基于陀螺儀的汽車列車輪速測量系統*

□ 蔡加加 □ 王 凱 □ 劉 晨 □ 瞿繪軍

揚州中集通華專用車有限公司 江蘇揚州 225000

1 設計背景

公路運輸的快速發展,使具有高效、經濟、高承載等特征的汽車列車越來越受到行業內的重視,汽車列車逐漸成為長途物流的主要車型。汽車列車由具有驅動裝置的牽引車和無驅動裝置的掛車組合而成,由于存在半掛、全掛結構的特殊性,制動過程較為復雜、危險。若牽引車前輪先抱死，將導致車輛失去轉向。若牽引車后輪先抱死，將引起掛車與牽引車折偏。若掛車車輪先抱死，將引起汽車列車擺尾[1]。因此,研究汽車列車的剎車制動協調性，對于汽車列車的安全駕駛、規范操作等具有非常重要的意義。

通過測量記錄汽車列車在剎車過程中的各輪輪速,觀察各輪輪速隨時間變化的規律,并測量各軸的制動協調時間,是一種有效的研究汽車列車制動協調性的方法[2]。另一方面，輪速還是汽車列車性能試驗中的重要參數,與車輛速度、車輪力及力矩、踏板力、制動管道壓力等參數相結合,在汽車列車整車動態性能分析中起重要作用?？梢?設計基于微機電陀螺儀的汽車列車輪速采集系統，準確可靠測量車輪轉速，非常有必要[3]。對此，筆者設計了基于陀螺儀的汽車列車輪速測量系統。

2 系統結構

考慮到汽車列車試驗具有特殊性,如車輛結構特殊，由掛車和牽引車兩部分組成，前后距離跨度較大,車輪數量較多等,傳統的依靠各類傳輸線纜實時將傳感器信號直接輸入數據采集設備的方式不適用于所設計的輪速測量系統[4]?；谕勇輧x的汽車列車輪速測量系統中，每個輪速信號采集模塊都具有無線傳輸和大容量存儲功能,嵌入式主機通過無線方式對各個輪速信號采集模塊發出同步開始與停止命令,實現各個模塊數據采集的同步，采集的數據暫存于存儲模塊中。采集結束后,由嵌入式主機對各個輪速信號采集模塊進行無線數據導出,使系統擺脫傳輸線纜的約束。數據完全導出后,嵌入式主機基于采集到的輪速信息，進行汽車列車剎車制動協調性分析。基于陀螺儀的汽車列車輪速測量系統整體框圖如圖1所示。

3 輪速信號采集模塊

3.1 傳感器單元

目前主要使用光電編碼器作為轉速傳感器進行汽車輪速測量。光電編碼器是一種位置反饋元件,廣泛應用于轉速、轉角的測量系統中，將轉子的旋轉角度以脈沖的形式輸出,旋轉速度正比于脈沖頻率,旋轉角度正比于脈沖數量[5]。光電編碼器具有構造簡單、精度高、抗振動、抗干擾等特點。在使用過程中,光電編碼器既要安裝在車輪處,又要在車輛運動過程中保持與車體相對靜止,這對光電編碼器的安裝固定提出了很高的要求。試驗中經常出現因光電編碼器安裝固定不可靠而導致試驗數據抖動過大的情況[6],增大了試驗數據分析的難度。

陀螺儀是定姿定向應用中的關鍵器件，是航空、航海及太空導航系統中判斷方位的主要設備。目前,微機電系統技術廣泛應用于生物、化學、機械制造等領域,在傳感器的研制中也發揮了重要作用，應用微機電系統技術制成的陀螺儀，具有體積小、靈敏度高等優點。ADXRS649是采用微機電系統技術制造的單片偏航角速度陀螺儀，耗電量低，啟動時間短，測量范圍達-50 000(°)/s～50 000(°)/s。這一陀螺儀轉動時可輸出與軸向角速度成正比的電壓信號,電壓信號經運算放大后,由模數轉換器轉換為數字量，并乘以相應的因數，就可以測出所對應的轉速。陀螺儀電壓信號與車輪的轉速成線性關系，如圖2所示。當陀螺儀達到最大正向轉速時，輸出的電壓約為4.75 V。當陀螺儀達到最大反向轉速時，輸出的電壓約為0.25 V。

將陀螺儀安裝固定在車輪上跟隨車輪轉動,就可以測量出車輛轉速。這樣在傳感器的安裝固定過程中,避免了非跟隨旋轉部分,減小了安裝固定夾具的設計難度,同時提高了固定的可靠性。

