超声波传感器在主动悬挂系统中的应用研究

Research and Application of Ultrasonic Sensors in Active Suspension Systems

 (050003  石家庄军械工程学院自行火炮教研室) 易当祥  吕建刚  高欣宝  韩守红

摘要: 采用多超声波传感器对履带车辆前方路面信息进行探测，特别是履带前方近距离的凸堆和凹坑，确定它们的距离、方位和高度等信息。并对超声波传感器的设置、系统硬件实现和软件流程设计进行了探讨；最后就精确感知路面信息提出了进一步的改进方案。

关键词:超声波传感器； 路面信息；主动悬挂系统

 

Abstract: Ultrasonic sensors are used to detect front road surface's information , especially to obtain raised clods and low pits' information about distance ,orientation and height, which are in near distance ahead of tracks.  Moreover, the setting of ultrasonic sensors 、the achievement of system hardware and the design on the process of software of are discussed.  Finally farther improvement is put forwarded to detect road surface's information accurately.

Key words:  ultrasonic sensors; information of road surface; active suspension systems

 

1 引言

振动历来是困扰履带车辆发展的一个难题，为了减小振动，提高车速和行驶平顺性，并为乘员提供一个舒适的环境。技术人员在减振方面作了大量的研究，当前普遍采用的被动式悬挂系统不失为一种有效的方法。为了进一步提高减振效果，一种新的悬挂系统      主动悬挂系统应运而生，它能根据路面的情况实时调整减振弹簧与阻尼之间的优化比，从而达到减振缓冲的目的。该系统主要有传感器件、控制器件和执行器件三部分组成。传感器件将实时探测到的车辆前方路面的信息传输给控制器件的核心部件单片机，由单片机对信息进行分析处理，然后对执行器件发出指令，由执行器件对悬挂系统进行控制，调整系统参数并产生主动控制力，从而达到减振目的。

主动式悬挂系统是一个复杂的系统，其中传感器在整个系统中起着至关重要的作用。本文仅就传感器的应用情况进行了分析，并对超声波传感器在主动悬挂系统中应用进行了研究。

2 超声波传感器的基本原理

超声波传感器是用双压电陶瓷晶片制成，在压电陶瓷晶片加上大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，并产生机械波，这种机械波的大小和方向，是与外加电压的大小和方向成正比的。与此相反，如果在压电陶瓷晶片上有机械波作用，则将会使其产生机械变形并进而产生电压信号。

超声波在空气中传播时，如果遇到其它媒介，则因两种媒介的声阻抗不同而产生反射。因此，向前方路面障碍物发射超声波，检测反射波并进行分析，便可判断并获知前方路面的状况。另外，超声波传感器信息处理简单快速，环境适应性强，价格便宜，因此适于在履带车辆主动悬挂系统中应用。

3 超声波传感器的设置和障碍物信息的确定

很显然，两侧履带前方路面信息才是真正需要的，以一侧履带为例进行分析，另一侧与此同理。在一侧履带正上方的车前甲板上设置四个超声波发射器和一个接收器（发射器的指向角约为60度，接收器的指向角约为85度），其布置如图（1）所示。

设履带宽为L，定位超声波传感器的甲板位置距地高为H  。在高H的水平平面设置两个相距为L的超声波发射器（发射器1，发射器2），分别位于履带两边缘的正上方，超声波接收器位于两发射器中间；另两个超声波发射器与水平平面内的超声波接收器处在同一垂直平面，相距为L／2，上下各一个。

工作时，4 个超声波发射器在单片机的控制下按1、2、3、4发射器顺序，依次轮流以脉冲形式发射超声波，当发射出的超声波遇到障碍物后产生反射，接收器接收反射信号并将反射信号送到单片机进行处理，由单片机计算出发射波与接收波之间的时间差。超声波具有与声波相似的特性。在正常大气情况下，它在空气介质中的传播速度为341m/s，若已知发射与接收的时间差t，那么，障碍物到发射点之间的距离D为：

D＝341 t／2   (1）

由单片机计算出1、2、3、4发射器发射超声波到接收器接收超声波的时间差分别为△t1, △t2, △t3和△t4。因为传感器探测近距离路面信息，而且车辆行驶速度较慢，发射与接收时间差非常短，可以假设1、2发射器是同时发射超声波的；3、4发射器也是同时发射的。又因为履带宽L一般只有30－40厘米左右，所以近似地认为履带前方障碍物到发射点的距离为障碍物到车辆的垂直距离。为减少偏差，进一步认为到发射器1和2 距离的平均值为障碍物到车辆的距离。即：

D=241（△t1+△t2）/4  （2）

由图(1)中的水平平面图可以确定障碍物在平面空间所处的方位，找出障碍点与发射器之间连线和1、2发射器连线的夹角α和β。对平面图进行几何分析，有：

这样可由式（2）和式（3）解出角的大小。那么角为：

很明显，当α>90°或β>90°时，障碍物不在履带前方，可以不进行处理；单片机只对两夹角均不大于90度范围内的障碍物进行分析处理。

同样，由图（2）中的垂直平面图可以确定障碍物在垂直空间所处的方位，也即障碍物的高度（凸堆表示为高度，凹坑表示为深度）。设高度为h，与上面类似，同理有：

当h＞0时，表示障碍物为凸堆，且h为其高度；当h<0时，表示障碍物为凹坑，h为其深度。

由以上的分析推导，可以确定前方障碍物的距离、方位和高度。超声波传感器将上述信息传给单片机，由单片机根据程序软件对信号进行分析处理，发出指令，对车辆悬挂系统的弹簧与阻尼系数进行调整，确定最佳优化比，实现减振，提高行驶平顺性。

4 超声波传感器信息的采集与处理

由超声波传感器探测近距离路面障碍物信息，并采用单片机进行信号分析与处理。系统硬件部分由超声波发射接收电路和单片机控制系统组成。其实现原理框图如图(3)所示。

在履带车辆主动悬挂系统中，采用80C196／PLC单片机，作动器采用磁流变液这种新型智能材料，由磁流变阻尼器产生主动控制力，达到减振缓冲的目的。

其控制软件流程图如图（4）所示。

5 进一步探讨

在履带车辆主动悬挂系统的传感部分，采用多超声波传感器，按一定的位置关系在每侧履带设置四个超声波发射器和一个超声波接收器，对履带前方路面的凸堆和凹坑进行探测，确定障碍物的距离、方位和高度等信息。但超声波传感器也有一定的局限性，表现在探测波束角过大，而且使用单一的超声波传感器，其系统稳定性有时也不理想。如果采用其它传感器来补偿，或采用多传感器融合技术提高检测精度等，其性能可以得到很好的改善。在这里，加入红外线传感器和微波雷达，将这三种传感器集成在一起，进行信息融合。为了有效利用传感器信息，需要采用一种信息融合算法，如人工神经网络（ANN）、贝叶斯估计、SHAFTER－DEMPSTER推理、卡尔曼滤波等方法，对信息进行分析、综合与处理。