双轴加速度计的汽车侧翻预警电路设计＊

周美丽，白宗文

（延安大学 物理与电子信息学院，延安716000）

周美丽（讲师）、白宗文（副教授），研究方向为数字图像处理、电子系统设计。

引 言

随着汽车保有量的增加以及汽车行驶速度的不断提高，汽车的行驶安全性越来越受到关注，目前基于各类传感器和信息处理系统的车辆运行姿态监测系统逐步应用于各类汽车当中，通过传感器及时获取车辆运动状态并及时做出判断是智能汽车的重要发展方向，其中汽车侧翻预警是其中之一［1］。依据美国公路交通安全管理局（NHTSA）统计数据显示，车辆侧翻事故危害程度位居第二［2］，仅次于车辆碰撞引起的事故。北美与欧洲交通事故统计结果显示，汽车侧翻占产生人身伤害交通事故比例的5%，是产生人员死亡的交通事故比例的20%。如何减少车辆行驶情况下的侧翻已经成为汽车安全必须考虑的重要问题［3］，因此，体积小、便携式、成本低的汽车防侧翻预警系统具有重要应用价值。

1 理论分析

引起汽车侧翻的因素多，主要包括汽车机构、驾驶员和道路条件，近年来国内外学者和汽车厂商对整车抗侧翻能力进行了广泛研究［4］，其中Jang yeol Yoon和KyongsuYi提出了基于倾角速度的来测量倾角动态相平面的分析方法［5－6］，本文 采 用 参 考 文 献［7］提 出 的 模 型，综 合 考 虑悬架和轮胎形变等因素。

首先将汽车简化为3个自由度：分别沿y轴的侧向运动、绕z轴的横摆运动和绕x的侧倾运动。图1为汽车侧翻受力模型，Ms表示车厢，车厢的侧倾导致质心偏移就会改变汽车自重的抗侧翻能力，造成侧翻阈值减小。

忽略车桥的质量，可得

当Fzlt＝0时，汽车开始侧倾，可得：

其中，φ＝Rφac，ac为汽车开始侧倾时所受的侧向加速度，也称为汽车侧倾加速度阈值；h表示重心到地面的距离，hr表示侧翻中心到地面的距离；t为两轮间距；Rφ表示侧翻刚度，取决于侧倾角φ和侧向加速度ac。当ac达到最大值时，汽车发生侧翻，因此可以及时获取φ和ac，若及时采取措施，则可预防汽车侧翻。

图1 汽车侧翻受力模型

2 系统设计

通过以上分析可知，汽车侧翻主要由侧向加速度、轴向加速度、轮距、重心到地面的高度等参数决定，则可分别实时测出这些参数，利用式（1）力学模型进行分析计算，预测汽车运行状态。对于给定型号的小汽车，轮距和重心到地面的高度可视为已知条件，因此，只需要测量出侧向加速度和轴向加速度就可以计算出汽车运行状态。

本设计中加速度测量选用双轴加速度计ADXL203［8－9］，实时测量汽车轴向和纵向加速度。轮距、重心到地面高度、承载重量等固定参数，采用4×4薄膜键盘设置，微控制器采用MSP430F149，实时接收并处理以上输入信息。为减少对驾驶员的干扰，在危险发生前，采用语音方式提示驾驶员采取相应措施。LCD 显示屏选用彩色液晶显示屏，完成用户输入交互。存储器记录一段时间汽车运行状态，以便于用户分析。电源电路、键盘电路和语音提示、LCD等模块采用电子系统常见电路模块，本文不再赘述。系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

3 倾斜测量电路设计

倾斜测量电路是汽车防侧翻预警电路的核心，需要高速、精确、实时处理汽车行驶姿态信号。倾斜测量电路如图3所示，根据系统设计需要，采用ADI公司的双轴加速度计ADXL203，它是一款多晶硅表面微加工传感器，内部集成了信号调理电路，在汽车运动时X 轴或Y 轴方向的加速度可以动态地在器件Xout或Yout端输出以相应的电压信号。

