一种基于加速度传感器的婴儿车智能刹车系统研究

一种基于加速度传感器的婴儿车智能刹车系统研究婴儿车的首要性能指标是什么？市场调查结果[1]表明，在总共19项指标中，72.6%的购买者或潜在购买者将“安全性”放在第一位。婴儿车的安全关系到婴儿的生命、家庭的幸福和希望，关乎社会的和谐，不能有任何漏洞和侥幸。与安全性能相比，婴儿车的任何其它功能和性能都是次要的。2009年10月16日，在澳大利亚一处火车站，一辆载有6个月大婴儿的婴儿车因为母亲提行李取车票而一时脱手导致滑下月台，被进站的火车碾过，万幸的是婴儿死里逃生。BBC关于此次事故的新闻报道[2]截屏图如图1所示。事故发生的原因究竟隐藏在哪里？由图2可知，虽然目前市售的婴儿车普遍配有脚踩式刹车机构，但如果因人为疏忽或者其它原因，仍然极有可能在刹车没有被踩下的情况下脱离监护人的控制，致使悲剧发生。笔者研究利用加速度传感器设计一套合理可靠的坡度敏感的智能刹车系统，以防止婴儿车位于斜坡上时，由于监护人在复杂境况下的疏忽致使其失控滑离，从而发生意外。1、系统总体设计图3是坡度敏感智能刹车系统的功能模块框图。各模块功能简介如下：（1）姿态采集模块：姿态实时检测数据被用来判断婴儿车所在路面的坡度；（2）监护人掌控判断模块：负责判断婴儿车是否在监护人掌控中；（3）核心控制模块：一个以MCU为主控芯片的最小系统，完成程序运行、信息采集、刹车制动和整个系统的协调控制等任务；（4）刹车驱动模块：以推挽式电磁铁作为主要动作部件，带动刹车片对轮胎予以制动；（5）太阳能电源监控模块：蓄电池被光伏电池组充电并为刹车系统供电，监控电路将实时监测得到的光伏阵列输出电压、充电电压和蓄电池电压值及相对大小关系馈送给主控制系统。系统安全运行与控制逻辑如图4所示。2、倾角测量原理2.1传感器原理与结构虽然加速度传感器的结构各异，但均包括惯性质量块、支撑梁、固定电容极板和可动电容极板，其典型机械模型见图5，其中惯性质量块满足振动方程[3-5]mx+cx+kx=ma（1）式（1）中，m为惯性质量块的质量，c为系统的阻尼系数，k为弹簧的弹性系数。解式（1）微分方程可得加速度与微小位移的关系。3、主要模块实现3.1主系统功能模块的实现3.1.1核心模块以STC89C52型MCU为主控芯片，完成姿态采集、刹车驱动、监护人掌控判断和太阳能电源监控等任务（图8a）。3.1.2姿态采集三轴加速度计ADXL345（见图8b）的数字输出为16位二进制补码格式，分辨率为3.9mg/LSB，倾斜角度测量精度为0.22°。文中选用I2C数字接口访问，使用400kHzI2C，最大输出数据速率为800Hz。3.1.3刹车装置推挽式电磁铁通电时，活动铁心带动刹车片将轮胎抱死，从而实现制动。电磁铁断电时，活动铁心同轴的弹簧使其复位，刹车片受其带动脱离轮胎表面（图8c）。3.1.4监护人掌控判别模块该模块主要由两个可提供电路通断信号的把手组成（图8d）。监护人在推行婴儿车时，需要先捏住两个把手，判别模块据此认为婴儿车处于监护人掌控中。仅一个把手被捏住或两个把手均被松开，则认为婴儿车脱离了监护人的掌控。3.2失调误差的补偿以单轴测量为例，设当倾角为0度时x轴上有加速度分量|gx0|，即为失调误差，可采用单点校准技术测得并按下式予以消除[8]Aout=Aoffset+（Gain·Aactual）（9）其中，Aout是消除误差后的准确值，Aoffset是失调误差，Aactual是加速度计测得的瞬时加速度，Gain是加速度计的增益。文中对所用加速度计的失调误差进行校准并补偿处理的程序如图9。3.3太阳能动力系统图10为太阳能电源监控系统。监测电路实时监测光伏板阵列输出电压、充电电压和蓄电池端电压，并将相对大小关系馈送给主控制系统。核心控制模块负责控制各电子开关的动作。监控方式为恒定电压跟踪法，即通过合理选择太阳能光伏板的串并联个数，使光伏板阵列在最大功率点附近的运行电压近似于蓄电池的端电压，以获得蓄电池和光伏板阵列之间的最佳电压匹配。当阳光充足时，光伏板组向蓄电池充电；当阳光强度不足时，停止充电。4、结语文中介绍了坡度敏感的婴儿车智能刹车系统的设计方案和样机制作。采用了基于加速度测量技术的倾角传感器并采取了提高测量精度的措施，在主控芯片中植入了能应对多种使用工况的婴儿车安全运行程序。系统还利用太阳能电源供电，是一个清洁能源机器。样机试验结果表明，该系统具有灵敏的坡度检测效果和快速的刹车响应，动作准确可靠，符合人群使用习惯。配置该刹车系统的婴儿车安全系数高，具有较高实用价值。