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骑幻旅程
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 共同執筆】2018年07月26日 星期四

浏览人次:【2701】
  

摘要

本文使用盛群微控制器HT66F70A为控制核心,设计一款能够自动调节避震器之智慧装置。透过应变规与加速度计感测路面之震动讯号,利用盛群微控制器判断目前的行驶路况如:平稳或颠颇,并输出适当的脉波调变讯号控制伺服马达调整避震器之阻尼系数以符合当下路况。此外加速度计可於骑乘者紧急煞车时感测加速度讯号执行预先判断,在避震器触底前会将阻尼调整至较硬,避免打滑翻车,提高骑乘的安全性。同时加速度计也可感测自行车腾空时,阻尼会自动调整至最软,使自行车在落地时能有效减震。本文具有多段模式调整,即时侦测路况避震器与骑乘情境自动化调整相对应之避震模式调整。除了能够提升骑乘的舒适感外,同时也能有效的提高骑乘安全性。


1. 前言

避震器的存在是为了缓冲路面的不平所造成的震动[1]-[4],在行驶不同的路面时能够保持车轮与路面的接触。一般登山越野自行车如果要调整避震器的软硬,都需要下车手动调整,并且在调整後不一定能够达到理想的避震软硬,无法带来最隹的骑乘舒适度。一般而言在平稳路面区段,将阻尼调整至最硬可以让骑乘者施力力道最有效传达至车轮。在颠颇路面则需要将阻尼调软,避免过大震动导致骑乘不舒适,甚至遇到较大坑洞时能避免摔车危险。本团队设计出能够不需下车手动调整,就能够随着不同的路面类型来自动调整避震器的系统。装上本文後,骑乘者不需要烦恼不同路面所造成的不适感,只需要专心享受骑乘自行车的乐趣,达到最隹的骑乘舒适度,


本文含有微控制器、应变规、AD转换模组、三轴加速度感测器以及伺服马达五项主要元件。当骑乘者骑乘在颠簸路面时,透过应变规侦测车身震动,经由AD转换模组将之数据滤波缩减後送至微控制器分析路面类型,再判断是否需要调节避震器,若需要调节,则透过微控制器控制伺服马达,再由伺服马达转动阻尼旋钮。煞车时为了不让避震器干扰煞车最好的状态,在煞车时马达会把避震器阻尼调制最硬让煞车不被影响。如有特殊情况,例如:自行车处於腾空状态时将避震器阻尼调至最软,来达到着地时最有效的减震。


2. 工作原理

本文结合多项创新软硬体功能以盛群HT66F70A晶片为主控制器,配合应变规、加速度感测器之自动调节避震器,其系统架构图如下图1所示,各项说明如下:



图1 : 自动调节避震器系统架构图
图1 : 自动调节避震器系统架构图

2.1系统流程图

下图为本文之系统流程图。装上本文骑乘时,应变规将感测路面的震动,经过AD转换讯号之数据滤波缩减後送至微控制器分析路面类型,再判断是否需要调节避震器。若需要调节,则透过微控制器运算控制伺服马达,再由伺服马达转动阻尼旋钮,自动调整至最适合路面与骑乘状态的模式。



图2 : 系统流程图
图2 : 系统流程图

2.2侦测路面

本文利用应变规电阻的拉伸或形变电阻值会改变的特性,透过惠斯登电桥量测其电压差,并进行放大运算与A/D转换,进而侦测前叉避震器的受力情形,以判断目前路面的状况。三轴加速度感测器的X轴数值可以侦测自行车紧急煞车时可能的前进速度,藉以控制阻尼避免避震器行程用尽导致危险。Z轴加速度值则可与应变规数值合并应用於判断车体是否属於腾空状态。



图3 : 应变规(上)及三轴加速度感测器
图3 : 应变规(上)及三轴加速度感测器

2.3自动判断路面

将采集之感测数值使用数位滤波器缩减後,用以调节避震器阻尼。如下图,可看出不同路段避震器须调整震动幅度不同。



图4 : 路面判断示意图
图4 : 路面判断示意图

2.4自动调整阻尼旋钮与手动按钮控制

分析路面後由微控制器判断是否需要调节避震器,若需要调节,则透过微控制器控制伺服马达,再由伺服马达转动阻尼旋钮,自动调整至最舒适的模式。


本文可使用按钮进行手动控制,让骑乘者可在骑乘中进行微调,达到自己最好的状况。


图5 : (上图)阻尼调整示意图;(下图) 按钮调整示意图
图5 : (上图)阻尼调整示意图;(下图) 按钮调整示意图

2.5紧急煞车避震器行程控制

按下煞车时如果三轴加速度感测器的X轴及应变规的感测数值会急遽变化。此时微控制器经过运算後会输出PWM讯号使伺服马达调整阻尼旋钮调整至较硬区域,预防避震器触底,提高骑乘者的安全。



