账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
出骑制胜
第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 陳智勇教授】2019年03月22日 星期五

浏览人次:【5160】
  

近年来环保节能风气盛行,自行车市场蓬勃发展,工艺技术的提升让自行车拥有十分优良的传动效率以及优秀的制动效果。相较於汽机车,自行车的车轮与路面接触较小,骑乘者的重心更高。因此骑乘习惯以及煞车方式更是直接影响到骑乘的安全性,紧急或错误的煞车方式可能会造成轮胎瞬间锁死,只剩下单一点与地面接触,无法提供足够的摩擦力,导致轮胎打滑、失控,让骑乘者重心不稳而发生摔车意外。高阶自行车上大多都装载着油压碟煞的煞车系统,也有许多自行车玩家会自行改装高性能之油压碟煞式的煞车系统,但油压碟煞在煞车时反应非常灵敏,可以轻易的让轮胎瞬间静止。市售的中高阶自行车在骑乘时都能轻易达到30km/hr以上,在紧急煞车时非常危险。一般而言,前轮锁死造成自行车向前翻覆的危险,後轮锁死则会造成打滑车轮偏移的危险。


防锁死煞车系统在汽机车上以验证可以有效降低车辆失控的意外、减少煞车距离、改善稳定性以及制动过程中提高车辆的操纵性,因此许多研发人员开始投入自行车ABS的相关产品研发[1]-[4],市面上也有简单功能的产品[5][6]。


但是自行车的车体轻巧,车上能够提供的动力以及空间有限,系统开发相较於汽机车更加困难。本作品以盛群微控制器为核心,设计自行车油压碟煞专用ABS系统,目标是透过霍尔式轮速感测器数据判断车轮减速度以及车体状态,煞车时利用伺服马达制动本作品制作之油压机构,释放可能造成轮胎锁死的煞车力道,增加骑乘者在骑乘时的安全性。


工作原理

本作品以盛群HT66F70A晶片为主控制器,判断霍尔式轮速感测器以及加速度计所收集的讯号,在由伺服马达制动机构控制油压碟煞,一般骑乘者在紧急煞车时会遇到的意外情形可分为下列三种讨论,并说明导入ABS技术之自行车,其安全性提升的情况。


直线煞车

当紧急煞车时,骑乘者因紧张仅能拉紧煞车,无法适当的控制煞车力道,导致更长的煞车距离形成追撞。自行车ABS的用意在於提供紧急煞车时适时松开卡钳来令片,让轮胎跟地面有更多的摩擦力,不仅可以减少煞车距离,还能够维持前进的移动惯性平衡,如下图1所示。



图1 : 直线煞车示意图
图1 : 直线煞车示意图

障碍物闪躲

骑乘时常需要依靠煞车减慢自行车的速度以便避开障碍物,但若是遇到紧急状况时,不当的煞车力道会造成轮胎锁死,让车身失去操控性而发生意外。装有ABS系统的自行车在煞车时能保有一定程度的操控力,让骑乘者能够控制车子行径的方向,降低滑出车道或是闪避失控的交通意外,如下图2所示。



图2 : 障碍物闪躲示意图
图2 : 障碍物闪躲示意图

煞车前翻

自行车重量轻,骑乘者使用前轮煞车时,车体重心向前移,轮胎若是锁死,前轮就如同支点,产生如图逆时针的力矩将後轮翻起造成往前翻车的意外。而ABS的功能能够适当的放开前轮煞车,避免前轮成为支点,让後轮保持煞车制动的功能,如下图3图4所示。



图3 : 煞车前翻示意图
图3 : 煞车前翻示意图

图4 : 前轮煞车原理
图4 : 前轮煞车原理

作品结构

系统架构图

本作品结合多项创新软硬体功能,以盛群HT66F70A晶片为主控制器,配合霍尔式轮速感测器、加速度计与伺服马达及ABS制动机构,控制油压碟煞,其系统架构图如下图5所示:



图5 : 系统架构图
图5 : 系统架构图

系统流程图

图6为本作品系统流程图,当紧急煞车时微控制器开始读取霍尔式轮速感测器得知目前轮速,并计算减速度判断轮胎是否为锁死,若是则在读取加速度感测器判断加速度值大小,若需要启动ABS系统,则此系统开始反覆作动至车体静止。



