（精密仪器及机械专业论文）嵌入式车轮力传感器及数据采集系统开发与工程实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 以汽车车轮力测量为核心的汽车试验，是评价汽车整车特性的重要技术手段。 汽车运动是地面与车轮的作用产生的，测量汽车行驶过程中车轮上各维载荷的变 化，对研究与评价汽车动态性能，如制动、加速、悬架特性、胎面磨损等，以及 对路谱数据采集和台架路谱再现等具有重要的应用价值。因此，车轮多维力传感 器及数据采集系统的开发对于汽车设计、开发以及性能评价都具有重要的意义。 在继承课题组开发成果的基础上，本文研究了基于无线数据传输的车轮六维 力传感器和基于并行总线的分布式数据采集机。论文的主要研究内容包括： 1 在确定以轮辐式传感体进行车轮多维力测量的技术路线后，对车轮力信号 传输和数据采集等关键问题进行了研究分析，提出了基于无线传输的车轮力传感 器及数据采集机的解决方案。 2 设计开发了嵌入式的车轮力采集模块，在旋转的车轮上完成车轮力信号的 量化，并以高速无线数字通讯的方式向外发送。 3 设计开发了车轮力传送模块，将无线数据形式的车轮力信号转换成通用的 传输形式，并对车轮转速和转角进行高精度的实时测量。传送模块与采集模块一 起构成了一个通用的车轮多维力传感器。 4 针对车轮力传感器的输出，设计开发了一个车载的数据采集机。该采集机 采用一主多从的分布式架构设计，从模块完成传感器数据的采集，主模块控制协 调各从模块，并完成采集数据的汇总和存储。自行定义设计的并行数据总线实现 了数据的高速传输，串行通讯总线实现了个模块间的通讯。 本文开发了一套车轮力测量及数据采集系统。系统的设计思路和解决方案，对 类似系统的开发具有借鉴意义。本文介绍的车轮力传感器及数据采集系统已在实 车试验中应用。 关键词：汽车试验车轮力车轮多维力传感器无线数字通讯分布式数据 采集系统 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 l ev e h i c l ee x p e r i m e n tb a s e do nt h ew h e e lf o r c em e a s u r e m e n t , i s 缸i m p o r t a n t m e t h o dt oa s s e s st h ev e h i c l et o t a lp e r f o r m a n c e 1 1 i n o v c m c n to fv e h i c l ei sar e s u l to f f o r c ee f f e c tm a d eb yt h eg r o u n da n dt h ew h e e l s ，s oi ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et om e a s u r e t h ew h e e lf o r c ei nm u l t i - a x i sf o rr e s e a r c h i n ga n de s t i m a t i n gt h ec l r n a m i cp e r f o r m a n c e o ft h ev e h i c l e ，s u c h 嬲b r a k i n g ，a c c e l e r a t i n g ，s u s p e n s i o n , t i r ea b r a s i o na n dr o a dp r o f i l e c o l l e c t i n g i n h e r i t i n gt h ep r o d u c e df r u i t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h e6 - a x i sw h e e lf o r c e t r a n s d u c e rb a s e do i lw i r e l e s sc l i g i t a lc o m m u n i c a t i o na n dt h ed i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do np a r a l l e ld a t ab u s 1 1 璩m a i nr e s e a r c hf r u i t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n 锄 s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 u s i n gs p o k es e n s o rf 1 st h ew h e e lf o r c es e n s o r , 缸e m b e d d e dc i r c u i ti sd e s i g n e dt o s a m p l et h ew h e e lf o r c es i g n a l 1 1 1 es