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天外骑迹
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 陳智勇、徐偉倫等人】2016年07月20日 星期三

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本作品将汽机车已经拥有的防锁死煞车系统(Anti-lock braking system, ABS)应用在自行车上。自行车轮胎与地面的接触面积小,紧急煞车容易造成轮胎锁死,导致车体出现打滑而失控产生意外。本作品利用盛群微控制晶片,分析加速度计及霍尔感测器所采集之讯号,在煞车动作发生时判定车体是否有打滑的情形。同时设计一组相容于现有自行车煞车夹具以伺服马达控制之制动机构,在车体打滑时,松开煞车夹具释放煞车力道,带轮胎恢复转动后再继续恢复煞车力道,反覆执行至车体停止前进为止以维持最高煞车效率。本作品能减少打滑、失控、翻车等常见的自行车意外,并能于紧急状况发生时维持自行车的操控性,提升骑乘者的安全性。


前言

由于自行车重量轻、重心高、再加上工艺技术提升及优异的传动与制动设计,轻易就能将速度提升到30 km/hr以上,也可立即的将轮速降至静止装况。在骑乘的过程中如遇到突发状况需要紧急刹车时,骑乘者的习惯与不正确的刹车方式,容易造成轮胎锁死,发生打滑或翻车等意外。


高阶自行车煞车系统均有高效的制动能力,然而对于高制动能力所衍生安全性议题去较少讨论。防锁死煞车系统是目前解决此问题的重要技术,但是自行车的车体轻巧,制动结构与汽机车不同,系统开发时遭遇的困难点也不同。在自行车的领域,除了频率式释放煞车力道的夹具设计外,其他相关的产品尚未在市场上贩售。


本作品以FT66F70A盛群微控制器为基底设计自行车专用之ABS系统。目标为利用感测器判定车体与路面摩擦的状况,在煞车时以马达与机械方式释放有可能造成打滑的煞车力道,增加驾驶人的安全性。本设计也能相容于目前市售的公路车、越野车等自行车的煞车规格,安装简便实用性高。


工作原理

一般汽机车煞车系统从高速行驶刹车至车辆静止,过程中可能因轮胎锁死,导致危险情况。此问题在轮胎更为窄小的自行车上更为严重,说明如下:


直线煞车

当紧急煞车时,因轮胎锁死只剩下单一点与地面接触,无法提供足够的摩擦力造成更长的煞车距离,形成追撞意外或重心不稳造成摔车意外。


障碍物闪躲

骑乘时常需要靠煞车减慢自行车的速度以便安全地转弯或避开障碍物。但遇到如下图紧急情况时,即使车速不快,但因轮胎瞬间锁死而无法顺利闪避产生追撞,严重时甚至翻车。


转弯煞车打滑

转弯时因煞车控制不当或是煞车时轮胎遇到水或油等降低摩擦力的物质时,轻微的轮胎锁死痕容易发生摔车意外,如下图所示。


防锁死煞车系统

ABS的用意在于提供紧急煞车时适时释放煞车,让轮胎有更多面积与地面磨擦提供更多摩擦力,不仅可以减少煞车距离,轮胎也能够滚动前进,而非滑动前进。下图为ABS运作时煞车力道与车体轮速之间的关系图,由图可之煞车时轮速会快速下降,而车速并不会立即反映如果没有下降即代表车体正处于打滑状况。



图1 : 理想ABS煞车控制示意图
图1 : 理想ABS煞车控制示意图

系统架构图

为达成ABS工作目标,本作品以霍尔元件感测轮胎转速判定轮胎目前转动状态,再以加速度感测器量测煞车时,车体所发生的反作用力,借以估测目前是否为车轮锁死并滑行状态。下图为本作品的系统架构图,主要以盛群晶片HT66F70A为核心,接收感测器获得的数据,控制伺服马达机构及煞车机构,借此让煞车夹达到收放的功能。



图2 : 系统架构图
图2 : 系统架构图

系统流程图

下图为本作品的系统流程图,当使用者启动ABS开关,感测器会侦测煞车时的轮胎转速及加速度作用力G值大小,决定是否启动防锁死煞车系统。此系统开始运作后会反覆快速执行,直到车体静止为止。



图3 : 系统流程图
图3 : 系统流程图

作品结构

盛群微控制器

盛群晶片HT66F70A:将量测到的感测器数据经过A/D转换后,判别是否符合开启防锁死煞车系统的条件,再以脉波调变输出控制启动伺服马达控制煞车机构。


加速度感测器

ADXL335是美国模拟器件公司(ADI)推出的一款带有信号调理电路的高精度模拟三轴加速度感测器,是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三轴加速度计,提供经过信号处理的电压输出,该产品的满量程加速度测量范围为±3 g(最小值),可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度,以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。


而且具有出色的温度稳定性,功耗低。它可以使用于测量倾斜检?应用中的?态重力加速度,以及运动、?击或振动导致的动态加速度等。


霍尔感测器

霍尔效应(Hall effect)由Edwin Hall于1879发现,当电流通过固体导体(或半导体)且放在磁场内,导体内的电荷载子受到劳伦兹力而偏向一边,进而产生电压(霍尔电压)。根据此效应,便可侦测磁场、磁铁。


