实车碰撞车速控制系统控制器的设计与实现

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撞击速度控制一直是汽车碰撞试验中最为关键的部分。汽车被动安全性法规中的多项决定性的指标如人体头部伤害指数(HIC)、胸部合成加速度、大腿力等都是同车辆撞击速度有密切关系的,所以必须严格保证撞击速度在允许的偏差范围内[1～4]。在国内首创的橡皮绳弹射实车碰撞速度控制系统中,控制器的设计对整个控制系统的性能起着决定性的作用。在汽车行业中广泛应用的MOTOROLA单片机系统具有卓越的稳定性和丰富实用的功能,该系统配以其它辅助电路,可成功地构建出系统的控制器。经实验验证,设计的控制器能够完成速度的采集和控制算法的实现。
1 车速控制的总体方案
为了解决橡皮绳的时变特性和驱动装置的非线性特性,提高整个系统抵抗滚动阻力干扰的能力,根据橡皮绳弹射碰撞试验系统实际情况,结合清华大学汽车碰撞试验室的实际,速度控制的总体方案如图1所示。

  通过控制橡皮绳拉伸的长度进行“开环”控制,粗略地把速度控制到一定的范围内。通过安装在加速滑车上的传感器、控制器和执行器等构成速度“闭环”控制系统,力图精确、稳定地控制碰撞时的车速。
对于质量为1.5吨的小轿车,在距离加速末端拉伸5m处释放加速,可得到15km/h的车速。由动能定理和等效原理可以计算出在拉伸5m以上情况下,在距离加速末端拉伸5m处与加速末端的速度差:

其中,v1、v22、v21分别为拉伸5m得到的车速、拉伸5m以上时加速末端的速度和在距离加速末端拉伸5m处的速度。若在实车碰撞中v22+v21=100km/h
代入数据可得: v22-v21=2.25km/h
由理论分析和计算结果可以看出:在加速末端速度变化量相对很小,有利于控制调整,但是留给控制系统的时间也很少。闭环系统控制策略为对整个过程的初始阶段不加控制,到加速的末端进行速度的调整和控制。
图2为试验车辆与滑车之间连接的示意图。由于滑车与被测试车辆间只有推力,其非线性特性和动力的时变特性给控制系统的实现增加了难度。“闭环”系统实现的框图如图3所示。

  执行器即为刹车机构,利用轨道和刹车片的摩擦消耗系统的动能来降低加速滑车的速度,导致加速滑车与被测车辆脱离,从而切断被测车辆的动力源,对车速进行控制。
2 控制器的设计实现
2.1 总体设计分析
控制器要求具有复杂计算的能力,而且整个闭环系统需要安装在加速滑车上,工况较恶劣。因此选用单片机作为整个控制器的核心器件,以单片机系统来构建控制器。
根据控制单元的要求,作为控制器核心器件的单片机应具备以下性能:
·有足够大的RAM
·有足够大的EEPROM
·有足够大并方便开发的ROM
·有A/D转换功能
·有串行通讯能力
·有足够强的中断功能
·有很高的稳定性,最好有良好的耐冲击能力
根据以上的性能要求,选择MOTOROLA公司的MC68HC711E9[6]单片机。
为了实现速度采集、状态显示、算法实现和数据处理等功能,所设计的控制器的组成框图如图4所示。

  2.2 速度的测量
在控制系统中,速度的测量精度直接影响最后的控制精度。若用传统的五轮仪方式来测量车速,其滑差和传动迟滞问题将使精度提高到本系统要求的水平变得很困难;若应用超声波测速,其测量距离对于长达70m的加速跑道又显不足。因此采用的速度测量方案为:由记录等距明暗条纹的反射式光电开关完成位移的采集,时间由扩展的单片机内部的计数器来记录,最后速度由单片机计算出来。此新颖的非接触式测量大距离的方法测量精度高、安装简便、成本较低。
作为速度控制系统的控制器,时间的测量精度直接影响控制的精度。采用集成的精度为30×10-6的晶振提供时钟信号,时间测量精度远高于速度测量精度,所以由计数器时钟信号引起的误差可以忽略不计。此外,因为碰撞全程的每一个位移采集点用4字节32位计数器来记录时间的绝对值,所以消除了累积误差。
对于单片机计数器的时钟,出于精度的考虑,选择的分频因子为1。这样用于定时的单片机的计数器的时钟频率与单片机的E时钟信号的频率相同,其时钟周期为即0.5μs。对于单片机本身具有的16位计数器,在上述的时钟周期情况下,计数器每32.77ms溢出一次,本控制器采用4字节来记录时间,系统记录的整个时间长度为:
32.77×64=2097s≈35min
此时间长度可以满足整个碰撞试验过程对时间长度的要求。为了实现上述设计,对于每个位移点,系统用两个字节来表示16位计数器的溢出次数,即为4字节时间值的高16位,此数值的更新由计数器的溢出中断程序来实现。另外两个字节为光电开关经过明暗条纹交界处时16位计数器的数值,即为4字节时间值的低16位,用输入捕捉中断程序来实现。输入捕捉中断程序把输入捕捉中断所记录的16位计数器的数值和计数器的溢出次数存储到每一位移点对应的RAM中。为满足时间的精确性需求,在所有的中断中,计数器的溢出中断优先级最高,输入捕捉中断的优先级次之。
考虑到在试验过程中对计数器记录的时间的一致性需求,计数器的溢出中断和输入捕捉中断之间不希望有中断嵌套发生。用于设置位移标志的条形码产生的中断信号的间距为2cm,对于最高车速为60km/h的试验车辆,其两个输入捕捉中断之间的时间差最小为:
0.02÷60×3.6=0.0012s
在这段时间里共有1200/0.5=2400个E时钟,足可以运行一个输入捕捉中断程序和一个计数器溢出中断程序。因此在车速不超过上述车速时,单片机可以成功地对时间进行记录。
光电的输出电路为集电极开路接口形式,为了与单片机的CMOS输入电路进行连接,利用分压电阻及门电路的输入特性来进行电平变换,设计的位移采集及整型电路示意图如图5所示。