i g n a lt r a n s m i s s i o na n dd a t aa c q u i s i t i o na s t u d i e d a n dt h ew h e e lf o r c et r a n s d u c e ra n dd a q s y s t e mi se a r r i e do u t 2 ae m b e dw h e e lf o r c es i g r l a la c q u i s i t i o nm o d u l eh a sb e e nd e v e l o p e d i tc o n v e r t st h e a n a l o gs i g n a lt oc l i g i t a ls i g n a l ，a n ds e n do u tt h ed i g i t a ls i g n a zt h r o u g ht h ew i r e l e s sd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n 3 aw h e e lf o r c et r a n s m i s s i o nm o d u l eh a sb e e nd e v e l o p e d , t oc h a n g et h ew i r e l e s s d a t at ot h eg e n e r a ld a t a , a n da l s om e a s u r i n gt h ew h e e lr o t a t i n gs p e e da n da n g l e t h e t r a n s m i s s i o nm o d u l ea n da c q u i s i t i o nm o d u l ec o n s t r u c tag e n e r a lm u l t i a x i sw h e e lf o r c e t r a n s d u c e r 4 t oc o l l e c tt h ew h e e lf o r c et r a n s d u c e ro u t p u td a t a , ad i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o n d e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d n 把c l i e n tm o d u l ec o l l e c tt h et r a n s d u c e rd a t a , t h eh o s t m o d u l ec o n t r o lt h ec l i e n tm o d u l ea n dc o l l e c tt h ed a t a ap a r a l l e ld a t ab u si sd e v e l o p e d t om e e tt h em a s sd a t a , 1 3 s e r i a lb u si sd e v e l o p e dt ot r a n s f e rt h ec o n t r o lm e s s a g e s n l i sp a p e rp r o v i d e sag e n e r a lp r e c e p tf o rt h ew h e e lf o r c em c a s t t r e m e n ta n dd a t a a c q u i s i t i o n 1 1 1 ed e s i g nm e t h o da n dr e s o l v eo ft h i ss y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r d e s i g n i n gs i m i l a rs y s t e m s n 地w h e e lf o r c et r a l l s d l l c e rh a sb e e nu s e di nt h ev e h i c l e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：v e h i c l ee x p e r i m e n t ，w h e e lf o r c e ，m u l t i a x i s w h e e lf o r c et r a n s d u c e r , w i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n , d i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垡生丝日期：型： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：笪必导师签萝继期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 当今社会，汽车已成为日常生活中不可缺少的一种工具，在发达国家，汽车的普及已到 了很高的程度。