基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统*

□ 蔡加加 □ 王 凯 □ 刘 晨 □ 瞿绘军

扬州中集通华专用车有限公司 江苏扬州 225000

1 设计背景

公路运输的快速发展,使具有高效、经济、高承载等特征的汽车列车越来越受到行业内的重视,汽车列车逐渐成为长途物流的主要车型。汽车列车由具有驱动装置的牵引车和无驱动装置的挂车组合而成,由于存在半挂、全挂结构的特殊性,制动过程较为复杂、危险。若牵引车前轮先抱死，将导致车辆失去转向。若牵引车后轮先抱死，将引起挂车与牵引车折偏。若挂车车轮先抱死，将引起汽车列车摆尾[1]。因此,研究汽车列车的刹车制动协调性，对于汽车列车的安全驾驶、规范操作等具有非常重要的意义。

通过测量记录汽车列车在刹车过程中的各轮轮速,观察各轮轮速随时间变化的规律,并测量各轴的制动协调时间,是一种有效的研究汽车列车制动协调性的方法[2]。另一方面，轮速还是汽车列车性能试验中的重要参数,与车辆速度、车轮力及力矩、踏板力、制动管道压力等参数相结合,在汽车列车整车动态性能分析中起重要作用。可见,设计基于微机电陀螺仪的汽车列车轮速采集系统，准确可靠测量车轮转速，非常有必要[3]。对此，笔者设计了基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统。

2 系统结构

考虑到汽车列车试验具有特殊性,如车辆结构特殊，由挂车和牵引车两部分组成，前后距离跨度较大,车轮数量较多等,传统的依靠各类传输线缆实时将传感器信号直接输入数据采集设备的方式不适用于所设计的轮速测量系统[4]。基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统中，每个轮速信号采集模块都具有无线传输和大容量存储功能,嵌入式主机通过无线方式对各个轮速信号采集模块发出同步开始与停止命令,实现各个模块数据采集的同步，采集的数据暂存于存储模块中。采集结束后,由嵌入式主机对各个轮速信号采集模块进行无线数据导出,使系统摆脱传输线缆的约束。数据完全导出后,嵌入式主机基于采集到的轮速信息，进行汽车列车刹车制动协调性分析。基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统整体框图如图1所示。

3 轮速信号采集模块

3.1 传感器单元

目前主要使用光电编码器作为转速传感器进行汽车轮速测量。光电编码器是一种位置反馈元件,广泛应用于转速、转角的测量系统中，将转子的旋转角度以脉冲的形式输出,旋转速度正比于脉冲频率,旋转角度正比于脉冲数量[5]。光电编码器具有构造简单、精度高、抗振动、抗干扰等特点。在使用过程中,光电编码器既要安装在车轮处,又要在车辆运动过程中保持与车体相对静止,这对光电编码器的安装固定提出了很高的要求。试验中经常出现因光电编码器安装固定不可靠而导致试验数据抖动过大的情况[6],增大了试验数据分析的难度。

陀螺仪是定姿定向应用中的关键器件，是航空、航海及太空导航系统中判断方位的主要设备。目前,微机电系统技术广泛应用于生物、化学、机械制造等领域,在传感器的研制中也发挥了重要作用，应用微机电系统技术制成的陀螺仪，具有体积小、灵敏度高等优点。ADXRS649是采用微机电系统技术制造的单片偏航角速度陀螺仪，耗电量低，启动时间短，测量范围达-50 000(°)/s～50 000(°)/s。这一陀螺仪转动时可输出与轴向角速度成正比的电压信号,电压信号经运算放大后,由模数转换器转换为数字量，并乘以相应的因数，就可以测出所对应的转速。陀螺仪电压信号与车轮的转速成线性关系，如图2所示。当陀螺仪达到最大正向转速时，输出的电压约为4.75 V。当陀螺仪达到最大反向转速时，输出的电压约为0.25 V。

将陀螺仪安装固定在车轮上跟随车轮转动,就可以测量出车辆转速。这样在传感器的安装固定过程中,避免了非跟随旋转部分,减小了安装固定夹具的设计难度,同时提高了固定的可靠性。

