劉麗敏，陳立旦，陳超龍，董雨燕，岳洪偉

（浙江經(jīng)濟職業(yè)技術學院，310018，浙江杭州）

隨著我們國民經(jīng)濟的穩(wěn)步增長和交通運輸業(yè)的快速發(fā)展，我國載貨汽車市場呈現(xiàn)出繁榮的景象，2021年末全國載貨汽車擁有量達1 173.26 萬輛，比上年末增加5.7%。與此同時，交通事故也時有發(fā)生，其中由載貨汽車側翻引起的事故發(fā)生率已僅次于碰撞事故。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國機動車交通事故發(fā)生數(shù)量為211 074 起，造成61 703 人死亡、250 723人受傷。側翻事故是貨車交通事故中較常見的類型之一，如果此類事故發(fā)生在車流量較大的路段，常會造成周圍小型車輛的車毀人亡和行人的傷亡。因此，研究造成貨車側翻事故的原因，并對相關因素進行監(jiān)測，利用智能傳感器技術對轉向側傾實時防控，對減少交通事故傷亡、保障交通安全有著重要意義。

1 智能傳感器概述

智能傳感器最初是由美國宇航局（NASA）在開發(fā)宇宙飛船的過程中提出的，并于1979 年形成產(chǎn)品。目前全球?qū)χ悄軅鞲衅鬟€沒有統(tǒng)一的科學定義[1]。中國在2017 年制定國家標準GB/T33905-2017 把智能傳感器定義為：具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測量、狀態(tài)信息，接收和處理外部命令的傳感器[2]。智能傳感器不僅具備傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點，還有信息采集處理和自動交換信息的能力，是一種集成傳感器。其結構一般包含電源單元、傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、人機接口、通信接口和電輸出子系統(tǒng)等。其中傳感器子系統(tǒng)將被測的物理量或化學量轉變成電信號，經(jīng)調(diào)理和數(shù)字化后傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要功能是為人、通信接口和（或）電輸出子系統(tǒng)的實時應用提供并處理被測量數(shù)據(jù)。

2 貨車轉向側傾的風險度量指標

參考國內(nèi)外相關研究[3-7]，選取貨物載荷量、懸架位移和輪胎垂直載荷為測量物理量，通過采用載荷傳感器、懸架位移傳感器及胎壓傳感器作為信息采集裝置，結合三者的實時數(shù)據(jù)進行分析，判斷車輛是否存在側翻的風險。若有側翻危險，防傾裝置通過控制ABS 執(zhí)行器對貨車進行制動減速控制，并通過控制轉向助力電機控制貨車轉向角度，有效減小載貨車側翻的可能性。

3 貨車轉向側傾實時防控裝置系統(tǒng)設計

載貨汽車轉向側傾實時防控裝置是以AT89C51單片機為核心的基于智能傳感器技術的測控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由電源模塊、MCU 控制模塊、復位模塊、智能傳感器模塊、報警模塊與執(zhí)行控制模塊組成，其結構框圖如圖1 所示。

圖1 載貨汽車轉向側傾實時防控裝置結構框圖

電源模塊的電源由車載低壓蓄電池供應，電源模塊將電源分為三路輸出。智能傳感器模塊由胎壓傳感器、懸架位移傳感器和載荷傳感器構成。報警模塊由燈光報警系統(tǒng)和語音報警系統(tǒng)組成。執(zhí)行控制模塊由轉向助力電機與ABS 執(zhí)行器組成。

4 貨車轉向側傾實時防控裝置工作原理

轉向側傾實時防控裝置設計工作原理是：工作時，首先，根據(jù)載荷傳感器的信號來判斷貨車的載貨情況，貨車載貨情況可分為空載、中載、滿載、超載四種情況，并根據(jù)不同載貨情況在MCU 控制模塊中設定不同的動作閾值；其次，依據(jù)胎壓傳感器所采集的胎壓信號，判斷車身的運動狀態(tài)；再次，為了進一步提高防控裝置的判斷可靠度，在胎壓信號變化的基礎上，融入懸架位移傳感器的信號進行對比，綜合判定車輛的側傾狀態(tài)；最后，MCU 控制模塊依據(jù)接收的信號，作出合理的判斷，若貨車有側翻危險，在啟動報警模塊工作、警示駕駛員的同時，發(fā)指令給執(zhí)行控制模塊，控制ABS 執(zhí)行器和轉向助力電機工作，對車輪進行制動減速和轉向控制，調(diào)整貨車的側傾狀態(tài)。其控制原理框圖如圖2 所示。

