馮賢超，趙祚喜，可欣榮，胡 煉

（1.鶴山市長(zhǎng)安機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)站 廣東 鶴山 529700；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642）

汽車(chē)方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量必須合適，過(guò)大會(huì)造成轉(zhuǎn)向不靈敏，過(guò)小會(huì)造成轉(zhuǎn)向過(guò)于靈敏容易造成失控。GB7258-2012《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》6.4規(guī)定：1）最大設(shè)計(jì)車(chē)速大于等于100 km/h的機(jī)動(dòng)車(chē)應(yīng)小于等于15°；2）三輪汽車(chē)應(yīng)小于35°；3）其他機(jī)動(dòng)車(chē)小于等于 25°[1]。目前方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量方面主要通過(guò)編碼盤(pán)測(cè)量，如ZL-1L型設(shè)備等，這類(lèi)測(cè)量?jī)x體積大、安裝不便。文中旨在通過(guò)ADIS16300傳感器和cortex-M3處理器，設(shè)計(jì)一種輕便、高精度且低成本的汽車(chē)方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)。

1 慣性傳感器ADIS16300

1.1 ADIS16300功能介紹

ADIS16300 MEMS傳感器是Analog Devices生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)和單軸陀螺儀集成慣性測(cè)量元件，工作溫度范圍為-40～+85℃，工作電壓為 4.75～5.25 V。 可在±180°的全向范圍內(nèi)精確測(cè)量俯仰角和滾動(dòng)角。傳感器經(jīng)過(guò)全面校準(zhǔn)和測(cè)試，可保證三個(gè)軸高度對(duì)齊，并在整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.1°的傾斜測(cè)量精度，且不受安裝方向的影響[2]。ADIS16300采用23 mm×31 mm×7.5 mm模塊封裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。

1.2 ADIS16300數(shù)據(jù)讀取

ADIS16300具有自校正功能，傳感器測(cè)量將原始信號(hào)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)和數(shù)字信號(hào)處理后存入輸出寄存器供外部器件經(jīng)SPI接口讀取。每個(gè)采樣周期結(jié)束后，傳感器測(cè)量結(jié)果存放至輸出寄存器，并且DIO1引腳向器件外產(chǎn)生一個(gè)脈沖，表示一個(gè)完整的新慣性測(cè)量數(shù)據(jù)已經(jīng)采集準(zhǔn)備好，可供外部SPI主控器讀取。從SPI總線上讀取到的傳感器數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù)據(jù)或二進(jìn)制補(bǔ)碼形式的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行解讀才能得到實(shí)際輸出數(shù)值。傳感器輸出的各個(gè)值代表的意義可在ADIS16300數(shù)據(jù)手冊(cè)中的Out Put Register Format查詢[2]，并通過(guò)以下公式進(jìn)行解算：

式中的DATA_Value為寄存器輸出的數(shù)據(jù)；Value為轉(zhuǎn)換后實(shí)際的測(cè)量量的值；Scale為寄存器值最小值代表的最小單位；n為對(duì)應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。

2 方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量原理

ADIS16300能夠測(cè)量包括Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、XYZ三軸的加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其測(cè)量?jī)A角的基本原理是利用重力加速度與其在加速度傳感器測(cè)量軸上的加速度分量，通過(guò)三角函數(shù)關(guān)系，求得傳感器的傾斜角度。測(cè)量的前提條件是保證測(cè)量動(dòng)作平緩，即不要讓ADIS16300受到運(yùn)動(dòng)加速度影響。

2.1 單軸傾角測(cè)量方法

從圖1可以知道，當(dāng)傳感器排放到如圖 1（a）所示位置時(shí)，X軸向加速度分量與重力加速度的關(guān)系為：

圖1 單軸測(cè)量方式Fig.1 Single axis measurement

式中的ax為重力加速度在X軸方向的加速度分量，1g重力加速度，由此可得出傾角為ax和重力加速度1g比值的反正弦，即：

由正弦曲線特性易知，單軸測(cè)量?jī)A角的方法在-45°～45°之間具有良好的精度，但超過(guò)這個(gè)范圍之外的測(cè)量精度下降（正弦曲線斜率變小），且單軸測(cè)量方式無(wú)法做到360°全范圍的傾角測(cè)量[5]。

2.2 雙軸傾角測(cè)量方法

在雙軸傾角測(cè)量方式中，采用兩個(gè)互相垂直的X/Y軸軸向加速度分量，且將傳感器保持在一個(gè)固定的平面上，如圖2（a）中位置。則根據(jù)X軸和Y軸方向的重力加速分量互相垂直的關(guān)系，得到式（4）的關(guān)系：

圖2 雙軸測(cè)量方式Fig.2 Biaxial measurement

式中的ax與ay分別為傳感器通過(guò)測(cè)量所得到的分量值，因而可以得到傳感器在XY平面的傾角為：

這樣，從式（5）得到雙軸傾角測(cè)量方式在360°范圍都可以得到比較高的測(cè)量精度 （需要根據(jù)二個(gè)測(cè)量分量確定象限），并且可以分辨全圓周內(nèi)任何角度，從而解決測(cè)量過(guò)程中的翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。