图6 : 系统流程图
图6 : 系统流程图

盛群晶片HT66F70A

微控制器式本作品的控制核心,透过数位类比转换收取加速度计的数据,并分析霍尔式轮速感测器所采集的讯号,判断是否需要启用防锁死系统,在输出PWM脉波调变讯号至伺服马达制动防锁死机构控制煞车。


图7 : 盛群微控制器
图7 : 盛群微控制器

加速度计ADXL335

ADXL335是ADI推出的高精度类比三轴加速度感测器,它是一款小巧,低功耗适合没有动力的自行车使用。三轴MEMS加速度计,具有信号调节电压输出。该产品以±3 g的最小满量程测量加速度,以测量倾斜感应应用中的重力静态加速度,适用於本作品量测煞车时的反作用力。


图8 : 加速度感测计
图8 : 加速度感测计

霍尔式轮速感测器

轮速感测器由霍尔效应原理制成,感测头结构由永磁体、霍尔元件及电子电路所组成如图9(左)。利用霍尔效应原理,在齿轮如图9(右)转动时,使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化,因而引起霍尔电压的变化,霍尔元件将输出一个mV级的准正弦波电压,此信号再经过电子电路转换成标准的脉冲电压。脉冲的频率,即每秒钟产生的脉冲个数,反映了车轮旋转的快慢,通过脉冲的频率即可得知车轮转速。



图9 : 霍尔式轮速感测器
图9 : 霍尔式轮速感测器

油压碟式煞车

透过液压的原理,当按下煞车手把时,会透过内部的煞车油放大以及传递压力,接着将卡钳中的活塞推出,让活塞上的来令片贴紧碟盘,达到煞车效果。在效能方面,因油压碟煞有更高的煞车力量和不同的杠杆比,拉制手的力量可以大大减少,而煞车的力量亦可以比其他煞车方式来的有效。



图10 : 油压碟煞
图10 : 油压碟煞

油压缸

油压缸是引动器之一种,液力由此转变为机械力,分成单动式和双动式,本作品使用单动式。单动式油压缸仅能做伸张动作,收回之动作需仰仗其他物品本身的重量或弹簧的力量。


图11 : 油压缸
图11 : 油压缸

拉力弹簧

拉力弹簧受外力影响时会向外拉伸,在拉伸时会起反向作用,且必需保持向中心收缩之力量。本作品使用之拉力弹簧会长时间拉住油压缸,让卡钳内部的油无法流动,因此当防锁死煞车系统无电力来源时,油压煞车系统仍可保持原煞车功能。


图12 : 拉力弹簧
图12 : 拉力弹簧

伺服马达

本作品将伺服马达用於拉伸拉力弹簧以及油压缸,开启油压缸内部空间。Futaba S9177SV为标准数位高扭力伺服马达,当接上7.4V 电源时,最高可耐重41 公斤,速度为0.11 秒/ 60。,符合本作品控制煞车油压需要的力量与速度。


图13 : 伺服马达
图13 : 伺服马达

测试方法

硬体系统安装

本作品将盛群微控制器HT66F70A安装於车头,前叉上方装有ADXL335加速度计,车轮旁设有霍尔式轮速感测器与ABS读取盘,车架上设置了ABS制动机构与行动源。如图14


图14 : 本作品硬体系统位置图
图14 : 本作品硬体系统位置图

油压碟煞ABS制动机构测试

按压煞车手把时,手把内部的活塞会向前推出,把力量传至煞车油路中的每一个点,我们将拉伸弹簧装於油压杆,藉由拉伸弹簧的拉力保持正常的煞车制动力道,让卡钳藉由活塞推动来令片,贴紧碟盘。当车体未被判定为打滑或者前翻的状态时,ABS制动机构不会作动,来令片会贴紧碟盘。


若ABS作动时,伺服马达调整角度拉开弹簧与油压杆,让煞车油管中内部的油压分散至油压缸内,松开卡钳活塞,达到释放煞车的功效,藉由反覆侦测车体的状态情况控制此制动机构,即可达成ABS的功能。