图6 : 煞车动作示意图
图6 : 煞车动作示意图

2.6车体悬空状态侦测与调整

利用三轴加速度感测器的Z轴产生急剧变化及应变规感测压力来判断自行车是否在路面上,当判断为悬空状态时,阻尼旋钮调至最软达到最隹的减震效果。



图7 : 悬空状态示意图
图7 : 悬空状态示意图

3.作品结构

3.1盛群主控制器

盛群晶片HT66F70A:透过应变规量测数值,经过AD转换後,将数值传送至微控制器分析出路面的类型後,输出最适合的PWM讯号至伺服马达,再由伺服马达转动阻尼旋钮。



图8 : (上图)盛群晶片HT66F70A;(下图) 数位类比转换放大模组
图8 : (上图)盛群晶片HT66F70A;(下图) 数位类比转换放大模组

3.2数位类比A/D转换放大模组

数位类比转换放大模组用於转换类比讯号并放大为数位讯号输出,型号为HX711。此模组为一款专为高精度称重感测器而设计的24位A/D 转换器晶片。因为电桥输出电压值极小,因此本文使用该晶片的通道A输入电桥的输出电压,并利用该晶片内建之振荡器产生27个时脉将电压的增益设定为64,即可得到放大电压。再利用晶片进行A/D转换,将讯号输出至微控制器进行後续的运算分析。


3.3应变规与惠斯登电桥

应变规装置用於量测路面变化,型号为KFGS-5-120-C1-11。利用惠斯登电桥之不平衡的原理,造成一微电压之输出,再利用放大器将讯号处理成我们所需要之电压,去做量测,监控,以及回授控制。



图9 : 应变规电路
图9 : 应变规电路

3.4三轴加速度感测器

三轴加速度感测器用於侦测自行车是否为腾空状态,我们使用的ADXL335是一款带有信号调理电路的高精度模拟三轴加速度感测器。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。


图10 : (上图)三轴加速度计;(下图)控制避震器阻尼之伺服马达
图10 : (上图)三轴加速度计;(下图)控制避震器阻尼之伺服马达

3.5伺服马达

伺服马达装置用於自动转动阻尼旋钮机构,型号为GWS S125 1T 2BB。经过AD转换後,将数值传送至微控制器分析出路面的类型後,输出最适合的PWM讯号至伺服马达,再由伺服马达转动阻尼旋钮,使阻尼达到最合适的软硬度。


4. 测试方法

4.1作品构造

本文可使用在自行车可调式前叉避震器上,主要由应变规、AD转换模组构成的电路,加上自行设计的伺服机构造达到在任何可调式前叉避震器都能够轻易的装置,图11。


图11 : (上)作品全貌与实验平台;(中)前叉上方加速度计安装之电路板;(下) 应变规位置与可调式马达避震结构
图11 : (上)作品全貌与实验平台;(中)前叉上方加速度计安装之电路板;(下) 应变规位置与可调式马达避震结构

4.2分析数值

本实验以模拟不同路面,轮胎所受到的力道。路面平坦时,轮胎受到力道较小。路面颠颇时,轮胎受力大。


图12 : 应变规於不同模拟路面之数据
图12 : 应变规於不同模拟路面之数据

4.3手动按钮调整

本文还有设计按钮以便用於骑乘者可以选择自己最舒适的状况。按下按钮就能够自动调整到骑乘者想要的避震模式。



图13 : 按钮功能示意图
图13 : 按钮功能示意图

4.4紧急煞车避震器行程控制实验

按下煞车时,行进中的人体与车子具有向前的惯性,再加上重力加速度向下压,如果避震太软而触底可能造成翻车的危险,为了使骑乘者更安全,按下煞车时如果三轴加速度感测器的X轴及Z轴数值急遽变化,微控制器会输出PWM讯号使伺服马达调整阻尼旋钮至最硬,预防避震器触底,提高骑乘者的安全。



图14 : 煞车功能展示
图14 : 煞车功能展示

4.5车体悬空状态实验

此功能为骑乘者处於悬空状态。当应变规侦测不到压力且三轴加速度感测器感测到Z轴超出设定范围,将避震器阻尼调至最软,来达到着地时最有效的减震,如下图所示。


图15 : 悬空状态
图15 : 悬空状态

5. 叁考文献

[1] 避震系统 - 自行脚踏车机构介绍,http://pel.me.ntu.edu.tw/ntume_am/application/bike/8.%E9%81%BF%E9%9C%87%E7%B3%BB%E7%B5%B1/UntitledFrameset-8.htm


[2] 煞车对避震车架之影响-单车狂热Bike Mania,http://www.bike-mania.net/。


[3] 应变规 (Strain Gauge) 概述:量测原理、应用与不同种类详解,http://www.ni.com/white-paper/3642/zht/


[4] 加速度计和陀螺仪感测器:原理、检测与应用 - 电子工程专辑,http://archive.eettai


wan.com/www.eettaiwan.com/


(本文作者为树德科技大学电脑与通讯系陈智勇教授、吴昀泽、吴科毅、李岳勋、夏瑞毅)


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