董家軒

摘? 要： 針對(duì)目前中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)Baja賽事中的越野環(huán)境，可能會(huì)發(fā)生一些較為明顯的側(cè)傾現(xiàn)象，甚至?xí)a(chǎn)生側(cè)翻的情況，設(shè)計(jì)了一款配合單片機(jī)傳感器系統(tǒng)的交叉型空氣懸架控制系統(tǒng)，基于線位移傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用交叉型雙氣室空氣互聯(lián)懸架與電磁閥的配合工作實(shí)現(xiàn)對(duì)巴哈賽車(chē)的側(cè)傾處理。達(dá)到減小側(cè)傾現(xiàn)象，降低側(cè)翻的產(chǎn)生率，從而提高賽車(chē)安全。

關(guān)鍵字：線位移傳感器;空氣懸架;巴哈賽車(chē);

1 項(xiàng)目背景及研究意義

1.1項(xiàng)目的背景

在2015年巴哈賽事由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)將引入國(guó)內(nèi)。至今已舉辦過(guò)五屆巴哈大賽。其一般駕駛環(huán)境和比賽環(huán)境多為不平整的山地、草地或是其他更惡劣的環(huán)境，路面較為崎嶇且有很多小型障礙如中小型石塊等的障礙，并且車(chē)手在做轉(zhuǎn)向時(shí)就會(huì)有很大的側(cè)傾趨勢(shì)，若碰到一些 小型障礙物甚至?xí)匈愜?chē)側(cè)翻的可能性，這無(wú)論是對(duì)車(chē)手本身還是Baja賽車(chē)的機(jī)械部件而言還是電子部件而言都會(huì)造成一定程度的損傷，有時(shí)可能會(huì)造成很?chē)?yán)重的人力財(cái)力損失。

目前在Baja賽車(chē)上對(duì)于防側(cè)傾的部件并不能起到很強(qiáng)的作用。針對(duì)上述的現(xiàn)狀，我們提出了“基于線位移傳感器系統(tǒng)的雙氣室空氣懸架控制設(shè)計(jì)” 。利用雙氣室空氣懸架良好抗側(cè)傾的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合傳感器系統(tǒng)控制優(yōu)化達(dá)到更好的抗側(cè)傾效果。

1.2研究意義

雙氣室空氣懸架能夠提高汽車(chē)的平順性，并且還有著阻尼性能調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，整車(chē)抗側(cè)傾能力上也有更好的效果。此外，配合以電氣部分的傳感器進(jìn)行工作，通過(guò)安裝在Baja賽車(chē)懸架上的線位移傳感器利用中心MCU通過(guò)一定的信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理取得賽車(chē)四個(gè)懸架的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)分析，配合控制安裝在空氣彈簧各氣囊的空氣連通處的電磁閥，調(diào)節(jié)空氣彈簧氣體輸送阻尼從而達(dá)到控制空氣彈簧氣體流通來(lái)智能化輔助控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，通過(guò)兩者配合工作來(lái)降低車(chē)身側(cè)傾的程度。

2.項(xiàng)目?jī)?nèi)容的研究

2.1技術(shù)總體思路

本項(xiàng)目重點(diǎn)在于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空氣懸架來(lái)減小車(chē)身的側(cè)傾。為解決此類(lèi)問(wèn)題，項(xiàng)目組綜合分析如下：設(shè)計(jì)并安裝雙氣室空氣懸架，然后對(duì)賽車(chē)上進(jìn)行電氣線路布置。通過(guò)電氣系統(tǒng)對(duì)車(chē)身姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，調(diào)節(jié)空氣懸架的氣體阻尼。

2.2技術(shù)實(shí)施原理與設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的工作原理主要是通過(guò)賽車(chē)行駛時(shí)分析車(chē)身四個(gè)獨(dú)立懸架的位移變化數(shù)據(jù)，基于車(chē)輛的懸架彈性力學(xué)，對(duì)車(chē)身姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，從而根據(jù)分析結(jié)果實(shí)時(shí)對(duì)安裝在空氣懸架上的電磁閥進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)控制，調(diào)節(jié)空氣阻尼，進(jìn)而調(diào)節(jié)空氣懸架的性能。從能減弱車(chē)身的側(cè)傾趨勢(shì)。保證車(chē)身減小側(cè)傾的同時(shí)提高過(guò)彎的效率。

（1）雙氣室空氣懸架：雙氣室空氣懸架有著更優(yōu)異的防側(cè)傾效果，在設(shè)計(jì)空氣懸架的一些參數(shù)時(shí)， 首先對(duì)懸架垂向剛度與側(cè)傾角剛度進(jìn)行分析，然后利用 AMEsim 仿真軟件搭建氣體耦合模型與巴哈賽車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型交互，再結(jié)合不同轉(zhuǎn)彎路況下試驗(yàn)，對(duì)交叉型空氣互聯(lián)懸架的側(cè)傾特性進(jìn)行研究。