以美国为例，每个家庭平均拥有各种汽车2 3 辆。我国的汽车人均拥有量远 远低于发达国家水平，正是由于中国巨大的市场和汽车工业对国民经济的巨大推动作用，汽 车工业已被国家确定为国民经济的支柱产业，是国家扶持和重点发展的产业之一。国内汽车 工业通过合资引进国际先进技术，缩短了与国外发达国家的差距，并正从引进技术逐步向自 主开发过渡。经过几十年的风雨历程，中国汽车工业已形成一个比较完整的工业体系。但是 在整车开发，整车性能测试等领域，国内水平与国际汽车工业的先进水平相比，尚有很大差 距。 随着技术进步和社会的发展，新款车型的研究和开发步骤越来越快，这就要求汽车的试 验与测试方法不断更新，紧紧跟上日新月异汽车技术的发展，以便及时发现设计中的不足， 为产品的改进提供实验依据。通常汽车整车性能研究主要从实车道路试验和计算机仿真两个 方面来进行，由于计算机仿真最终需要理论建模和试验验证，因此汽车实车试验是整车性能 分析和评价的关键。汽车运动是地面与车轮的作用产生的，测量汽车行驶过程中车轮上各维 载荷的变化，是实车试验的核心技术。测量汽车在行驶工况下车轮所承受的各个方向上的动 态载荷( 如轴荷、侧向力、纵向力、制动扭矩等) ，对于研究汽车车身振动、悬架、转向、车 轮动力学以及整车传动、制动系统的性能匹配有着重要的意义和应用价值； 1 ) 研究汽车制动系统，进行a b s ( a n t i l o e kb r a k i n gs y s t e m ) 系统评价和开发； 2 ) 评价汽车动态性能，如制动、加速、胎面磨损和计算机模型验证等； 3 ) 进行道路谱数据采集，利用测量数据和控制软件进行路谱再现，从而对整车系统进 行实验室道路模拟测试； 4 ) 汽车悬架特性动态测量； 5 ) 动态测量整车参数( 质心高度、转动惯量等) 由于汽车实际行驶过程中，其车轮受到六维力( 侧向力、垂直力、纵向力，侧倾力矩、 横摆力矩、扭矩) ，具有强耦合、非线性和时变等特点，而且车轮的使用环境恶劣，又受空间 尺寸的限制，因此多维力的测量以及信号的非接触传输技术难度较大。国内在这领域的研 究和开发工作起步较晚。目前我国大部分生产厂家还广泛使用机械测功器和汽车台架试验， 来间接获取车轮力信息，这不仅生产效率低，工人劳动强度大，而且不符合汽车的实际工况， 随着我国汽车工业的蓬勃发展，这样的测试系统已经越来越不符合时代的要求。因此，研究 与开发车轮力传感器和数据采集机具有十分重要的技术意义和经济价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究情况 车轮多维力传感器及采集机作为汽车整车试验的重要机电一体化设备，在发达国家已获 得广泛的研究和初步应用。国外许多公司从汽车车型开发和质量评价等方面考虑，都在着手 于车轮力动态测试技术的研究。这些研究，一方面使汽车研究人员对汽车的性能从定量角度 认识得更加清楚，便于进行整车和零部件的性能匹配研究；另一方面对汽车在各种公路情况 下行驶的载荷( 路谱) 有了直接获取的手段，为进行计算机仿真和实验室模拟再现提供试验 依据。该项技术研究在国外正向高精度、多参数、动态实时测量等方向发展，并且逐步应用 东南大学硕士学位论文 到汽车开发，生产，检测、维修等汽车工业绝大部分领域。目前，汽车车轮力测量技术以美 国、日本、德国最为先进，已研制出适配各种车型的车轮力传感器以及数据采集机，可进行 汽车动力性能、制动性能、操纵稳定性以及道路载荷谱采集等多种汽车实车试验“m m 国外从上世纪八十年代中期开始研究车轮力传感器。目前，美国d a t r o n 、a t ii n d u s t r i a l a u t o m a t i o n 、m i c h i g a ns c i e n t i f i cc o r p o r a t i o n ；德国l b f 研究所、c o r r s y s 研究中心；瑞 士k i s t l e ri n s t r u m e n t 等均在进行这方面技术的研究，并取得一定的成果“1 ，有一些已转化为产 品。在1 9 9 9 年3 月m t s 公司公布了用于测量汽车行驶中车轮动态载荷的车轮力传感器的重 要新闻，同时申请了该产品的专利，它可以测量汽车在行驶过程中车轮上的六维作用力( 侧 向力、垂直力、纵向力、侧倾力矩、横摆力矩、扭矩m ) 等车辆参数，图1 1 为美国m t s 公 司的车轮六维力传感器，图l - 2 为其在车轮上的安装示意图。 图1 - 1m t s 车轮力传感器图1 - 2m t s 车轮力传感器在车上的安装 除m t s 公司外，上述各大研究机构和公司均推出了相应的车轮力传感器及数据采集机。 其中瑞士k i s t l e ri n s t r u m e n t 基于压电式车轮力传感器以其质量轻，产品系列全的特点占据较大 市场份额。图1 3 为k i s t l e rl a s t r u m e a t 公司的车轮力传感器传送部分，传感体与专用车轮辋连 接，还有用于测量温度的熟电偶装置，图l - 4 为其在车轮上的安装示意，图1 5 位与之配套的 数据采集机实物图。 