图15 : ABS装置动作图
图15 : ABS装置动作图

霍尔式轮速感测器

齿盘的转动交替改变磁阻,引起磁感应强度变化,即可测取感测器输出的电压讯号。透过上述原理我们将此轮速读取盘装设於前轮,感应电压讯号,计算车轮轮速。将轮速感测器的输出连结至盛群晶片输入缴,使盛群晶片的外部中断功能可以获得当前转速数据(图16)。


图16 : 霍尔感测元件取得之前轮转速脉波讯号
图16 : 霍尔感测元件取得之前轮转速脉波讯号

伺服马达脉波调变讯号测试

控制油压缸连杆的伺服马达受控於PWM讯号如图17所示,当ABS无作动时,马达需接收到2.0 ms脉波。当马达收到0.9ms的脉波时也就是ABS开始作动的位置。



图17 : 微控制器输出之脉波宽度调变讯号
图17 : 微控制器输出之脉波宽度调变讯号

三轴感测器急煞数据感测测试

我们将自行车测试两种状况,第一种状况是当自行车行驶於一般柏油路、红砖道、磁砖路紧急煞车时的情境,当自行车前轮煞车锁死滑行时的讯号如图18上方所示。当自行车前轮在正常情况下煞车至静止时的讯号如图18下方所示。本作品利用这两类讯号不同的特性,将紧急煞车时瞬间300ms内的数据以标准差公式运算,配合观测变异数变动的时间,以及轮速是否快速下降的讯息,可以判定目前是否处於轮胎锁死的状态,再决定是否送出讯号进行释放煞车油压。



图18 : 各道路X轴加速度感测数据
图18 : 各道路X轴加速度感测数据

4.6测试防锁死煞车系统


本实验找寻一个下坡的场地,红砖道路面,将车速加速至15km/hr以上,实验时仅使用前轮煞车,设计此情境最容易发生後轮离地的情况,是一种非常危险的煞车方式。主要为刻意展示ABS的效果。实际於下坡紧急煞车时,可以看到图19有无ABS的差别。当发生紧急煞车,有作动ABS时,能够避免前轮锁死形成支点,造成往前翻覆的意外,如图19(右)所示。若ABS无作动则因前轮锁死而造成往前翻覆的意外。



图19 : BS下坡急煞测试
图19 : BS下坡急煞测试

(本文作者为树德科技大学电脑与通讯系 陈智勇教授、杨定晔、蔡明智、王信??、柯志龙)

叁考文献

[1]自行车防锁死煞车器之设计与分析,硕士论文,吕羽轩,台北科技大学,机电整合研究所,2013。


[2]US5566789, Allen, B. William, Bicycle anti-locking brake, 美国专利, 1996/10/22.


[3]CN201769977, 马承鹏, 一种自行车abs?车装置, 中国专利, 2011/3/23.


[4]363576,阮志成,自行车防锁死煞车装置,台湾专利, 1999/07/01.


[5]USD595626, T.-C. Huang, Bicycle ABS brake, 2009/7/7.


[6]US6786308, T.-C. Huang, Anti-lock brake system for a bicycle, 2004/9/7.


相关文章
永远不会忘记袋--适用於高龄者之记忆辅助背包
物件追踪之两轮机器人
具有物联网功能之圆孔盖
微型感测器使车辆变得更加智慧
超━虚实体感互动系统设计
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Arduino Motor Shield
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Arduino
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» 工研院iRoadSafe勇夺2019年ITS世界大会产业成就奖
» 甲骨文最新调查:64%员工信任机器人更胜於老板
» 2019医电高峰论坛交流 台厂汇优势抢进新南向商机
» 2019 TPCA东台精机大台面高阶机种强攻5G、半导体商机
» 精密机床技术发展趋势 将朝加工极限方向发展
  相关产品
» 工业4.0中的快速和安全 长行程中使用igus智慧供能系统
» 新型扁纤填料射出 现在可以模拟了
» 意法半导体推出64通道高压开关IC 助医疗与工业影像系统提升性能
» DELO推出紧凑型LED固化灯DELOLUX 503
» Bourns推出微型化可复位温度保护器TCO
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw