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1、基于NARROW式新概念悬挂的自动倾斜控制（ATC）系统基于NARROW式新概念悬挂的自动倾斜控制（ATC）系统摘要：该系统通过对汽车转弯安全的分析，运用悬挂的自动倾斜控制（ATC）系统，改变汽车转弯时的倾斜度，利用地面对车辆的支持力在向心方向的分力，为车辆转弯提供向心力。经实际测试，该系统能够有效地控制车体倾斜，且响应速度快（响应时间低于0.1秒），计算准确率高（出错率低于1%），不会出现晃动及摇摆。关键词：倾斜控制、转弯安全、车体倾斜、悬挂目录1.引言22 系统设计22.1 系统方案22.2 功能与指标32.3 数学模型32.4 硬件设计42.4.1 单片机系统52.4.2 测速模块方案比
2、较52.4.3 测角度模块方案比较62.4.4 人机交互模块方案比较72.4.5 控制模块82.5 程序设计82.5.1 程序框图82.5.2 多级调用实现实时显示92.5.3高速计算92.5.4 自控安全模式92.5.5PWM控制102.6 机械系统102.6.1 测速模块102.6.2 测转向角度模块102.6.3 机械实现模块112.7 系统调试123 特色124 原创性声明135 附录：13附录1 查新报告13附录2 参考文献13附录3 系统实物图14附录4 系统电路图15附录5 程序源代码161.引言随着汽车行业的蓬勃发展，汽车的数量不断增长，交通事故的发生率也更加频繁，中国每年死于
3、交通事故的人数高达10万人左右，占到全世界交通事故死亡人数的近1/10，上述数字的含义是中国每天有超过270人死于交通事故1。面对生命无法承受之重，消费者选择将行车安全寄托在安全性能更高的车辆上。所以，当2006年C-NCAP（碰撞安全性能测试）一引进中国便受到社会的广泛关注，甚至一度C-NCAP的监测得分成为消费者认定汽车安全性能的主要参考依据，许多汽车厂家也用其来标榜自己的车辆安全性能如何出色。这使得已检测评价31款车型的C-NCAP成为中国车辆安全检测的行业标准，其公信力日益提高【1】。但是即使C-NCAP的星级再高，汽车都是在被动的防范。它所指的安全性能是在抗撞击能力方面，是在事故中减
4、少人员受伤，并不能主动的预防。主动的安全防范才是当今世界的主流。数据显示，ESP技术能够对汽车进行主动的防范。2007年，世界ESP的装配率为26【1】。ESP能够探测和分析车况并纠正驾驶的错误，汽车在过度转向（转弯太急）时会产生甩尾，传感器感觉到滑动就会迅速制动前轮使其恢复附着力，产生一种相反的转矩而使汽车保持在原来的车道上。但是过弯速度过快时，汽车会因为轮胎的抓地力不足以提供足够的向心力而侧翻【2】。而应用ATC（ActiveTiltControl自动倾斜控制技术）【1】的车辆则不同，基于其独特的悬架结构，其可以在转弯时通过侧倾来提供所需的向心力，如图（1）所示。转弯时速度越快，其车体倾斜
5、越大，车体侧倾所提供的向心力也越大，因而不会有侧翻的危险。【24】根据报道，国外成功设计出两种概念车-那罗车以及一款自澳洲，可在弯道车身倾斜的四轮小车TVAGazelle【3】【4】。这两种概念车与传统汽车采用一样的四轮配置。类似于赛车的外露式悬吊结构，搭配可以在弯道中自动依照离心力与加速度进行倾斜的车 身结构，如图（1）所示，使得车轮在弯道上始终保持同直线行驶时与地面接触的面积，这样一来汽车可在高速过弯时无须降低车速，可以减少能源消耗【4】。同时，在高速过弯的时候驾驶者因受到离心力，在普通汽车上乘客会感到不适，但是像摩托车一样用自身的倾斜去抵消转向的离心力的汽车设计不仅解决了车身不会在转弯时
6、倾覆的安全问题，同时驾驶者的舒适性也大为提高【3】。因此，这种汽车将成为世界的主流。 国内暂时还没有此类汽车的相关报道，但是 其狭小的体积，极低的排放，时尚的外形，安全的操控，更低的成本等等这些优点注定其成为未来汽车发展的主流。因此，我们这个项目蕴藏着巨大的经济价值。2 系统设计2.1 系统方案使用单片机实时扫描角度传感器，获得角度信息，通过测量方向盘转角，计算出汽车前轮的转向角（方向盘每转18前转向轮转1）。根据汽车的前后轴距和前轮的转向角，计算出汽车的转弯半径。根据汽车的车速和转弯半径计算出汽车转弯所需向心加速度。根据所需向心加速度和方向盘转角自动计算出所需侧倾角大小。根据算出的侧倾角大小
7、，产生相对应的PWM信号，控制机械臂（模型中用舵机代替）调整汽车的行车姿态。通过人机交互模块将测量结果和计算结果实时反馈给驾驶员。当驾驶员的操作存在危险时，自动转入安全控制模式，采取紧急措施，并通过人机界面给予驾驶员提示。以车模的形式演示效果。2.2 功能与指标1、 测量出方向盘的转向角并计算出汽车前轮的转向角，精确到1；2、 计算汽车的转弯半径和所需向心加速度，精确到0.001N/kg；3、 完成计算并进行人机交互，总时间少于0.05秒；4、 输出PWM控制信号，使车准确地调整姿态，误差小于1；5、 车体在运行中稳定，不出现晃动和摇摆；6、 在驾驶员的操作带有危险性时（如在高速的情况下急转弯
