一种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：