3.2 系统电路

系统电路的设计框图如图3所示。将陀螺仪输出的电压信号经运算放大后输入单片机模数转换模块,经模数转换后，数据存储于内置的存储模块中。采集结束后，通过串行外围设备接口将数据传输至无线发射模块,无线发射模块自动将数据发送至上位机无线接收模块[7]。上位机接收数据后,对数据进行处理分析。图3中没有表示出存储模块,因为单片机自身带有片内存储器,在数据量不大时可存储于单片机内部。当试验时间长、数据量大时,单片机片内存储空间不足,需要用到片外存储器。

选用PIC18F252高性能八位单片机,自带32 KByte片内存储空间和十位高精度模数转换器。这一单片机采用精简指令集结构,使取指令和取数据可同时进行,且由于一般指令线宽于数据线,指令比同类复杂指令集系统单片机包含更多处理信息,执行效率更高,速度更快。

为保证模数转换精度,需将陀螺仪输出电压信号经过运算放大之后再输送至单片机。运算放大器选用AD8571,采用扩频、自稳零专利技术,可消除交流应用中斩波函数与信号频率相互作用所引起的交调效应。

无线发射模块采用基于NRF2401的透明传输模块。NRF2401是单片射频收发芯片,工作于2.4～2.5 GHz工业、科学和医疗频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等,输出功率、通信频道可由程序进行配置。芯片能耗非常低,以-5 dBm的功率发射时,工作电流仅为10.5 mA,接收时工作电流仅为18 mA,具有多种低功率工作模式,适合用于节能设计。

片外存储器采用AT45DB161D,这是带串行接口的闪存存储器,是各种数字语音、图像、数据代码存储应用的理想选择。AT45DB161D支持图形处理单元数据加速平台RAPIDS接口,适用于要求高速操作的场合。RAPIDS接口兼容串行外围设备,最高频率可达66 MHz。AT45DB161D的存储容量为17 301 504 bit。

系统电源采用可充电锂电池,可以保证至少连续工作8 h。电源输入至稳压芯片AMS1117-5，输出+5 V稳定电压。+5 V电压输入至稳压芯片LM1117-3.3，输出+3.3 V稳定电压。+5 V电压用于单片机、陀螺仪、运算放大器，+3.3 V电压用于片外存储器、无线发射模块。

4 陀螺仪标定

陀螺仪在应用之前需要进行标定,取得其输出电压信号与角速度之间的关系[8-9]。笔者利用带码盘的单轴转台对陀螺仪进行标定。转台的内部装有一台绝对式光电编码器,可以实时测量转台的转速。

试验时，将陀螺仪固定在转台的平台上,注意使陀螺仪工作轴与转台转动轴保持一致,即陀螺仪与转台之间无相对运动。同时将转速数据通过串口发送至上位机进行显示。陀螺仪标定装置如图4所示，陀螺仪标定曲线如图5所示。由图5可以看出,陀螺仪曲线和码盘曲线趋势相似,求出两曲线之间的偏移量，即可求出陀螺仪测速的准确值。

基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统最终电压信号测量值v可以表示为:

v=ηU+ξ

(1)

式中:η为陀螺仪电压信号与轮速的比例因数；U为实际测得的陀螺仪电压信号；ζ为陀螺仪修正因数。

5 试验结果

基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统已在定远汽车试验场进行测试。通过对全国29家公司的汽车列车进行刹车制动协调性测试,充分证明了这一测量系统的可靠性。轮速信号采集模块在试验中的安装效果如图6所示。

应用测量系统得到的原始数据曲线如图7所示。由图7可以看出，所采集的轮速数据很平滑,不用经过滤波处理就可以对数据进行分析,降低了数据处理的难度,提高了处理程序的执行效率。利用码盘测速原理得到的原始数据曲线如图8所示,由于安装固定不牢靠,轮速信号采集模块在汽车列车行驶过程中会出现抖动等情况,使测得的数据有毛刺,需经过滤波处理才能进行数据分析[9]。

6 结束语

笔者设计了基于陀螺仪的汽车列车轮速测量系统，具有安装方便、固定可靠、测量精确、数据毛刺少等特点。这一测量系统是汽车列车安全性测试中的一个新尝试,为其它种类汽车轮速的测量提供了一种新思路。随着微机电系统技术的发展,微机电系统陀螺仪的性价比越来越高,使这一测量系统有一定的推广价值。在后续试验工作中,可以通过标定对陀螺仪的零漂和温漂进行补偿,使测量结果更加精确。