8、），安全模式（为保护车辆和驾驶员安全而设计的保护性操作）快速开启并进行正确的操作（主要为限制车辆的转弯角度，防止车身在高速转弯过程中侧翻）以确保车辆的安全，从发现到开启程序的时间低于0.01秒，计算并控制和反馈的时间低于0.05秒，安全操作的PWM控制误差低于1；7、 当危险解除后（如转弯速度降低或转弯角减小），立刻停止执行安全模式，转入正常控制模式，计算机停止控制，判断及跳转时间低于0.02秒；2.3 数学模型根据汽车的车体构造以及它们特定的机械关系可以得到，汽车在转弯时的半径为公式(1)：；5 公式(1)L为汽车的轴距,单位是米（m）；-为汽车前轮的转向角,单位是度（）；R-为汽车的转弯半
9、径，单位是米（m）；因为汽车所受的合外力提供汽车转弯时的向心力，即有公式（2）： ； 公式（2） a-为汽车转弯时的向心加速度；v-为汽车转弯时的速度；通过控制车体倾斜，改变车底板对负重的支持力来提供转弯的向心力，转弯的向心力就等于支持力在水平方向上的分力即 F=Fn，。如图2所示：重力G支持力FN支持力分力FNXR向心加速度a图2 受力分析图因为车体没有上下晃动的趋势，由此可知Fn在竖直方向上的分力Fny=G。又车体倾斜的角度是Fn与Fny的夹角。那么，根据三角关系可得公式(3)：；公式(3)又因为=m*a; 公式（4）=G=m*g; 公式（5）则有tan=；公式（6）那么= ；公式（7）其
10、中a可由上述公式(2)求得：a=2.4 硬件设计本系统由单片机系统、测速模块、角度测量模块、控制模块和人机交互模块组成。单片机系统是整个系统的核心，负责储存各项测量结果、处理数据和运算、产生控制信号等；测速模块负责采集速度的原始测量数据、经过简单处理后发送给单片机系统；角度测量模块负责采集角度的原始测量数据，并转化成数字信号发送给单片机；控制模块接收单片机发送的控制信号并遵照单片机的指令调整汽车的行车姿态；人机交互模块负责将各种数据（车辆行车状况、模式、执行情况等）反馈给驾驶员。如图3所示。2.4.1 单片机系统51系列单片机价格低廉、晶振频率较高、外扩资源大、支持C和汇编两种编程语言、同时兼
11、顾C语言可移植性和汇编的高效性，而且支持混编。技术支持好，在各种单片机中技术最为成熟。因此，选择Atmel公司生产的，支持ISP下载的At89S52单片机作为本系统的处理器。其单片机系统如图4所示。 单片机为Atmel公司的AT89S52（图4右）。图4左上为ISP下载端口。图4左中为晶振电路，使用12M晶振。图4左下为复位电路，在Vcc和地之间加了一个22uF电容，使其拥有上电复位功能。2.4.2 测速模块方案比较方案（1）光电传感器 光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。以透射式为例，如图5所
12、示，当不透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时，开关管关断，否则打开。为此，可以制作一个遮光叶片，安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。当叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。【16】方案（2）霍尔传感器霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040、44E等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图6所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。【6】【7】使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简
13、单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。方案（3）光电编码器光电编码器的工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路、码盘等做成一个整体，只要用连轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得多种输出信号。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。
14、如图7所示，是某光电编码器的外形。【15】方案（4）接近开关电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，如图8所示，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。反射式光电开关容易收干扰，而对射式光电开关安装困难，不适合在汽车上使用；霍尔传感器经济耐用，结构也很简单，但是输出量为模拟量，必须经过AD转换才能和单片机进行数据交换，使用麻烦且耗时太长；光电编码器精度高、
15、抗干扰性强，但是价格过于昂贵；接近开关安装容易、可靠性高、价格也较低，而且直接输出开关量，方便单片机直接读取数据，因此选择方案（4）电感式接近开关作为本系统的速度传感器。2.4.3 测角度模块方案比较方案(1) 磁阻角度传感器磁阻角度传感器是使用磁阻效应来测量角度的一种角度传感器。如图9所示。磁阻效应（Magnetoresistance Effects）是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加