闰1 - 3k i s f l e f 车轮力传感器传送部分图1 4k j , s t l e f 车轮力传感嚣在车上的安装 2 第一章绪论 图1 5 瑞士k l s t l e ri n s u 1 1 i _ r l c n 的数据采集机 1 2 2 国内研究水平 我国对多维力传感器的研究起步较晚，在8 6 3 计划和国家自然科学基金的资助下，在机 器人领域对机器人腕力的六维传感器结构和解耦算法已进行了大量的研究。并取得了一些可 喜的成果，但对汽车多维轮力技术的研究几乎是空白，其原因是由于车轮传感器安装在车轮 上，结构和安装要求较高；传感器随车轮一起旋转，其力矢量相对于传感器的定义随转角变 化而变化。此外车轮传感器的工作环境恶劣，负载、冲击、震动及温度变化均比腕力传感器 大，所以车轮多维力传感器技术的研究难度较大。 国内绝大多数的汽车生产厂商和检测单位，均花费巨资购买国外现有车轮力传感器和数 据采集机来进行整车试验，或者租赁国外公司的设备进行试验。国内尚未出现企业或其他研 究机构进行规模化的开发和生产的具有一定系统性和集成性的车轮多维力传感器和数据采集 机。 1 3 车轮多维力传感器及数据采集机开发的技术难点 研究和开发车轮多维力传感器及数据采集机的难点在于： 1 ) 车轮传感器安装在车轮上，结构和安装要求较高。如何设计传感器弹性体实现对车轮力 的直接测量，并满足多维力的同时测量和解耦输出，是一个难点，因为力矢量相对于传 感器的定义随转角变化而变化。如传感器表征车轮受侧倾力矩的信号，随传感器的旋转 9 0 度变化为表征横摆力矩的信号。 2 ) 传感器随车轮一起旋转，实际上是对旋转件上的物理量进行测量。如何对旋转件进行能 量供给，将测量信号或数据如何传输到固定的装置，是又一个难点 3 ) 车轮力测量装置的工作环境恶劣，负载、冲击、震动及温度变化大，对系统工作的稳定 性和可靠性要求较高。 4 ) 以车轮力传感器为基础，数据采集机的开发需要满足多通道、实时采集、同步采集，运 行稳定等要求；而且作为车载实验设备，还要解决设备在车载工况下的低功耗、抗振动、 抗冲击等问题，不适合直接采用普通p c 机或桌面应用系统来组建该采集系统。 1 4 本课题组的技术积累和开发成果 东南大学一直致力于汽车测控技术的研究，以及汽车应用电子、汽车测控系统的开发。 经过多年的技术积累与系统开发，陆续研制成功车轮扭矩传感器、车轮三维力传感器等汽车 实车试验设备。 3 东南大学硕士学位论文 1 4 1 车轮扭矩传感器及数据采集机 1 9 9 6 年由学校与跃进汽车集团共同承接原机械部重点立项“车轮力传感器及汽车道路数 据采集系统研究”。1 9 9 8 年通过鉴定，该车轮力传感器属于单维力测量，通过自行设计的车轮 扭矩传感器弹性体和信号耦合器，能在不改变车轮安装方式的情况下，实现对汽车在道路运 行工况下的扭矩进行实时测量。 扭矩传感器弹性体安装于车轮轮毅与轮辋之间，采用轮幅式弹性体结构，表贴电阻应变 片组成电桥，将车轮所受的扭矩载荷变换成电压输出。采用交流线圈电磁场耦合的方式实现 对扭矩传感器弹性体电桥的非接触供电。同时，采用内置式电路，对电桥差分信号进行电压 放大，信号调理后，将表征扭矩大小的模拟式的电压信号转换成数字式的频率信号，最后通 过一对安装于旋转件和非旋转件轴心位置的光电发射接收管，将该频率信号输出。转速齿轮 盘的外侧安装马鞍形光耦和信号整形电路，对车轮旋转产生的方波信号进行整形和输出。即 该传感器最终输出为两路频率信号，一路信号表征车轮扭矩，一路信号表征车轮转速。该车 轮扭矩传感器结构如图1 - 6 所示，图1 - 7 为其安装在车轮上的示意图。 图l - 6 车轮单维力传感器结构图图l - 7 车轮扭矩传感器在车上的安装 以便携式工控机为基础，通过在i s a 插槽扩展频率采集卡、通讯卡等板卡，即可构成了 一个多通道的数据采集机，对车轮力信号进行采集。该数据采集系统可对汽车道路试验中的 制动试验等常规试验进行实时数据采集。数据采集系统如图1 8 所示。 图1 - 8 车轮扭矩传感器数据采集机 1 4 2 车轮三维力传感器及数据采集机 2 0 0 0 年，由江苏省汽车工程重点实验室立项，项目组在原有的一维车轮力传感器的基础 上，开展车轮多维力传感器的研究，重点研究传感器的安装形式、结构优化、精度分析、误 差补偿、多分力结构解耦、多路信号传输方式、附加转速测量和抗干扰技术以及传感器标定 4 第一章绪论 和性能评价等问题。并设计出了能对三维力信号进行近似解耦输出的三维轮力转速传感器。 该传感器沿用了在车轮扭矩传感器中采用的：交流线圈电磁场耦合的非接触供电，和光 电发射接收管的非接触数字信号传输，同时在以下几个方面进行了改进： 1 ) 应变弹性体进行改良，将应变片按照一定组合组成六个电桥，每个电桥的差分输出即 可对应一维载荷，并实现各维载荷的近似解耦； 2 ) 内置的采集电路对三维力电桥输出的差分电压信号进行放大、模数转换、串行编码。 以串行数据包的形式经光电发射管传输至非旋转件； 3 ) 非旋转件上，内置电路对前端送来的光电串行码进行接收，同时实时对车轮旋转产生 的方波信号进行测量。