對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_問(wèn)題，確保了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。MCU將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，利用無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳回從機(jī)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口打印出來(lái)，通過(guò)從機(jī)上的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控賽車(chē)的狀態(tài)，串口打印出的數(shù)據(jù)還可以保存成文本文件，導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。見(jiàn)圖7、圖8.

圖7 采集系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 串口接收數(shù)據(jù)

考慮到競(jìng)賽時(shí)，賽車(chē)在賽場(chǎng)上存在各種不確定因素，定義了兩種主要的故障：角位移傳感器故障、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障，如表2所示。通過(guò)傳回到PC端的數(shù)據(jù)分析，若存在傳感器故障，此時(shí)定義故障等級(jí)為Ⅱ，儀表顯示轉(zhuǎn)向傳感器存在故障，及時(shí)將故障信息反饋給車(chē)手，提醒車(chē)手將賽車(chē)駛?cè)胫付ǖ臋z修區(qū)，進(jìn)行故障排查及檢修；若存在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障，此時(shí)定義故障等級(jí)為Ⅰ，儀表顯示轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障，提醒車(chē)手駛?cè)氡茏寘^(qū)，然后由車(chē)手拍下急停按鈕，切斷低壓回路，在避讓區(qū)等待相關(guān)技術(shù)人員的檢修[6]。必要時(shí)，由該采集系統(tǒng)的控制低壓回路的裝置，故障發(fā)生后主動(dòng)切斷低壓回路，以防止車(chē)手未及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，避免出現(xiàn)安全事故。

表2 故障類型定義

5 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)改變或保持汽車(chē)行駛或倒退方向的一系列裝置，對(duì)汽車(chē)的行駛安全至關(guān)重要。本文提出了一種方程式賽車(chē)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)不同賽況下賽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可對(duì)采集的轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，有利于后期轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)大學(xué)生方程式賽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化也有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。