基于线位移传感器系统的双气室空气悬架控制设计

董家轩

摘  要： 针对目前中国汽车工程学会Baja赛事中的越野环境，可能会发生一些较为明显的侧倾现象，甚至会产生侧翻的情况，设计了一款配合单片机传感器系统的交叉型空气悬架控制系统，基于线位移传感器的实时数据利用交叉型双气室空气互联悬架与电磁阀的配合工作实现对巴哈赛车的侧倾处理。达到减小侧倾现象，降低侧翻的产生率，从而提高赛车安全。

关键字：线位移传感器;空气悬架;巴哈赛车;

1 项目背景及研究意义

1.1项目的背景

在2015年巴哈赛事由中国汽车工程学会将引入国内。至今已举办过五届巴哈大赛。其一般驾驶环境和比赛环境多为不平整的山地、草地或是其他更恶劣的环境，路面较为崎岖且有很多小型障碍如中小型石块等的障碍，并且车手在做转向时就会有很大的侧倾趋势，若碰到一些 小型障碍物甚至会有赛车侧翻的可能性，这无论是对车手本身还是Baja赛车的机械部件而言还是电子部件而言都会造成一定程度的损伤，有时可能会造成很严重的人力财力损失。

目前在Baja赛车上对于防侧倾的部件并不能起到很强的作用。针对上述的现状，我们提出了“基于线位移传感器系统的双气室空气悬架控制设计” 。利用双气室空气悬架良好抗侧倾的优点结合传感器系统控制优化达到更好的抗侧倾效果。

1.2研究意义

双气室空气悬架能够提高汽车的平顺性，并且还有着阻尼性能调节方便等优点，整车抗侧倾能力上也有更好的效果。此外，配合以电气部分的传感器进行工作，通过安装在Baja赛车悬架上的线位移传感器利用中心MCU通过一定的信号转换数据处理取得赛车四个悬架的实时位移数据，并进行一定的数据分析，配合控制安装在空气弹簧各气囊的空气连通处的电磁阀，调节空气弹簧气体输送阻尼从而达到控制空气弹簧气体流通来智能化辅助控制整个系统的工作，通过两者配合工作来降低车身侧倾的程度。

2.项目内容的研究

2.1技术总体思路

本项目重点在于实时调节空气悬架来减小车身的侧倾。为解决此类问题，项目组综合分析如下：设计并安装双气室空气悬架，然后对赛车上进行电气线路布置。通过电气系统对车身姿态的实时检测，调节空气悬架的气体阻尼。

2.2技术实施原理与设计方案

本系统的工作原理主要是通过赛车行驶时分析车身四个独立悬架的位移变化数据，基于车辆的悬架弹性力学，对车身姿态进行实时的分析，从而根据分析结果实时对安装在空气悬架上的电磁阀进行实时的信号控制，调节空气阻尼，进而调节空气悬架的性能。从能减弱车身的侧倾趋势。保证车身减小侧倾的同时提高过弯的效率。

（1）双气室空气悬架：双气室空气悬架有着更优异的防侧倾效果，在设计空气悬架的一些参数时， 首先对悬架垂向刚度与侧倾角刚度进行分析，然后利用 AMEsim 仿真软件搭建气体耦合模型与巴哈赛车的动力学模型交互，再结合不同转弯路况下试验，对交叉型空气互联悬架的侧倾特性进行研究。

（2）电气系统数据采集：传感器所采集得到的信号为模拟信号，而处理器无法读取这样的信号，通过ADC模块，将传感器得到的数字信号转变为可供单片机系统读取的数字信号，再进行进一步的数字换算，以及设定的数据分析流程，从而实现对车身姿态的检测。最终得到的数据也可以使用Matlab等数据分析软件进行实验结果的分析。

3.数据采集与试验

在整体设备设计搭建完成后我们需要采集一些巴哈赛车行驶时的数据，则为我们所搭建的双气室空气悬架。通过特定的转弯行驶测试，分析传感器数据，以确定控制系统的一些参数，以便更好地控制气室内气体的流通来降低巴哈赛车侧倾现象。

对于车身姿态的研究我们并没有使用陀螺仪加速度计等相关传感器，而是使用固定在悬架上的线位移传感器，通过观察赛车上四个悬架的伸缩量从而获取赛车的姿态数据。我们利用单片机传感器配合，并配以车队专用的下位机软件进行无线数据接受。通过安装在赛车悬架上的四个线位移传感器，利用单片机ADC数据采集转换得到实际的悬架伸缩量，从而采集得到赛车行驶时的实时姿态跳动数据。

数据通信方面，传统的有线数据传输需要将电脑放在行驶的赛车中，对车手造成极大的不便利。相比之下，无线数据传输则免去了这些问题，但是无线通信受限于距离的问题，我们对多种无线通信方式，如蓝牙，Wi-FI，LoRa等通信模式做对比，蓝牙通信的优点是可以用带有蓝牙功能的移动设备（如手机/笔记本电脑），都可以接收到实时数据，但缺点是通信距离短。LORA通信的优点是通信距离长达3000m，但缺点是他不能与手机进行通信。综上，我们选择使用LoRa通信进作为传感器数据传输方式。并配合电脑上的上位机软件，进行数据接受。

通过分析赛车在不同程度的转弯程度下以及不同路面下的行驶时悬架跳动数据。最终确定控制程序中的PID控制系数以及阻尼系数控制参数等相关参数。就此，传感器与单片机电控系统可以与机械部分的双气室空气悬架完成配合工作。

4.总结

双气室互联电控设计悬架不仅消耗更少的动力，而且还可以在不同的车轮之间传递推力。 通过电子控制和调整，车辆在各种地形条件下都实现了出色的机动性。使得赛车在转向以及颠簸里面上具有更良好的车辆控制效果以及更小的侧倾程度，提高了驾驶效率的同时还减小了赛车侧倾甚至侧翻的风险。具有很强的科学实际意义。目前该设备应用于巴哈赛车上做行驶使用，该设备未来可应用于全地形车来降低侧翻风险。通过该项目我们完成了以下几点：

1）成功搭建起了一套完整可行且有效的交叉型双气室空气互联悬架。

2）建立处一套完整的以MCU为核心搭配以传感器为数据源的电控系统，并编程出对应的控制程序，实现了对交叉型双气室空气悬架的数据检测与控制。

3）根据在同一场地上安装有空气悬架和未安装有空气悬架的对比测试数据显示，车身的侧倾程度有进一步的改善约有20%～25%，同时在燃油巴哈赛车工作室练车过程中车手也表示驾驶感觉有进一步的提高。并打算该系统带入赛场中。

参考文献

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创新训练项目：交叉型双气室空气互联悬架电控设计，编号 S202010497162