最后将接收到的车轮力串行码和测得的车轮转速值封装一个新 的串行数据报发出。 传感器最终输出的信号数据为车轮力测量值和车轮转速测量值的串行编码( u s a k t 编 码) 车轮力传感器功能框图如图1 - 9 所示。 i - 生 i 、 _ 带 叫襻 _ 一 凿微控 输 轮 y 信 =八 号掣 制器 入 团 输 出 端 子 i 交流耦台线阻 圈 卜 圈旷 一 感器的旋转部分 感器的非旋转部分 9 车轮力三维力传感器内部框图 式工控机为基础，通过在i s a 插槽扩展一个四路串行数据采集板卡，对四个车轮 传输出的车轮力数据进行采集。该车轮力传感器安装如图110所示，以便携式工控机为 核数据采集机如图1 1 1 所示。 图to车轮三维力传感器安装图 1 1 以工控机为核心的数据采集装置 4 年，学院与交通部公路科学研究所共同承接交通部西部交通建设科技项目“多功能 汽动性能检测台及检定设备的研制”。该项目属于多单位联合申报项目，本课题组主要 承测台检定设备的研制与开发。在原有的研究基础上，项目组经过详细论证，开发出一 套轮三维力传感器为核心的汽车道路试验数据采集系统。该系统通过国家交通部鉴定， 达内领先水平。 东南大学硕士学位论文 1 5 本论文主要研究内容及章节安排 1 5 1 本论文的提出 随着项目研究的深入，课题组发现该方案还存在一定的缺陷，制约了传感器性能的迸一 步提高，主要有下面几个方面： 1 交流线圈耦合的供电方式会在空间产生一个交变的电磁场。由于内置电路板距离线圈 很近，产生的空间电磁场会干扰测量电路，电桥输出上会叠加上交流信号，使得信号噪声较 大。 耦合线圈以及其内置磁芯质量重，体积大，使得传感器整体尺寸、重量均较大，在恶劣 路况下使用时，车辆的通过性受到一定的影响。 2 光电发射接收管的信号传输方式，传输速率为6 0 k b p s 。传输速率过低，单位时间内传 输的数据量有限，造成了传感器输出频率和采样通道数之间的一个矛盾。欲提高输出频率， 则必须减少采样通道数。 车轮三维力传感器的设计中，只采集了车轮三个分力的信号，采样周期为5 m s ，基本满足 了汽车制动性能试验的要求。但对道路谱数据采集、悬架动态特性研究等试验而言，要求有 更高的输出频率和更多的采集通道数。现有传输方式不能满足进一步研究的需要。 此外，光电发射接收管的信号传输方式对发射管和接收管的对心度要求很高，使得结构 设计复杂，系统维护不便。汽车行驶过程中的振动引起发射接收管位置细微的变化，也会影 响到信号传输的质量。 3 旋转件与非旋转件之间为单向的数据传输方式。传感器采集模块不能接收外部的控制 命令，只按照事先程序设定好的模式采集。其采集通道数、输出频率不能在试验过程动态的 调整，传感器智能化程度有待提高。 4 利用机械加工的齿轮盘测量车轮转速和转角，由于机械加工并不完全均匀，使得转速 的测量存在一定的误差。在后续的数据处理中，需要用到车轮的转角进行解耦运算。所用齿 轮盘为1 2 0 齿，角度测量的分辨率仅为6 度。在实际运算中发现，角度跨越太大，与真实情 况不符，给数据处理带来一定困难。 5 传感器最终的输出形式为单工的u s a r t 的串行数据包，不符合工业遥用规范，难以 与通用数据采集系统无缝连接，不利于其推广使用。 6 基于p c 机和板卡扩展的采集系统方案，难以满足道路试验工况下的抗冲击，抗振动、 高稳定性、低功耗要求，桌面化的操作方式也不适合车载试用。 针对上述存在的问题和不足之处，本论文旨在通过采用新的技术方法，设计一个性能指 标有较大突破的车轮力传感器及数据采集机，以缩短与国外先进产品的差距，满足更多汽车 试验的要求。 本论文的研究目标包括： 1 设计一个多采集通道、高输出频率的车轮六维力传感器。能够快速地同时采集车轮所 受六维分力，实现真正意义上的多维力测量，达到1 2 位a d 转换精度。六分力同时输出时， 采样频率可达到i k h z ，为车轮受力动态特性的研究创造条件。且支持在线设定，输出形式友 好，方便用户使用。 2 设计高精度的车轮转速、转角测量方案。以期车轮转速测量误差小于1 ，车轮转角 测量分辨率为1 度。 3 设计独立运行的数据采集装置，能够在车载工况下采集车轮力传感器的输出数据。该 数据采集装置要具有多通道、多种形式信号同时采集的能力，且有良好的开发性，方便未来 系统的扩展。 6 第一章绪论 1 5 2 本论文的主要研究内容 基于上述的分析与研究，继承项目组现有的研究成果，参照国外成熟的系统和产品开发 的趋势，本文提出了一种基于无线数据传输的车轮多维力传感器和基于并行总线的分布式数 据采集机设计方案。主要思路如下： 1 ) 采用内置电池的方式实现传感器的能量供给。设计高性能，低功耗、智能化的嵌入式采 集模块与传感体构成一体化的采集前端，在旋转的车轮上完成信号调理和量化编码采 用全球开放频段的2 4 g h z 高速无线数字通讯方式，实现双向通讯、高速数据传输。 2 ) 车轮力传感器的非旋转部分实时接收采集前端发送出来的无线数字信号，并将其通过 c a n 总线接口以c a n 数据报文的形式向外传送；同时将高精度的光栅式光电编码器集 成于其中，完成对车轮转速和转动角度的精确测量。