基于加速度传感器的机动车制动性能监测系统

摘要：针对目前机动车制动性能中检测依靠车管部门强制检测所带来的检测周期长、自主检测能力差的问题，利用三轴传感器的特性结合改进的向后积分算法实时检测机动车的制动性能信息并通过移动网络发送测试数据。简述了系统的硬件组成与操作流程。该系统功能齐全、成本低廉、安装方便具有较好的经济与社会效益。

机动车的制动系统是其安全运行的重要保障，其性能是否合格直接关系到机动车驾乘人员的人身财产安全，因此国家制定了GB7258—2012(机动车运行安全技术条件)以及GB12676—1999(汽车制动系统结构、性能和试验方法》对制动系统检测提出了明确的检验方法和技术指标。机动车制动系包括行车制动、驻车制动以及应急制动，我们日常主要检测行车制动性能。GB7258中规定了两种行车制动性能检测方法即路试检验和台式检验，其中路试法因为更具综合性，更贴近于实际情景，所以在实际检测中应用最广。路试检验行车制动性能的关键指标主要有制动距离、充分发出的平均减速度(MFDD)、制动初速度、制动协调时间。

目前整车制动性能检测通常使用五轮仪或非接触式测速传感器来测量制动距离，测试过程繁琐，不利于常态化监测。采用加速度传感器可以准确地记录制动过程中的制动加速度，结合相应的算法可以得到制动距离等参数。三轴加速度传感器可以同时记录制动过程中机动车行进方向、水平方向以及机动车的纵向加速度。通过对三轴向加速度数据的处理可以去除制动开始过程中的点头误差，震动误差等对制动检测结果的干扰。针对目前制动性能检测依赖于交通管理部门每年强制性检测所带来的检测间隔周期长、自主性检测能力差的问题，提出了联网检测的形式。通过改进后的制动性能检测仪可以定时，定性的对车辆的制动性能进行检测的同时将检测结果上报管理部门，并可由上级部门控制仪器进行实时检测，从而形成从检测到监管的闭环网络，极大地提高了对车辆安全监测的透明性，实时性。在客运公司，危险品运输等对车辆安全有较高要求的单位具有较好的社会效益和经济效益，具有良好的市场前景。

1 系统硬件设计

1.1 硬件结构原理

系统主要由三轴加速度传感器、微控制器(MCU)、踏板力传感器、3G模块、铁电存储器等组成，硬件组成框图如图1所示。

系统每轮检测以踏板开关踩下为开始信号，单片机的AD(数模转换)模块开始对踏板力传感器输入的模拟信号进行转换处理，与此同时通过I2C接口读取加速度传感器的加速度数据。进人数据处理程序后，分析整个制动过程，并计算机动车在制动过程中的制动初速度、制动时间、制动距离，充分发出的平均减速度(MFDD)、制动协调时间(BCT)等参数。并与规定数值比较，得到本次制动性能检测的最终结果。将基础数据与检测结果存储于铁电存储器内后，通过3G模块EM770W将结果上传到监控终端，并可根据上位机的要求上传基础数据，以便供进一步分析处理。在接收完上位机指令后把指令存储在存储器内，以备下一次检测。

1. 2 加速度传感器选型及接口设计

路试测试中，加速度数据是计算制动初速度、制动距离、MFDD等关键参数的基础，因而需要选择合适的加速度传感器及适当的算法。目前市场上的便携式制动测试仪普遍采用单轴或双轴加速度传感器。因而在测试过程中对于仪器的放置有着严格的要求，必须将一个方向与车辆行驶方向重合。这给检测带来了很大的不便，同时由于在制动过程开始时存在点头误差以及路边的颠簸导致的车辆整体晃动或者抖动直接影响测量结果。选用三轴加速度传感器可以随便放置，由于计算的是三轴的和加速度，从而降低点头误差及路面颠簸对测试结果的影响。

1.2.1 三轴MEMS加速度传感器选型

加速度传感器采用飞思卡尔的MEMS三轴数字输出加速度传感器MMA8451Q。MMA8451Q具有可配置的量程(±2g/±4 g/±8 g)、可配置的分辨率(14位、12位、10位)和嵌入式功能，可以通过相应的寄存器配置实现精确的运动状态分析。同时具有低功耗的设计，可以根据实际需求配置采样速率，拥有六种用户可配置的数据输出速率，采样速率范围从1.5～800 Hz，具备休眠和唤醒模式，最低工作电流只有6 μA。MMA 8451Q具有两个可编程中断引脚，可供七个中断源使用，通过I2C接口与控制器通信，工作电压1.95 V～3.6 V，接口电压1.6 V～3.6 V，采用3 x3 x 1mm的QFN小型封装。其与MSP430的连接如图2所示。

1. 3 踏板力传感器选型及接口设计

《机动车运行安全技术条件》中对液压制动系的机动车的踏板力大小提出了明确要求，其最大合格压力值为700 N。因而踏板力传感器的量程选择为0～1 000 N。踏板力传感器选用的是北京龙鼎科技的LDCZL～TL，该踏板力传感器是电阻应变片式传感器，可以进行压向力测试，输出对称性好。具有测量精度高、结构紧凑、稳定性能好、温度漂移小等特点。其体积呈扁平状态，可灵活方便地装于汽车踏板上，采用孔幅结构，具有先天的抗踩踏的偏置力且体积小、抗振能力强、输出电压信号。工作电压在±10 V DC，灵敏度1.5 mV/V，可以满足系统的测试精度要求。