2.3 方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量的測(cè)量原理

如圖3（a）所示為方向盤(pán)坐標(biāo)分析，因?yàn)槠?chē)轉(zhuǎn)向系要求駕駛員在轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)能有直觀連續(xù)的反饋和穩(wěn)定的輸出，所以汽車(chē)方向盤(pán)會(huì)繞著固定角度的傳動(dòng)軸Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)[7]，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中方向盤(pán)所在的XY平面與傳動(dòng)軸始終保持垂直。

如圖3（b）示，根據(jù)方向盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量可通過(guò)測(cè)量方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，到達(dá)左右極限點(diǎn)t1、t2時(shí)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)傾角 θ1和 θ2，再通過(guò)公式（6）計(jì)算得出方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量θ：

圖3 方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量分析Fig.3 Free rotation measurement analysis

3 方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)ST公司的STMF103VBT6處理器與ADIS16300組建方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)。其中STMF103VBT6是一款高性能低成本的32位cortex-M3內(nèi)核微處理器，有豐富的外設(shè)功能，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC），串口通信（USART）、CAN總線和同步串行接口 （SPI）等[4]，功能強(qiáng)大。

ADIS16300內(nèi)置的SPI通信接口可以實(shí)現(xiàn)與STMF103 VBT6處理器硬件通信，硬件連接如圖4所示。

圖4 STMF103VBT6與ADIS16300的SPI總線連接圖Fig.4 The SPI bus connection diagram

方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)能根據(jù)ADIS16300數(shù)據(jù)迸發(fā)模式[9]，使處理器在連續(xù)的10個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)通過(guò)ADIS16300的DOUT引腳讀取陀螺儀數(shù)據(jù)、XYZ軸數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN總線通信協(xié)議把所有數(shù)據(jù)輸出上位機(jī)上顯示出來(lái)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

如圖5所示，程序啟動(dòng)首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化，接著系統(tǒng)對(duì)ADIS16300寫(xiě)工作指令，設(shè)置ADIS16300的工作模式，然后系統(tǒng)等待接收信號(hào)標(biāo)志，通過(guò)SPI總線接收傳感器發(fā)出的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行解讀出當(dāng)前傾角值，最后通過(guò)CAN總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)至上位機(jī)。

圖5 系統(tǒng)軟件流程框圖Fig.5 Flow chart the software design

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

選用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的ZL-1L型方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量?jī)x作為方向盤(pán)自由轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量對(duì)照。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前先對(duì)方向盤(pán)調(diào)中位，安裝好ZL-1L型設(shè)備于方向盤(pán)上，再將ZL-1L型設(shè)備與ADIS16300固定在同一平臺(tái)上，如圖6所示。

圖6 ZL-1L型設(shè)備與ADIS16300安裝實(shí)物圖Fig.6 ZL-1L and ADIS16300 installation

ADIS16300的XY平面與ZL-1L型設(shè)備的測(cè)量平面平行，ZL-1L型設(shè)備的測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)軸與ADIS16300的Z軸平行。使用ZL-1L型設(shè)備往左施加5個(gè)單位扭矩使得方向盤(pán)轉(zhuǎn)至左自由極限并記錄轉(zhuǎn)動(dòng)角θ1，再往右施加5個(gè)單位扭矩使得方向盤(pán)轉(zhuǎn)至右自由極限并記錄轉(zhuǎn)動(dòng)角θ2，按照公式（6）解算出方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)量θ，將系統(tǒng)解讀的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)量θ和ZL-1L型設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的結(jié)果對(duì)比，如圖7（a）示。

圖7 方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.7 The measurement data comparison

從圖7（a）中可以看出，方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)輸出的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量值與ZL-1L型設(shè)備輸出轉(zhuǎn)動(dòng)值趨勢(shì)基本吻合，其中通過(guò)ADIS16300求解出自由轉(zhuǎn)動(dòng)量平均值為35.43°，ZL-1L型設(shè)備的均值為35.62°，但是ADIS16300輸出數(shù)據(jù)的波動(dòng)較少。實(shí)驗(yàn)中分別進(jìn)行了多組數(shù)據(jù)的測(cè)量，普遍存在：均值和趨勢(shì)基本一致，但ZL-1L型設(shè)備輸出數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的情況。主要原因分析：ZL-1L型設(shè)備使用編碼盤(pán)作為角度測(cè)量傳感器，測(cè)量精度為±2°[8]，本系統(tǒng)使用的ADIS16300傳感器通過(guò)測(cè)量重力加速度在XY軸分量求解角度的方式進(jìn)行測(cè)量，這種方式測(cè)量精度相對(duì)較高，所以在靜態(tài)測(cè)量中結(jié)果波動(dòng)相對(duì)較小。但方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)還是有一定的噪聲的，濾波處理可以得到更好的結(jié)果，ADIS16300內(nèi)部有可編程的低通濾波器，可以方便地實(shí)現(xiàn)這一個(gè)功能，如圖（b）示。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)得的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量通過(guò)跟經(jīng)標(biāo)定的ZL-1L型設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，從數(shù)據(jù)上看是達(dá)到高精度測(cè)量的要求，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)更簡(jiǎn)單，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

通過(guò)ADIS16300內(nèi)置的低通濾波器實(shí)現(xiàn)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)量測(cè)量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的平滑化，數(shù)據(jù)輸出更加穩(wěn)定。

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