3.2 系統電路

系統電路的設計框圖如圖3所示。將陀螺儀輸出的電壓信號經運算放大后輸入單片機模數轉換模塊,經模數轉換后，數據存儲于內置的存儲模塊中。采集結束后，通過串行外圍設備接口將數據傳輸至無線發射模塊,無線發射模塊自動將數據發送至上位機無線接收模塊[7]。上位機接收數據后,對數據進行處理分析。圖3中沒有表示出存儲模塊,因為單片機自身帶有片內存儲器,在數據量不大時可存儲于單片機內部。當試驗時間長、數據量大時,單片機片內存儲空間不足,需要用到片外存儲器。

選用PIC18F252高性能八位單片機,自帶32 KByte片內存儲空間和十位高精度模數轉換器。這一單片機采用精簡指令集結構,使取指令和取數據可同時進行,且由于一般指令線寬于數據線,指令比同類復雜指令集系統單片機包含更多處理信息,執行效率更高,速度更快。

為保證模數轉換精度,需將陀螺儀輸出電壓信號經過運算放大之后再輸送至單片機。運算放大器選用AD8571,采用擴頻、自穩零專利技術,可消除交流應用中斬波函數與信號頻率相互作用所引起的交調效應。

無線發射模塊采用基于NRF2401的透明傳輸模塊。NRF2401是單片射頻收發芯片,工作于2.4～2.5 GHz工業、科學和醫療頻段,芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等,輸出功率、通信頻道可由程序進行配置。芯片能耗非常低,以-5 dBm的功率發射時,工作電流僅為10.5 mA,接收時工作電流僅為18 mA,具有多種低功率工作模式,適合用于節能設計。

片外存儲器采用AT45DB161D,這是帶串行接口的閃存存儲器,是各種數字語音、圖像、數據代碼存儲應用的理想選擇。AT45DB161D支持圖形處理單元數據加速平臺RAPIDS接口,適用于要求高速操作的場合。RAPIDS接口兼容串行外圍設備,最高頻率可達66 MHz。AT45DB161D的存儲容量為17 301 504 bit。

系統電源采用可充電鋰電池,可以保證至少連續工作8 h。電源輸入至穩壓芯片AMS1117-5，輸出+5 V穩定電壓。+5 V電壓輸入至穩壓芯片LM1117-3.3，輸出+3.3 V穩定電壓。+5 V電壓用于單片機、陀螺儀、運算放大器，+3.3 V電壓用于片外存儲器、無線發射模塊。

4 陀螺儀標定

陀螺儀在應用之前需要進行標定,取得其輸出電壓信號與角速度之間的關系[8-9]。筆者利用帶碼盤的單軸轉臺對陀螺儀進行標定。轉臺的內部裝有一臺絕對式光電編碼器,可以實時測量轉臺的轉速。

試驗時，將陀螺儀固定在轉臺的平臺上,注意使陀螺儀工作軸與轉臺轉動軸保持一致,即陀螺儀與轉臺之間無相對運動。同時將轉速數據通過串口發送至上位機進行顯示。陀螺儀標定裝置如圖4所示，陀螺儀標定曲線如圖5所示。由圖5可以看出,陀螺儀曲線和碼盤曲線趨勢相似,求出兩曲線之間的偏移量，即可求出陀螺儀測速的準確值。

基于陀螺儀的汽車列車輪速測量系統最終電壓信號測量值v可以表示為:

v=ηU+ξ

(1)

式中:η為陀螺儀電壓信號與輪速的比例因數；U為實際測得的陀螺儀電壓信號；ζ為陀螺儀修正因數。

5 試驗結果

基于陀螺儀的汽車列車輪速測量系統已在定遠汽車試驗場進行測試。通過對全國29家公司的汽車列車進行剎車制動協調性測試,充分證明了這一測量系統的可靠性。輪速信號采集模塊在試驗中的安裝效果如圖6所示。

應用測量系統得到的原始數據曲線如圖7所示。由圖7可以看出，所采集的輪速數據很平滑,不用經過濾波處理就可以對數據進行分析,降低了數據處理的難度,提高了處理程序的執行效率。利用碼盤測速原理得到的原始數據曲線如圖8所示,由于安裝固定不牢靠,輪速信號采集模塊在汽車列車行駛過程中會出現抖動等情況,使測得的數據有毛刺,需經過濾波處理才能進行數據分析[9]。

6 結束語

筆者設計了基于陀螺儀的汽車列車輪速測量系統，具有安裝方便、固定可靠、測量精確、數據毛刺少等特點。這一測量系統是汽車列車安全性測試中的一個新嘗試,為其它種類汽車輪速的測量提供了一種新思路。隨著微機電系統技術的發展,微機電系統陀螺儀的性價比越來越高,使這一測量系統有一定的推廣價值。在后續試驗工作中,可以通過標定對陀螺儀的零漂和溫漂進行補償,使測量結果更加精確。