由于踏板力传感器安装在汽车踏板上，靠近发动机、启动电机等强干扰源。并且由于驾驶员和各测试项目的要求不同，电桥的输出信号变化范围大，要求信号检测电路具有低噪声、低零漂、高抗噪、增益大范围可调等性能，根据以上要求选择仪表放大器AD623作为踏板力信号放大器。AD623是集成的单电源仪表放大器，其通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比(AC CMRR)而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200 Hz时仍保持恒定而受到抑制。

它能够在单电源(+3 V～+12 V)下提供轨对轨输出，允许通过增益调节电阻进行增益编程，从而具有良好的灵活性，其增益最高可达1000倍，增益调节电阻大小由下式求得：

RG=100 kΩ/(G-1)

踏板力传感器信号调理电路如图3所示。

1.4 微控制器选型

为了设备能够在多种情景下工作，采用两路供电，通过开关选择，一路由锂电池供电，一路由汽车内部12 V DC直接供电。同时为了满足持续监控的使用要求，选择支持超低功耗的MSP430系列单片机，其拥有4种省电模式，其中LPM4的最低工作电流只有0.1μA，可以通过内部指令在不同工作模式下快速切换，因而MSP430系列单片机在电池供电的情况下拥有极大的优势。

MSP430系列是16位混合信号处理器，其拥有丰富的片上外围模块，片内有硬件乘法器、两个具有PWM功能的16位定时器、一个14路的12位的模数转换器。MSP430可以提供内置参考电压源(2.5 V)、一个看门狗定时器、两路USART通信端口、一个比较器并且支持8 M的时钟。同时

MSP430拥有丰富的具有中断功能的I/O端口，并拥有大容量的Flash和RAM。

综上所述，MSP430拥有的丰富资源可以简化系统的电路设计，缩短开发时间，降低系统成本，其低功耗特性更是能够提高系统的便携性，因而使用其作为制动性能监测系统的处理器。

2 软件及算法设计

系统以三轴加速度传感器为核心，系统开机后从存储器上读取上次检测后上位机发回的指令及数据存储的末地址，在踏板力传感器被踩下后，进入加速度数据与踏板力数据采集阶段，并同时通过MSP430内部定时器对制动过程计时，采集数据的同时，记录该数据的采集时间点。在制动过程完成后，通过相应的数据处理程序计算制动过程中的踏板力、平均制动减速度等参数并将测试数据发回到上位机进行数据分析、图形化显示及记录等操作。下位机等待上位机的控制指令，收到指令后将之存储于存储器中，完成后返回预读系统初值状态，至此完成一次闭环检测与上报。

2.1 系统主程序设计

软件设计采取模块化的思想，系统由数据采集模块，系统控制模块，数据传输模块组成，系统流程图如图4。

2.2 数据处理算法设计

系统自踏板力传感器检测到压力且超过阀值时开始采集加速度信号。由于踏板力在制动开始阶段未达到最大值，故而在制动开始后，利用定时器开关中断以10 Hz的频率采集踏板力数据。同时从加速度传感器读取加速度数据。数据采集在连续采集到10组低于0.1g的加速度数据后停止，进入数据处理流程，计算制动初速度，平均制动减速度，制动距离等参数。

机动车制动过程可以分成三个部分，如图5所示，分别为t1：机械反应时间;t2：制动力增长时间;t3：制动力持续时间。机械反应时间t1以踏板力采集到踩踏的时间开始持续到制动力开始上升为止。制动力增长时间t2是指制动减速度由0上升到稳定制动阶段所需要的时间。t2结束点作为制动力持续时间t3的开始点，由图5可知在制动完成时，由于机动车前后轻微抖动，会产生负的加速度，将这个点作为制动完成点。

在机动车制动过程中，从制动踏板被踩下到制动生效有较长的制动准备时间，这给整个制动过程中的制动初速度，制动距离等变量带来了较大的累积误差。因而制动关键参数采取分段计算求得，从制动结束点向后数值积分。t1阶段可以视为匀速运动故而S1=vD·t1，t2阶段由于是变减速运动，故

但是根据实际检测证明，在t2阶段机动车也可以视为匀速运动。因而可以简化运算S2=v0·t2，制动力持续阶段也属于变减速运动，同时在向后积分的情况下，存在误差累积的情况且采样速度较快时采样间隔误差也会对减速度大小造成较大误差。因而采取N次平滑法，N次平滑后使采样间隔△t基本相等，从而可以用累积求和的方法直接求出行进距离与初始速度。

2.3 上位机监测与处理程序

上位机系统采取B/S/S(Browser客户端浏览器/WebServer网络服务器/Database Server)结构设计。下位机通过3G网络将测试数据以报文形式发送到服务器，经由服务器解码处理后存入数据库，同时系统管理员以及机动车驾驶人员可以通过不同级别账户登录网页实时查询制动系统情况。在制动性能数据处于临界值或者不合格时，将相应车辆信息加入警告窗口，并通知管理部门同时向驾驶人员发布报警短信，从而达到实时监控，将危险因素抑制于初发阶段的目的。

3 结束语

文中设计了一个机动车制动性能监测系统，该系统基于3G网络利用多维加速度传感器等检测出机动车制动过程中的平均制动减速度，制动时间，制动距离等关键参数并经由3G网络向服务器发送检测结果。为了简化系统安装使用，采用了高性能且低功耗的处理器设计成便携便安装结构，从而可以方便快捷地实时监测机动车的制动系统的安全状态。系统具有功耗小，实时性强、安装方便简单、实用性强同时具有较好的经济效益与社会效益，尤其对于降低因制动系统故障导致的交通事故数目具有较大的帮助。