实车碰撞车速控制系统控制器的设计与实现

值和计数器的溢出次数存储到每一位移点对应的RAM中。为满足时间的精确性需求,在所有的中断中,计数器的溢出中断优先级最高,输入捕捉中断的优先级次之。

考虑到在试验过程中对计数器记录的时间的一致性需求,计数器的溢出中断和输入捕捉中断之间不希望有中断嵌套发生。用于设置位移标志的条形码产生的中断信号的间距为2cm,对于最高车速为60km/h的试验车辆,其两个输入捕捉中断之间的时间差最小为:

0.02÷60×3.6=0.0012s

在这段时间里共有1200/0.5=2400个E时钟,足可以运行一个输入捕捉中断程序和一个计数器溢出中断程序。因此在车速不超过上述车速时,单片机可以成功地对时间进行记录。

光电的输出电路为集电极开路接口形式,为了与单片机的CMOS输入电路进行连接,利用分压电阻及门电路的输入特性来进行电平变换,设计的位移采集及整型电路示意图如图5所示。

2.3 其它外围电路

·通讯电路

单片机内部有全双工的串行通信接口,可以直接同计算机进行串行通信。但是单片机的信号是CMOS电平,而计算机的串行口是EIA-RS232C电平,其电平1为-3V～-25V,电平0为+3V～+25V,因此要进行CMOS电平和EIA-RS232电平间的相互转换。本系统采用芯片MAX232进行电平转换。串行通讯方式为全双工,波特率为9600,1个起始位,8个数据位,1个停止位。

为了减少控制电路的元件数量,把MAX232芯片设计在控制器之外单独的一个通讯电路板上。通讯电路由两根电缆分别与控制器和上位PC机连接。

EIA-RS232C是一个功能强大的通用串行通信总线,单片机只有一个输出信号线、一个输入信号线、一个地线,因此只用部分EIA-RS232C的接线。请求发送RTS和允许发送CTS短接,调制解调器就绪DSR和数据终端就绪DTR短接,对应的发送数据线同单片机的数据接收线相,PC机的接收数据线同单片机的发送数据线相连,另外两者共地。

·单片机的工作模式及译码电路

为了增大系统采集的数据量,外扩32K RAM,器件选择HM62256;同时为方便系统设计和译码电路的设计,外扩的ROM也采用32K的容量,器件选择27C256,这样正好分完B和C各8位共16位的64K寻址空间。由于单片机的B口为地址总线和数据总线分时复用,采用74HC373锁存地址信号;地址信号的最高位的电平用来区分RAM和ROM地址信号。

·电源电路

电源使用汽车上常用的12V电池作为电源电压基准,这样有利于驱动电路的能量供给。由于控制器上很多元件的工作电压为+5V,考虑到所使用的元器件中既有模拟电路,又有数字电路,如果使用同一个电源会造成不利影响,因此使用了两个稳压芯片7805和78L05,输出+5V的电源电压。

·推力采集电路

考虑到单片机接口的特性和信号的频谱特征,力传感器和A/D管脚之间加上阻容低通滤波电路。

·信号反馈电路

把单片机的一输出管脚接到发光二极管上,用发光二极管的闪烁频率配以一定的程序来显示系统当前的状态。

·测试信号点

为了方便电路的检测,在控制器上设置了重要信号的输出点,有利于系统的调试和分析。

·驱动电路

把单片机输出的驱动信号进行放大,增强带负载的能力,驱动刹车装置的电磁阀。

3 控制算法及实现

最简单的思想即为只要速度值超过设定值即进行刹车,通过刹车力使得加速滑车与被测车辆分离,使被测车辆在没有动力的情况下自行滑行,直至碰撞壁。此算法实现起来较简单,思路清晰,但滚动阻力干扰将使控制效果和精度不会很高,而且释放位置的不确定性使整个弹射系统对被测车辆的导向能力下降。也可以利用工程上很成熟的PID算法进行控制。由于系统的快速性要求,积分环节被排除在外,PD系数的大小可以在系统调试时具体定出,但是橡皮绳的非线性力学特性和加速滑车的单向力传递特性会使PD算法的效果大大下降[5]。

为了提高控制的精度,控制器首先在算法上实现了对滚动阻力的预测和补偿。这里的滚动阻力是广义的,包含汽车运动过程中坡度阻力、风阻和滚阻等所有的阻力。滚动阻力的干扰是影响系统的控制精度的重要因素,若控制器能够计算和预测出滚动阻力的大小,将大大提高系统的控制精度。

被测车辆的受力分析为:

Mc×a=Ft-Fz

其中,Mc--被测车辆的等效平动质量;

a--被测车辆的加速度,可以由位移经过两次微分得到;

Ft--推动被测车辆的力,可以由力传感器测出;

Fz--滚动阻力。

由上面的公式可以看出,滚动阻力Fz可以计算得到。这样就可以推算出被测车辆在无动力状态下离开加速滑车后的速度降低率,由此提高设定的速度后,得到的速度就会更加精确,有效地抑制了滚动阻力对车速控制的干扰。

为了解决加速滑车与被测车辆间的单向连接引起的非线性特性问题,应限制在加速过程中加速滑车与