基于智能傳感器技術(shù)的載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置研究設(shè)計(jì)

劉麗敏，陳立旦，陳超龍，董雨燕，岳洪偉

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，310018，浙江杭州）

隨著我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)和交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)載貨汽車(chē)市場(chǎng)呈現(xiàn)出繁榮的景象，2021年末全國(guó)載貨汽車(chē)擁有量達(dá)1 173.26 萬(wàn)輛，比上年末增加5.7%。與此同時(shí)，交通事故也時(shí)有發(fā)生，其中由載貨汽車(chē)側(cè)翻引起的事故發(fā)生率已僅次于碰撞事故。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021 年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)交通事故發(fā)生數(shù)量為211 074 起，造成61 703 人死亡、250 723人受傷。側(cè)翻事故是貨車(chē)交通事故中較常見(jiàn)的類(lèi)型之一，如果此類(lèi)事故發(fā)生在車(chē)流量較大的路段，常會(huì)造成周?chē)⌒蛙?chē)輛的車(chē)毀人亡和行人的傷亡。因此，研究造成貨車(chē)側(cè)翻事故的原因，并對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用智能傳感器技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控，對(duì)減少交通事故傷亡、保障交通安全有著重要意義。

1 智能傳感器概述

智能傳感器最初是由美國(guó)宇航局（NASA）在開(kāi)發(fā)宇宙飛船的過(guò)程中提出的，并于1979 年形成產(chǎn)品。目前全球?qū)χ悄軅鞲衅鬟€沒(méi)有統(tǒng)一的科學(xué)定義[1]。中國(guó)在2017 年制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33905-2017 把智能傳感器定義為：具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測(cè)量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器[2]。智能傳感器不僅具備傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，還有信息采集處理和自動(dòng)交換信息的能力，是一種集成傳感器。其結(jié)構(gòu)一般包含電源單元、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、人機(jī)接口、通信接口和電輸出子系統(tǒng)等。其中傳感器子系統(tǒng)將被測(cè)的物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)調(diào)理和數(shù)字化后傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要功能是為人、通信接口和（或）電輸出子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用提供并處理被測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 貨車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn)度量指標(biāo)

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究[3-7]，選取貨物載荷量、懸架位移和輪胎垂直載荷為測(cè)量物理量，通過(guò)采用載荷傳感器、懸架位移傳感器及胎壓傳感器作為信息采集裝置，結(jié)合三者的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷車(chē)輛是否存在側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。若有側(cè)翻危險(xiǎn)，防傾裝置通過(guò)控制ABS 執(zhí)行器對(duì)貨車(chē)進(jìn)行制動(dòng)減速控制，并通過(guò)控制轉(zhuǎn)向助力電機(jī)控制貨車(chē)轉(zhuǎn)向角度，有效減小載貨車(chē)側(cè)翻的可能性。

3 貨車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置是以AT89C51單片機(jī)為核心的基于智能傳感器技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊、MCU 控制模塊、復(fù)位模塊、智能傳感器模塊、報(bào)警模塊與執(zhí)行控制模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊的電源由車(chē)載低壓蓄電池供應(yīng)，電源模塊將電源分為三路輸出。智能傳感器模塊由胎壓傳感器、懸架位移傳感器和載荷傳感器構(gòu)成。報(bào)警模塊由燈光報(bào)警系統(tǒng)和語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)組成。執(zhí)行控制模塊由轉(zhuǎn)向助力電機(jī)與ABS 執(zhí)行器組成。

4 貨車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置工作原理

轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置設(shè)計(jì)工作原理是：工作時(shí)，首先，根據(jù)載荷傳感器的信號(hào)來(lái)判斷貨車(chē)的載貨情況，貨車(chē)載貨情況可分為空載、中載、滿(mǎn)載、超載四種情況，并根據(jù)不同載貨情況在MCU 控制模塊中設(shè)定不同的動(dòng)作閾值；其次，依據(jù)胎壓傳感器所采集的胎壓信號(hào)，判斷車(chē)身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；再次，為了進(jìn)一步提高防控裝置的判斷可靠度，在胎壓信號(hào)變化的基礎(chǔ)上，融入懸架位移傳感器的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，綜合判定車(chē)輛的側(cè)傾狀態(tài)；最后，MCU 控制模塊依據(jù)接收的信號(hào)，作出合理的判斷，若貨車(chē)有側(cè)翻危險(xiǎn)，在啟動(dòng)報(bào)警模塊工作、警示駕駛員的同時(shí)，發(fā)指令給執(zhí)行控制模塊，控制ABS 執(zhí)行器和轉(zhuǎn)向助力電機(jī)工作，對(duì)車(chē)輪進(jìn)行制動(dòng)減速和轉(zhuǎn)向控制，調(diào)整貨車(chē)的側(cè)傾狀態(tài)。其控制原理框圖如圖2 所示。

圖2 控制原理框圖

5 貨車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置硬件設(shè)計(jì)