这种采用旋转的采集前端和非旋转 的变送装置构成方式和国外大多车轮力传感器系统相同，方案成熟；最终传感器输出为 c a n 数据报文，速度快且符合汽车工业规范。 基于无线传输的车轮多维力传感器设计思路如图1 1 2 所示： 图1 1 2 基于无线传输的车轮多维力传感器示意图 3 ) 数据采集机采用一主多从的分布式架构，如图1 1 3 所示。多个车轮力传感器采集模块分 别同时完成对应车轮力传感器数据的高速采集；主控制模块协调各个从模块动作，并完 成对各个从模块采集数据的收集存储。采用c a n 总线实现各个模块问控制命令、反馈信 息的传输；自行定义设计了8 b i t 的高速并行总线，使得系统具有了很强的数据吞吐能力， 可以满足高速高量数据采集的需要。采用分布式的采集架构，各个从模块并行独立工作， 大大提高了系统并行同步采集的能力进行；同时系统具有很好的开放性、扩展性，可以 很容易地扩展新的采集对象和更多的采集通道。 7 东南大学硕士学位论文 图1 1 3 分布式数据采集机架构图 1 5 3 本论文的章节安排 本论文共分六章，章节安排如下： 第一章“绪论”。主要介绍车轮力传感器的概念及应用价值，开发车轮力传感器及采集系 统的必要性和紧迫性。介绍国外现有的车轮力传感器及数据采集装置，分析了系统开发的难 点。最后，对本课题组近年来的研究状况和取得的成果进行总结分析，并指出进一步开发的 可行性和必要性。 第二章“车轮力传感器总体设计”。阐述了车轮力的定义及相关理论背景。对车轮力测量 的几个技术难点进行具体分析，确定了在本设计所采用的技术方案。最后从整体结构、各系 统功能的角度，介绍基于无线传输的车轮多维力传感器的总体设计。 第三章“车轮力采集模块设计”。主要介绍第二章中提到的车轮力采集子系统。明确了子 系统的功能需求后，设计了基于s o c 芯片的采集系统和无线数字通讯电路，完成了车轮力信 号的采集。 第四章“车轮力传送模块设计”。主要介绍第二章中提到的车轮力传送子系统。设计了小 尺寸的电路板，完成了无线数据到通用数据形式的转换。并利用内置的光电编码器，测量车 轮转动速度和转动角度。 第五章“车轮力传感器数据采集机设计”。针对本车轮力传感器的输出及车载设备的特殊 8 第一章绪论 要求，参照c p c i 的架构，设计了一个车载使用的数据采集机。该数据采集机为一个分布式的 数据采集系统，重点介绍自行定义的并行数据总线和串行通讯总线的设计。 第六章“全文总结与展望”。对论文的主要研究工作进行了归纳总结，介绍了实际应用的 情况，并对存在的问题进行分析后提出改进措施。 1 6 本章小结 本章对车轮力传感器及数据采集机的相关概念和用途进行了介绍，同时综述了国内外的 研究情况，重点介绍了本课题组在这个领域的技术积累和已取得开发成果，并指出了进一步 开发必要性。随后对论文要开展的研究内容进行了总体说明，重点介绍了基于无线数据传输 的车轮多维力传感器和基于并行总线的分布式数据采集机的设计方案。 9 东南大学硕士学位论文 第二章车轮力传感器总体设计 本章首先介绍车轮力的相关背景知识，为车轮力传感器的设计奠定理论基础，明确设计 需求。然后围绕车轮力传感器设计中的几个关键技术难点进行阐述，确定设计方案；最后介 绍基于无线传输的车轮力传感器的整体结构。 2 1 车轮力的相关理论 2 1 1 车轮力的定义 汽车之所以能够自如地行进、停车和转弯，是汽车车轮与路面接触的作用结果。由于车 轮承受了作用在汽车上的力，才能得以形成运动。汽车在行驶的过程中，其车轮受到六维力： 侧向力f y 、垂直力f z 、纵向力f x 、回正力矩m z 、侧倾力矩m x 和扭矩m y 的作用。 图2 1 为车轮行驶过程中受力示意图。图中坐标系原点是车轮的轴中心。x 轴是车轮平 面与地面的交线，前进方向为正。z 轴垂直于地平面向上为正。y 轴在地平面内其中纵向力 ( 地面切向反作用力) f x 是道路对轮胎的作用力沿x 轴方向的分量；侧向力f y 是道路对轮胎 的作用力沿y 轴方向的分量；垂直力f z 是道路对轮胎的作用力沿z 轴方向的分量；侧倾力矩 m x 是道路对轮胎的作用力绕x 轴的力矩；扭矩m y 和回正力矩m z 分别是道路对轮胎的作用 力绕y 轴和z 轴的力矩。本文所讨论的车轮力传感器，最终要实现的就是对上述三个力和三 个力矩的测量。 圈2 - 1 车轮受力示意图 2 1 2 传感体坐标系与车体坐标系的变换 车轮力传感器的传感体安装在汽车车轮上与车轮一起旋转，其传感体坐标系与汽车坐标 系有相对转动。因此，在传感体中直接输出的力矢量与汽车坐标系中定义的力矢量是不同的， 必须建立它们之间的变换关系。即建立传感体输出信号和车轮力之间的关系方程，对传感体 输出信号进行坐标变换运算，从而得到最终所需要的量。 设汽车坐标系 o ，将 0 平移到汽车车轮中心得坐标系 0 l ，该坐标系只随汽车运动 进行平移而不随车轮转动m 1 传感器坐标系 0 2 ，随传感器运动，如图2 - 2 所示。 1 0 第二章车轮力传感器总体设计 图2 - 2 传感器坐标系与车体坐标系示意图 当汽车行进时，车轮转动，坐标系 0 2 相对于 o l 绕y 轴旋转，传感器输出的力信号矢 量为( f x 2 、f y 2 ，f z 2 、m x 2 、m y 2 ，m z 2 ) ) 而汽车车轮受力矢量定义为( f x l 、f y m 、f z l 、m x l 、 m y i 、m z 】) ，即纵向力、侧向力、垂直力、侧倾力矩、扭矩、横摆力矩。