（2）電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：傳感器所采集得到的信號(hào)為模擬信號(hào)，而處理器無(wú)法讀取這樣的信號(hào)，通過(guò)ADC模塊，將傳感器得到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒﹩纹瑱C(jī)系統(tǒng)讀取的數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字換算，以及設(shè)定的數(shù)據(jù)分析流程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身姿態(tài)的檢測(cè)。最終得到的數(shù)據(jù)也可以使用Matlab等數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。

3.數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)

在整體設(shè)備設(shè)計(jì)搭建完成后我們需要采集一些巴哈賽車(chē)行駛時(shí)的數(shù)據(jù)，則為我們所搭建的雙氣室空氣懸架。通過(guò)特定的轉(zhuǎn)彎行駛測(cè)試，分析傳感器數(shù)據(jù)，以確定控制系統(tǒng)的一些參數(shù)，以便更好地控制氣室內(nèi)氣體的流通來(lái)降低巴哈賽車(chē)側(cè)傾現(xiàn)象。

對(duì)于車(chē)身姿態(tài)的研究我們并沒(méi)有使用陀螺儀加速度計(jì)等相關(guān)傳感器，而是使用固定在懸架上的線位移傳感器，通過(guò)觀察賽車(chē)上四個(gè)懸架的伸縮量從而獲取賽車(chē)的姿態(tài)數(shù)據(jù)。我們利用單片機(jī)傳感器配合，并配以車(chē)隊(duì)專(zhuān)用的下位機(jī)軟件進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)接受。通過(guò)安裝在賽車(chē)懸架上的四個(gè)線位移傳感器，利用單片機(jī)ADC數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換得到實(shí)際的懸架伸縮量，從而采集得到賽車(chē)行駛時(shí)的實(shí)時(shí)姿態(tài)跳動(dòng)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通信方面，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸需要將電腦放在行駛的賽車(chē)中，對(duì)車(chē)手造成極大的不便利。相比之下，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸則免去了這些問(wèn)題，但是無(wú)線通信受限于距離的問(wèn)題，我們對(duì)多種無(wú)線通信方式，如藍(lán)牙，Wi-FI，LoRa等通信模式做對(duì)比，藍(lán)牙通信的優(yōu)點(diǎn)是可以用帶有藍(lán)牙功能的移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)/筆記本電腦），都可以接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但缺點(diǎn)是通信距離短。LORA通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離長(zhǎng)達(dá)3000m，但缺點(diǎn)是他不能與手機(jī)進(jìn)行通信。綜上，我們選擇使用LoRa通信進(jìn)作為傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式。并配合電腦上的上位機(jī)軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)接受。

通過(guò)分析賽車(chē)在不同程度的轉(zhuǎn)彎程度下以及不同路面下的行駛時(shí)懸架跳動(dòng)數(shù)據(jù)。最終確定控制程序中的PID控制系數(shù)以及阻尼系數(shù)控制參數(shù)等相關(guān)參數(shù)。就此，傳感器與單片機(jī)電控系統(tǒng)可以與機(jī)械部分的雙氣室空氣懸架完成配合工作。

4.總結(jié)

雙氣室互聯(lián)電控設(shè)計(jì)懸架不僅消耗更少的動(dòng)力，而且還可以在不同的車(chē)輪之間傳遞推力。 通過(guò)電子控制和調(diào)整，車(chē)輛在各種地形條件下都實(shí)現(xiàn)了出色的機(jī)動(dòng)性。使得賽車(chē)在轉(zhuǎn)向以及顛簸里面上具有更良好的車(chē)輛控制效果以及更小的側(cè)傾程度，提高了駕駛效率的同時(shí)還減小了賽車(chē)側(cè)傾甚至側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。具有很強(qiáng)的科學(xué)實(shí)際意義。目前該設(shè)備應(yīng)用于巴哈賽車(chē)上做行駛使用，該設(shè)備未來(lái)可應(yīng)用于全地形車(chē)來(lái)降低側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)該項(xiàng)目我們完成了以下幾點(diǎn)：

1）成功搭建起了一套完整可行且有效的交叉型雙氣室空氣互聯(lián)懸架。

2）建立處一套完整的以MCU為核心搭配以傳感器為數(shù)據(jù)源的電控系統(tǒng)，并編程出對(duì)應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交叉型雙氣室空氣懸架的數(shù)據(jù)檢測(cè)與控制。

3）根據(jù)在同一場(chǎng)地上安裝有空氣懸架和未安裝有空氣懸架的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，車(chē)身的側(cè)傾程度有進(jìn)一步的改善約有20%～25%，同時(shí)在燃油巴哈賽車(chē)工作室練車(chē)過(guò)程中車(chē)手也表示駕駛感覺(jué)有進(jìn)一步的提高。并打算該系統(tǒng)帶入賽場(chǎng)中。

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創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目：交叉型雙氣室空氣互聯(lián)懸架電控設(shè)計(jì)，編號(hào) S202010497162