输入为磁感应强度,输出是一个数位电压讯号。可应用于无触点开关、汽车点火器、刹车电路、位置/转速检测与控制、安全报警装置、纺织控制系统..等。


伺服马达

伺服马达(Spektrum SPMSS6030)为标准数位高扭力伺服马达,其长40mm、宽20mm、高40 mm、重量53g,符合我们所需要的高扭力、体积小、重量轻的特性。当接上5V电源时,最高可耐重18公斤,速度为0.18秒/ 60°,达到我们控制煞车夹的力量与速度。


将齿轮锁在煞车线上,当使用者进行煞车动作时,齿轮连接轴碰触到微动开关,使盛群晶片接收到使用者煞车的讯号。


伺服摆臂和轴承与压缩弹簧

将伺服摆臂与轴承锁在伺服马的金属齿轮上,再将煞车线放置于轴承凹槽上。利用伺服马达控制伺服摆臂上下移动的特性,借此让煞车线呈现上下移动的现象,进而达到让煞车夹收放的功能。


压缩弹簧装置于伺服摆臂与轴承下方,使伺服摆臂出现无法向下的阻力,当防锁死煞车系统没有电力来源时,煞车系统还是能保有原有的煞车功能。


可调式降压模组

可输入直流电压范围为3.2V ~40V,可输出直流电压范围为1.2V~35V。


将行动电源的5V作为输入供电给伺服马达,调整输出值为3.3V供电给盛群晶片及各感测元件和开关。


测试方法

硬体系统安装

本作品共有六处需要安装连结,分别是行动电源、伺服马达、霍尔感测、加速度感测以及滑动和微动开关,连接完成后即可使用。


图4 : ABS系统模组硬体外观
图4 : ABS系统模组硬体外观

霍尔感测轮胎转速

霍尔感测器能够侦测磁铁,并且输出数位电压讯号,利用此方法判断轮胎处于转速状态。如下图所示,我们将16颗磁铁平均安装于圆盘中,将此磁铁圆盘装设于后轮,当盛群晶片获得16个电压讯号时,代表已转速一圈,将其与霍尔感测器安装于后轮,使盛群晶片可以获得霍尔转速的数据。当轮胎开始转速,后轮的霍尔感测器侦测磁铁圆盘,当霍尔感测器持续侦测到磁铁并产生电压讯号,代表轮胎处于转速的状态。本作品使用盛群晶片外部中断方式,当正缘触发时,计数器会累加,在一定时间内没有侦测到脉波变化,则代表轮胎已经发生锁死状态。


图5 : 霍尔转速波形图
图5 : 霍尔转速波形图

三轴加速度感测与车体滑行判定

硬体安装完成后,当自行车受到煞车时的震动时,三轴加速度感测器的数值会出现变化量。三轴加速度测试结果下图为未煞车时的三轴加速度数据,以及煞车瞬间停止的加速度数据,当使用者进行煞车急停时,三轴加速度的数值会发生明显变化。


当使用者手拉煞车时,微控制器会于0.5秒内收集数十笔三轴加速度所产生的变化值,观察其数值的变化判定是否为轮胎锁死,车体滑移的讯号。如下图所示,由实验得知当未煞车时X轴的数值约在339。当煞车时,X轴的数值约在170到700之间起伏,最终我们使用最近5笔加速度之平均大于过去扣除最近一笔之前6比平均值相减,若数值大于500这个数值即代表车体发生滑动。



图6 : 未煞车三轴加速度感测结果图
图6 : 未煞车三轴加速度感测结果图

图7 : 煞车三轴加速度感测结果图
图7 : 煞车三轴加速度感测结果图

伺服马达控制

我们将伺服马达固定在脉波宽度1.806ms的位置,此为正常一般煞车的煞车线位置,当脉波宽度为1.442ms时,伺服马达向下,煞车线带动煞车夹松开。



图8 : 伺服马达脉波宽度示意图
图8 : 伺服马达脉波宽度示意图

ABS制动机构动作测试

当驾驶人按压煞车握把时,如图20所示,煞车把手将会拉紧连结至制动机构的煞车线。在正常的情况下因线被拉紧,因此自行车的煞车夹具将会对煞车皮施加力道,贴紧至轮框产生制动力。


若系统未判定车体为滑动状态,反制动机构就不会动作,维持将煞车线绷紧之状态。此时煞车皮将紧贴于轮框之上。



图9 : ABS反制动机构未动作
图9 : ABS反制动机构未动作

反之,如下图所示,ABS机构将调整伺服马达角度松开煞车线,将煞车皮移开轮框,达成释放煞车的功效。反覆侦测打滑情况控制此反制动机构,即可达成ABS的功能。



图10 : 伺服马达脉波宽度示意图
图10 : 伺服马达脉波宽度示意图

测试防锁死煞车系统

为了模拟下雨天打滑的情形,所以我们在地板上布置水渍。当未开启ABS开关,进行煞车动作,轮胎出现打滑,无法控制煞车撞到物体。当开起ABS开关,释放煞车,停止滑行,使轮胎与地面有更多摩擦力,达到ABS安全煞车的效果。


(本文作者陈智勇1、徐伟伦2、杨瑞瑜3、戴翊钧4、李鉴鹏5为树德科技大学电脑与通讯系1助理教授及2-5研究生)


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