5.1 電源模塊

載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置的電源模塊由車(chē)載低壓蓄電池提供電源，電源模塊將電源分為三路輸出：第一路DC+24 V 經(jīng)過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓轉(zhuǎn)換成DC+12 V 電壓，輸送給懸架位移傳感器、胎壓傳感器和載荷傳感器；第二路DC+24 V 經(jīng)過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓轉(zhuǎn)換成DC+5 V 電壓，輸送給MCU 控制模塊；第三路DC+24 V 直接輸送給報(bào)警模塊和執(zhí)行控制模塊。

5.2 MCU 控制模塊

選取AT89C51 單片機(jī)為該裝置的核心控制模塊，根據(jù)三組不同傳感器輸入的電信號(hào)的不同值，通過(guò)內(nèi)置程序邏輯計(jì)算判斷，發(fā)出指令控制執(zhí)行模塊工作，在貨車(chē)處于側(cè)傾時(shí)，自動(dòng)制動(dòng)減速和調(diào)整轉(zhuǎn)向角度，輔助調(diào)整車(chē)身實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定車(chē)身的目的。

5.3 智能傳感器模塊

智能傳感器模塊共由4 個(gè)胎壓傳感器、2 個(gè)懸架位移傳感器與2 個(gè)載荷傳感器組成。胎壓傳感器分別安裝在前后輪輪胎內(nèi)，前后左右各一個(gè)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器將監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU 控制模塊；懸架位移傳感器安裝于減震器上，左右各一個(gè)，與減震器相連，根據(jù)貨車(chē)側(cè)傾時(shí)懸架彈性元件會(huì)壓縮的原理，對(duì)貨車(chē)懸架壓縮量實(shí)施數(shù)據(jù)采集；載荷傳感器安裝于貨車(chē)后輪側(cè)貨箱支架上，左右各一個(gè)，貨車(chē)載貨量不同，質(zhì)心位置不同，會(huì)直接影響其側(cè)翻的速度，因此本裝置采用載荷傳感器來(lái)檢測(cè)貨車(chē)的運(yùn)輸重量和質(zhì)心位置的變化，根據(jù)空、中、滿(mǎn)、超載情況設(shè)定相應(yīng)的動(dòng)作閾值，提高對(duì)貨車(chē)側(cè)翻控制的有效性和可控性。

5.4 報(bào)警模塊

燈光報(bào)警裝置和語(yǔ)音報(bào)警裝置共同組成報(bào)警系統(tǒng)，與MCU 控制模塊進(jìn)行線(xiàn)性連接，提示駕駛員車(chē)輛存在側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。

5.5 執(zhí)行控制模塊

MCU 控制模塊發(fā)出指令對(duì)執(zhí)行控制模塊即轉(zhuǎn)向助力電機(jī)與ABS 執(zhí)行器實(shí)行控制，由MCU 控制模塊經(jīng)CAN 線(xiàn)通信分別對(duì)原貨車(chē)中轉(zhuǎn)向助力控制系統(tǒng)ECU 和ABS 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)ECU 進(jìn)行工作控制。各執(zhí)行控制元件工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 各執(zhí)行元件工作狀態(tài)

5.6 復(fù)位模塊

復(fù)位模塊是為了特殊情況下保證MCU 控制模塊正常可靠地工作而特別設(shè)計(jì)的輔助模塊。本復(fù)位模塊采用MAX813 看門(mén)狗電路對(duì)MCU 控制模塊工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用定時(shí)器來(lái)監(jiān)控主程序的運(yùn)行，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)對(duì)定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位。若出現(xiàn)控制程序死循環(huán)，那么經(jīng)設(shè)定時(shí)間后就會(huì)對(duì)控制模塊進(jìn)行復(fù)位和重啟。

6 貨車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置整體布局

載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置主要元器件整體布局如圖3 和圖4 所示。其中包括：懸架位移傳感器（2個(gè)）、前輪胎壓傳感器（2 個(gè)）、載荷傳感器（2 個(gè)）、后輪胎壓傳感器（2 個(gè)）、燈光報(bào)警系統(tǒng)、語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向助力電機(jī)、ABS 執(zhí)行器、MCU 控制模塊。

圖3 裝置主要元件整體布置主視圖

圖4 裝置主要元件整體布置俯視圖

7 結(jié)語(yǔ)

載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向側(cè)傾實(shí)時(shí)防控裝置的研究設(shè)計(jì)，主要采用了三種不同類(lèi)型的智能傳感器對(duì)載貨汽車(chē)進(jìn)行三方面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用載荷傳感器檢測(cè)載貨汽車(chē)載荷狀態(tài)，輪胎胎壓傳感器與懸架位移傳感器檢測(cè)載貨汽車(chē)具體運(yùn)動(dòng)狀況，轉(zhuǎn)換信號(hào)后輸入MCU 控制模塊，MCU 控制模塊經(jīng)過(guò)運(yùn)算作出合理的判斷，發(fā)出合適的指令控制報(bào)警模塊、執(zhí)行控制模塊進(jìn)行工作，通過(guò)語(yǔ)音和燈光提示駕駛員減速和緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，同時(shí)控制轉(zhuǎn)向助力電機(jī)與ABS 控制器的工作，為防止載貨汽車(chē)側(cè)翻提供保障，從而有效降低載貨汽車(chē)側(cè)翻的可能性。