  2.3 其它外围电路
·通讯电路
单片机内部有全双工的串行通信接口,可以直接同计算机进行串行通信。但是单片机的信号是CMOS电平,而计算机的串行口是EIA-RS232C电平,其电平1为-3V～-25V,电平0为+3V～+25V,因此要进行CMOS电平和EIA-RS232电平间的相互转换。本系统采用芯片MAX232进行电平转换。串行通讯方式为全双工,波特率为9600,1个起始位,8个数据位,1个停止位。
为了减少控制电路的元件数量,把MAX232芯片设计在控制器之外单独的一个通讯电路板上。通讯电路由两根电缆分别与控制器和上位PC机连接。
EIA-RS232C是一个功能强大的通用串行通信总线,单片机只有一个输出信号线、一个输入信号线、一个地线,因此只用部分EIA-RS232C的接线。请求发送RTS和允许发送CTS短接,调制解调器就绪DSR和数据终端就绪DTR短接,对应的发送数据线同单片机的数据接收线相,PC机的接收数据线同单片机的发送数据线相连,另外两者共地。
·单片机的工作模式及译码电路
为了增大系统采集的数据量,外扩32K RAM,器件选择HM62256;同时为方便系统设计和译码电路的设计,外扩的ROM也采用32K的容量,器件选择27C256,这样正好分完B和C各8位共16位的64K寻址空间。由于单片机的B口为地址总线和数据总线分时复用,采用74HC373锁存地址信号;地址信号的最高位的电平用来区分RAM和ROM地址信号。
·电源电路
电源使用汽车上常用的12V电池作为电源电压基准,这样有利于驱动电路的能量供给。由于控制器上很多元件的工作电压为+5V,考虑到所使用的元器件中既有模拟电路,又有数字电路,如果使用同一个电源会造成不利影响,因此使用了两个稳压芯片7805和78L05,输出+5V的电源电压。
·推力采集电路
考虑到单片机接口的特性和信号的频谱特征,力传感器和A/D管脚之间加上阻容低通滤波电路。
·信号反馈电路
把单片机的一输出管脚接到发光二极管上,用发光二极管的闪烁频率配以一定的程序来显示系统当前的状态。
·测试信号点
为了方便电路的检测,在控制器上设置了重要信号的输出点,有利于系统的调试和分析。
·驱动电路
把单片机输出的驱动信号进行放大,增强带负载的能力,驱动刹车装置的电磁阀。
3 控制算法及实现
最简单的思想即为只要速度值超过设定值即进行刹车,通过刹车力使得加速滑车与被测车辆分离,使被测车辆在没有动力的情况下自行滑行,直至碰撞壁。此算法实现起来较简单,思路清晰,但滚动阻力干扰将使控制效果和精度不会很高,而且释放位置的不确定性使整个弹射系统对被测车辆的导向能力下降。也可以利用工程上很成熟的PID算法进行控制。由于系统的快速性要求,积分环节被排除在外,PD系数的大小可以在系统调试时具体定出,但是橡皮绳的非线性力学特性和加速滑车的单向力传递特性会使PD算法的效果大大下降[5]。
为了提高控制的精度,控制器首先在算法上实现了对滚动阻力的预测和补偿。这里的滚动阻力是广义的,包含汽车运动过程中坡度阻力、风阻和滚阻等所有的阻力。滚动阻力的干扰是影响系统的控制精度的重要因素,若控制器能够计算和预测出滚动阻力的大小,将大大提高系统的控制精度。
被测车辆的受力分析为:
Mc×a=Ft-Fz
其中,Mc——被测车辆的等效平动质量;
a——被测车辆的加速度,可以由位移经过两次微分得到;
Ft——推动被测车辆的力,可以由力传感器测出;
Fz——滚动阻力。
由上面的公式可以看出,滚动阻力Fz可以计算得到。这样就可以推算出被测车辆在无动力状态下离开加速滑车后的速度降低率,由此提高设定的速度后,得到的速度就会更加精确,有效地抑制了滚动阻力对车速控制的干扰。
为了解决加速滑车与被测车辆间的单向连接引起的非线性特性问题,应限制在加速过程中加速滑车与被测车辆间的间距。控制算法在制动的过程中发现推力传感器推力为零时就停止制动过程,使加速滑车加速至与被测车辆接触。若速度仍然高于设定速度则再进行刹车,这样就保证在大的速度闭环需要动力对被测车辆进行加速时,加速滑车由于与被测车辆间距很小而迅速对被测车辆进行加速,保证了外面大闭环算法的有效性。算法的实现框图见图6。