因此，必须对传感器 测量信号进行坐标转换，才能得到具有物理意义的车轮受力状态。 设汽车行驶前传感器坐标系 0 2 与 0 1 ) 重合，x 1 表示行进方向，y l 表示轴荷方向。当 汽车行驶时，由于车轮旋转，传感器坐标系相对于坐标系 o l 中的y 1 轴产生旋转，其坐标系 的x 2 轴与x 1 轴成0 ( t ) 角度，因此，地面对车轮的作用力向传感器坐标系各坐标轴上分解，可 得传感器定义力与地面对车轮作用力的关系。 设坐标系 0 2 相对于 oi ) 坐标变换阵为 rc o s o os i n 0 砰：l o1o l s i n 0 0c o s 0 则坐标系 o1 ) 相对于 o2 ) 坐标变换阵为 趟= c o s 00 - 5 i n 口 o10 s i n 口0c o s 0 ( 2 - d ( 2 - 2 ) 车轮传感器坐标系上力分量与汽车坐标系上力分量的关系为 f x z f y 2 e 2 - - r ： ( 2 - 3 ) 车轮传感器坐标系上力矩分量与汽车坐标系上力矩分量的关系为 展开得 m x 2 m y 2 m z 2 = r ： m “ m y l m z i ( 2 - 4 ) 东南大学硕士学位论文 e 2 = 只lc o s e ( t ) 一只ls i n e ( o 乃：= - e 22 瓦s i n e ( t ) + f , 1 e o s e ( o ( 2 5 ) m n = m n e o s e ( t ) 一mz l s l n e c t ) m n 2 my t m z l = mx l s i n e ( t ) + m , l e o s e ( t ) 将2 - 5 方程求解后综合得 ( 2 6 ) 从上式可以看出，要根据车轮传感体测量信号得到车轮六维力的数值，除了力信号以外， 还需要测量车轮转角信号0 ( 0 。 2 2 车轮力传感器设计的关键技术 2 2 1 传感体设计m ， 车轮力传感器的设计中，传感体的设计是关键。车轮力传感体安装在车轮上，使用环境 恶劣，又受空间尺寸的限制，对结构和安装要求较高。通常光电式、磁电式、相位式原理构 成的传感体均为单维力测量传感器，且轴向尺寸较大，不能安装在车轮上，只有应变式原理 的传感体能够满足车轮多维力测量要求。 应变式车轮力传感体设计中，存在着弹性体结构设计与应交片布片及解耦之间的矛盾， 简化结构，则难以消除耦合，不能直接输出多维力信号，带来传感器标定和解耦计算上的复 杂、烦琐，尤其难以满足实时计算处理的需求；消除耦合则弹性体结构设计复杂，应变片数 目多，贴片组桥工作量大，且容易引入误差，影响传感器的测量精度。本课题组经过近十年 的研究积累，设计出了能对六维力信号进行近似解耦输出的六维力传感体“”。 该传感器弹性体采用八梁轮幅式结构的弹性体，在车轮承受载荷时，在每个粱上产生对 应的形变，在不同梁的不同位置贴上电阻式应变片，并按一定的组合组成多个电桥桥路，则 每个电桥的差分输出即可对应一维载荷，并实现各维载荷的近似解耦。传感器弹性体结构及 贴片位置如图2 - 3 所示。 - 图2 - 3 车轮六维力传感体弹性体 1 2 =ooo。ooooo且 o o o蜀o|兰 o 0 0 o l o e 坩 o 0 o 3 o 斑 c - e e 缸o o o o o l o 0 0 0 0 旧 o 血o o o c 一 = k k k 心鸭也 第二章车轮力传感器总体设计 测量点选取及应变片贴片布置如下： 1 ) 选择a 、e 粱侧表面中间轴线处，布置应变片1 、2 、9 、1 0 ，测量垂直力f z 引起的变形； 2 ) 选择c 、g 粱侧表面中间轴线处，布应变片5 、6 、1 3 、1 4 ，测量纵向力f x 引起的变形； 3 ) 选择b 、d 、f 、h 梁侧表面根部轴线处，布应变片3 、4 、7 、8 、1 1 、1 2 、1 5 、1 6 ，测量 扭矩m y 引起的变形； 4 ) 选择b 、d 、f 、h 粱侧表面根部轴线处，布应变片1 3 、2 0 、2 2 、2 4 、2 6 、2 8 、3 0 、3 2 ， 测量扭矩f y 引起的变形； 5 ) 选择c 、g 梁上下表面根部轴线处，布应变片1 9 、2 3 、2 7 、3 1 ，测量横摆力矩m z 引起 的变形； 6 ) 选择a ，e 粱上下表面根部轴线处，布应变片1 7 ，2 l ，2 5 、2 9 ，测量侧倾力矩m x 引起 的变形。 应变片组桥如图2 4 所示，每个应变片的阻值为3 5 0 欧姆。 图2 - 4 应变片组桥示意图 图中，每个电桥的上下瑞为供电端，在供给直流电压后。电桥左右端的差分输出电压即 对应车轮载荷在该维方向上产生的形变。电桥a 的差分输出对应f x 载荷，电桥b 的差分输出 对应f y 载荷，电桥c 的差分输出对应f z 载荷，电桥d 的差分输出对应m x 载荷，电桥e 的差 分输出对应m y 载荷，电桥f 的差分输出对应m z 载荷“1 。 