图3 双轴倾斜测量电路

加速度传感器工作原理是使用重力作为输入矢量来确定空间中物体的方向。该传感器为表面微加工多晶硅结构，置于晶圆顶部，多晶硅弹簧悬挂于晶圆表面的结构之上，提供加速度力量阻力。

差分电容由独立固定板和活动质量连接板组成，能对结构偏转进行测量。固定板由180°反相方波驱动，加速度使梁偏转，使差分电容失衡，从而使输出方波的幅度与加速度成比例。然后，使用相敏解调技术来对信号进行整流并确定加速度的方向。

由于加速度传感器输出的电压信号瞬变，因此需要选择运行速度快、可以捕捉瞬变信号的高性能运算放大器。因此，本文选择具有低失调电压、低偏置电流、低噪声的轨到轨输入／输出的AD8608四通道运放，实现信号调理，图3中的A1～A4表示AD8608的4个通道。

信号采集与调理完成后需要进行数字化处理，然后输入到微控制器进行处理，A／D 转换的精度和速度为关键因素，为了处理加速度计输出的数据并计算出角度，需确定ADXL203的输出电压范围并将其与ADC输入电压范围进行比较。

AD7887的输入电压范围为0～3.3V，ADXL203的理想输出电压范围为1.5～3.5V。故该电路选择高速低功耗的12位SAR型A／D转换器AD7887，其采样率达到了125ksps，转换工作频率可达2.5 MHz。

本电路在倾斜度90°范围内可达到0.01的精度，系统设计时全部采用低功耗、小封装尺寸器件，因此本电路系统具有高精度、高性能、低成本、小尺寸的特征。

4 实验与结果分析

如图4所示，X轴上的重力矢量投影会产生输出加速度，大小等于加速度计X 轴和水平面之间夹角的正弦值。水平面通常是与重力矢量正交的平面，当重力为理想值1g时，输出加速度为：

则：

对于双轴倾角，则可利用以下公式进行计算：

图4 双轴倾斜测量加速度与倾斜角度的关系

结 语

利用ADXL203双轴加速度传感器实时采集标识汽车运行状态信号的X 轴输出和X 轴输出，并对信号经调理、转换后传送至微控制器，利用力学理论模型分析引起汽车侧翻的各参数之间的关系，预判汽车侧翻的可能性，并及时给出提示信息。

如表1所列，该系统角度测量范围为－90°～90°，误差范围为－0.03°～0.03°，实现了高精度测量。

表1 测量数据

该系统具有寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点，且电路结构简单，能精确测量转动物体的偏转角度，可广泛应用于各种惯性测量系统，具有较高的应用价值。

［1］金智林，翁建生，胡海岩.汽车侧翻预警及防侧翻控制［J］.动力学与控制学报，2007（10）：365－368.

［2］赵严强，王思凡，杨志.汽车防侧翻预警系统研究［J］.产业与科技论坛，2011（14）：68－69.

［3］岑达希，胡树根.基于LTR 的汽车差动制动防侧翻动力学研究［J］.机电工程，2011（5）：532－535.

［4］宋小文，李杰，王松.一种改进的汽车侧翻模型及其应用研究［J］.汽车工程，2009（10）：971－975.

［5］Jangyeol Yoon，Kyongsu Yi.A Rollover Mitigation Control Scheme Based on Rollover Index［C］／／Proceedings of the 2006American Control Conference，USA，2006.

［6］Aleksander Hac.Rollover Stability Index Including Effects of Sus－Pension Design［EB／OL］.［2015－01］.http：／／www.hindawi.com／journals／mpe／2013／750896／.

［7］李冬临，林土胜.轮胎加速度传感器的汽车制动性能监测分析［J］.传感器与微系统，2006（5）：15－17.

［8］Chen Bo，Peng H.Rollover warning for articulated heavy verhicles based on a time rollover metric［J］.Transaction of the ASME，2005，127（9）：406－414.

［9］鹿麟，林凌.ADXL203 型双轴加速度计在倾斜度测量中的应用［J］.国外电子元器件，2007（7）：62－64.