圖2 控制原理框圖

5 貨車轉向側傾實時防控裝置硬件設計

5.1 電源模塊

載貨汽車轉向側傾實時防控裝置的電源模塊由車載低壓蓄電池提供電源，電源模塊將電源分為三路輸出：第一路DC+24 V 經(jīng)過DC/DC 轉換器降壓轉換成DC+12 V 電壓，輸送給懸架位移傳感器、胎壓傳感器和載荷傳感器；第二路DC+24 V 經(jīng)過DC/DC 轉換器降壓轉換成DC+5 V 電壓，輸送給MCU 控制模塊；第三路DC+24 V 直接輸送給報警模塊和執(zhí)行控制模塊。

5.2 MCU 控制模塊

選取AT89C51 單片機為該裝置的核心控制模塊，根據(jù)三組不同傳感器輸入的電信號的不同值，通過內(nèi)置程序邏輯計算判斷，發(fā)出指令控制執(zhí)行模塊工作，在貨車處于側傾時，自動制動減速和調(diào)整轉向角度，輔助調(diào)整車身實現(xiàn)快速穩(wěn)定車身的目的。

5.3 智能傳感器模塊

智能傳感器模塊共由4 個胎壓傳感器、2 個懸架位移傳感器與2 個載荷傳感器組成。胎壓傳感器分別安裝在前后輪輪胎內(nèi)，前后左右各一個，通過無線發(fā)射器將監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU 控制模塊；懸架位移傳感器安裝于減震器上，左右各一個，與減震器相連，根據(jù)貨車側傾時懸架彈性元件會壓縮的原理，對貨車懸架壓縮量實施數(shù)據(jù)采集；載荷傳感器安裝于貨車后輪側貨箱支架上，左右各一個，貨車載貨量不同，質(zhì)心位置不同，會直接影響其側翻的速度，因此本裝置采用載荷傳感器來檢測貨車的運輸重量和質(zhì)心位置的變化，根據(jù)空、中、滿、超載情況設定相應的動作閾值，提高對貨車側翻控制的有效性和可控性。

5.4 報警模塊

燈光報警裝置和語音報警裝置共同組成報警系統(tǒng)，與MCU 控制模塊進行線性連接，提示駕駛員車輛存在側翻風險。

5.5 執(zhí)行控制模塊

MCU 控制模塊發(fā)出指令對執(zhí)行控制模塊即轉向助力電機與ABS 執(zhí)行器實行控制，由MCU 控制模塊經(jīng)CAN 線通信分別對原貨車中轉向助力控制系統(tǒng)ECU 和ABS 制動防抱死系統(tǒng)ECU 進行工作控制。各執(zhí)行控制元件工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 各執(zhí)行元件工作狀態(tài)

5.6 復位模塊

復位模塊是為了特殊情況下保證MCU 控制模塊正?？煽康毓ぷ鞫貏e設計的輔助模塊。本復位模塊采用MAX813 看門狗電路對MCU 控制模塊工作進行監(jiān)測，利用定時器來監(jiān)控主程序的運行，在設定時間內(nèi)對定時器進行復位。若出現(xiàn)控制程序死循環(huán)，那么經(jīng)設定時間后就會對控制模塊進行復位和重啟。

6 貨車轉向側傾實時防控裝置整體布局

載貨汽車轉向側傾實時防控裝置主要元器件整體布局如圖3 和圖4 所示。其中包括：懸架位移傳感器（2個）、前輪胎壓傳感器（2 個）、載荷傳感器（2 個）、后輪胎壓傳感器（2 個）、燈光報警系統(tǒng)、語音報警系統(tǒng)、轉向助力電機、ABS 執(zhí)行器、MCU 控制模塊。

圖3 裝置主要元件整體布置主視圖

圖4 裝置主要元件整體布置俯視圖

7 結語

載貨汽車轉向側傾實時防控裝置的研究設計，主要采用了三種不同類型的智能傳感器對載貨汽車進行三方面數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。利用載荷傳感器檢測載貨汽車載荷狀態(tài)，輪胎胎壓傳感器與懸架位移傳感器檢測載貨汽車具體運動狀況，轉換信號后輸入MCU 控制模塊，MCU 控制模塊經(jīng)過運算作出合理的判斷，發(fā)出合適的指令控制報警模塊、執(zhí)行控制模塊進行工作，通過語音和燈光提示駕駛員減速和緩慢轉動方向盤，同時控制轉向助力電機與ABS 控制器的工作，為防止載貨汽車側翻提供保障，從而有效降低載貨汽車側翻的可能性。