贴片组桥后的传感体体实物如图2 5 所示。其装配结构如图2 - 6 所示。 图2 咱车轮六维力传感体实物图2 - 6 传感体装配示意图体 从图2 - 6 可见，传感体安装于车轮轮毂和轮辋之间。以承受车轮载荷。传感体外环通过螺 栓与轮辋相连，轮毂与传感体体内环相连。车轮的制动扭矩m y 是通过轮毂传递给弹性体的内 东南大学硕士学位论文 环面，引起应变梁弯曲变形；车轮的纵向力f x 、侧向力f y ，回正力矩m z 、侧倾力矩m x 是 通过轮辋传递给弹性体的外环面，引起应变粱弯曲变形；车轮的垂直载荷f z 是通过内环面的 螺栓和配合面以及外环面的螺栓和配合面传递的。 在传感体上加盖印制电路板，各个应变片引线焊接在印制板上，通过印制板上的印制布 线将应变片组成所需要的电桥。采用印制板组桥的方式，保证了在高速旋转中电气连接的可 靠性。电桥电源输入引线和信号输出引线通过i d c 1 6 接插件导出，后续电路只要通过一排线 与i d c 1 6 端子连接，即可实现电源的供给和信号的输出。加盖电路板后的传感体以及专用的 轮毂、轮辋实物如图2 7 所示。 ( 8 ) 传感体、轮毂、轮辋实物圈( b ) 传感体体与车轮装配图 图2 - 7 传感体与轮毂和轮辋的联接图 传感体的i d c 1 6 端子，提供的应变电桥的输入输出接口，信号定义如表2 一1 p 矾 信号定义 p 信号定义 1 ，2直流电压输入9 ，l om x 2 差分电压输出 3 ，4 f x l 差分电压输出 l l ，1 2 m y 2 差分电压输出 5 ，6 f y l 差分电压输出 1 3 ，1 4 m d 差分电压输出 7 。8 f z 2 差分电压输出 1 5 ，1 6 g n d 输入 表2 - 1 传感体输入输出信号定义 2 2 2 电源的供给 利用应变片电桥实现对车轮力的传感时，必须解决一个为旋转的电桥供电的问题。对旋 转件上的电源供给，一般有两种做法：一种是，通过空间电磁场的交变耦合实现非接触的电 源供给；还一种是在旋转件上固定电源产生装置。 2 2 2 1 非接触式电源供给 非接触式的电源供给方式从基本原理来看，都是利用在空间传播的交变的电磁场一一电 磁波来传输能量。以非接触电感线圈耦合能量传输为例，其基本结构如图2 8 所示，交变电源 通过内外磁环的电磁感应从静止的外磁环传到旋转的内磁环，内外磁环同中心轴安装，内环 旋转，外环静止，以此实现电源从静止件到旋转件上的非接触式供给。在车载的应用中，汽 车电平提供+ 1 2 v 的直流电源，经一通用逆变器产生一5 0 h z 、2 2 0 v 的交流电源，经过变压器 变压后送耦合器初级线圈( 线径0 3 8 ，4 0 0 匝) ，通过电磁感应在次级线圈( 线径0 2 1 ，3 2 0 匝x 2 ) 上产生交流电源，此后经过整流、交流电压到直流电压的转换和稳压处理，即可给旋 转件上电路提供直流电源。 1 4 第二章车轮力传感器总体设计 图2 8 电感耦合原理图 采用空间电磁场耦合方式供电能够实现非接触式的电源供给，且机构部件旋转时在一定 范围内的偏移也不会影响供电；但是这电磁感应耦合式的供电有以下几个缺点： 1 ) 空间电磁场干扰严重。电磁感应耦合在空间辐射出很大功率的电磁波，对工作电路产生 很大的影响； 2 1 工作电路电源设计复杂。由于电源是以交流的形式传输的，所以工作电路电源模块必须 对其进行整流、滤波、降压。电源设计复杂，体积大，不利在有限空间内的安装； 3 ) 耦合供电传输效率较低，严重消耗车载电源； 4 ) 耦合线圈结构复杂，体积大、质量重，大大增加了车轮力传感器的整体尺寸和重量。 在课题组以前的研究中，都是采用的线圈耦合的非接触式供电方式。在使用中发现该方 式固有的缺点，影响了传感器性能的进一步提高，为此在本文论及车轮多维力传感器的设计 中摒弃了这种供电方式。 2 2 2 2 电池供电 电池供电的方式以其体积小、电源输出稳定无扰动的特性得到了广泛的应用。在本设计 中采用在旋转件上固定蓄电池的方式解决电源供给的问题。随车轮一起旋转的蓄电池完成了 对传感体和车轮力采集模块的供电。 常用的蓄电池的主要有以下三种： 1 ) 碱性蓄电池：镍镉、铁镍、镍氢、锌银等系列，又分高、中、低放电率等品种； 2 ) 铅酸蓄电池：按用途分有启动型、固定型、牵引型和便携型等； 3 ) 锂蓄电池和锂离子蓄电池。 这三种蓄电池中，铅酸电池输出电压大，功率大，但体积大，质量重，通用用于户外环 境中，对便携性要求不高。功率大的应用场合；碱性电池由于具有电池效率高、循环寿命长， 能量密度大、体小质轻、结构紧凑并且不需要维护等特点，在工业和消费产品中得到广泛应 用；锂电池与镍氢电池比较具有工作电压高的特点，通常单体锂离子电池额定电压为3 6 v ， 是镍氢电池的3 倍，单体电池即可为3 v 的逻辑电路供电；体积小、质量轻、无环境污染。因 此锂离子电池在消费电子产品中得到了广泛的应用。 在车轮力传感器的设计中，要求电池质量轻、体积小，以满足传感器结构尺寸和重量上 的要求；功率密度高，使得一次工作时间尽可能的长：同时要求电池具有通用性，以方便用 户更换电池。综合考虑容量、体积、以及使用的方便性等因素，本设计中采用镍氢电池为车 轮力传感器