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出騎制勝
第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 陳智勇教授】   2019年03月22日 星期五

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近年來環保節能風氣盛行,自行車市場蓬勃發展,工藝技術的提昇讓自行車擁有十分優良的傳動效率以及優秀的制動效果。相較於汽機車,自行車的車輪與路面接觸較小,騎乘者的重心更高。


因此騎乘習慣以及煞車方式更是直接影響到騎乘的安全性,緊急或錯誤的煞車方式可能會造成輪胎瞬間鎖死,只剩下單一點與地面接觸,無法提供足夠的摩擦力,導致輪胎打滑、失控,讓騎乘者重心不穩而發生摔車意外。


高階自行車上大多都裝載著油壓碟煞的煞車系統,也有許多自行車玩家會自行改裝高性能之油壓碟煞式的煞車系統,但油壓碟煞在煞車時反應非常靈敏,可以輕易的讓輪胎瞬間靜止。市售的中高階自行車在騎乘時都能輕易達到30km/hr以上,在緊急煞車時非常危險。一般而言,前輪鎖死造成自行車向前翻覆的危險,後輪鎖死則會造成打滑車輪偏移的危險。


防鎖死煞車系統在汽機車上以驗證可以有效降低車輛失控的意外、減少煞車距離、改善穩定性以及制動過程中提高車輛的操縱性,因此許多研發人員開始投入自行車ABS的相關產品研發[1]-[4],市面上也有簡單功能的產品[5][6]。


但是自行車的車體輕巧,車上能夠提供的動力以及空間有限,系統開發相較於汽機車更加困難。本作品以盛群微控制器為核心,設計自行車油壓碟煞專用ABS系統,目標是透過霍爾式輪速感測器數據判斷車輪減速度以及車體狀態,煞車時利用伺服馬達制動本作品製作之油壓機構,釋放可能造成輪胎鎖死的煞車力道,增加騎乘者在騎乘時的安全性。


工作原理

本作品以盛群HT66F70A晶片為主控制器,判斷霍爾式輪速感測器以及加速度計所收集的訊號,在由伺服馬達制動機構控制油壓碟煞,一般騎乘者在緊急煞車時會遇到的意外情形可分為下列三種討論,並說明導入ABS技術之自行車,其安全性提升的情況。


直線煞車

當緊急煞車時,騎乘者因緊張僅能拉緊煞車,無法適當的控制煞車力道,導致更長的煞車距離形成追撞。自行車ABS的用意在於提供緊急煞車時適時鬆開卡鉗來令片,讓輪胎跟地面有更多的摩擦力,不僅可以減少煞車距離,還能夠維持前進的移動慣性平衡,如下圖1所示。



圖1 : 直線煞車示意圖
圖1 : 直線煞車示意圖

障礙物閃躲

騎乘時常需要依靠煞車減慢自行車的速度以便避開障礙物,但若是遇到緊急狀況時,不當的煞車力道會造成輪胎鎖死,讓車身失去操控性而發生意外。裝有ABS系統的自行車在煞車時能保有一定程度的操控力,讓騎乘者能夠控制車子行徑的方向,降低滑出車道或是閃避失控的交通意外,如下圖2所示。



圖2 : 障礙物閃躲示意圖
圖2 : 障礙物閃躲示意圖

煞車前翻

自行車重量輕,騎乘者使用前輪煞車時,車體重心向前移,輪胎若是鎖死,前輪就如同支點,產生如圖逆時針的力矩將後輪翻起造成往前翻車的意外。而ABS的功能能夠適當的放開前輪煞車,避免前輪成為支點,讓後輪保持煞車制動的功能,如下圖3圖4所示。



圖3 : 煞車前翻示意圖
圖3 : 煞車前翻示意圖

圖4 : 前輪煞車原理
圖4 : 前輪煞車原理

作品結構

系統架構圖

本作品結合多項創新軟硬體功能,以盛群HT66F70A晶片為主控制器,配合霍爾式輪速感測器、加速度計與伺服馬達及ABS制動機構,控制油壓碟煞,其系統架構圖如下圖5所示:



圖5 : 系統架構圖
圖5 : 系統架構圖

系統流程圖

圖6為本作品系統流程圖,當緊急煞車時微控制器開始讀取霍爾式輪速感測器得知目前輪速,並計算減速度判斷輪胎是否為鎖死,若是則在讀取加速度感測器判斷加速度值大小,若需要啟動ABS系統,則此系統開始反覆作動至車體靜止。



圖6 : 系統流程圖
圖6 : 系統流程圖

盛群晶片HT66F70A

微控制器式本作品的控制核心,透過數位類比轉換收取加速度計的數據,並分析霍爾式輪速感測器所採集的訊號,判斷是否需要啟用防鎖死系統,在輸出PWM脈波調變訊號至伺服馬達制動防鎖死機構控制煞車。


圖7 : 盛群微控制器
圖7 : 盛群微控制器

加速度計ADXL335

ADXL335是ADI推出的高精度類比三軸加速度感測器,它是一款小巧,低功耗適合沒有動力的自行車使用。三軸MEMS加速度計,具有信號調節電壓輸出。該產品以±3 g的最小滿量程測量加速度,以測量傾斜感應應用中的重力靜態加速度,適用於本作品量測煞車時的反作用力。


圖8 : 加速度感測計
圖8 : 加速度感測計

霍爾式輪速感測器

輪速感測器由霍爾效應原理製成,感測頭結構由永磁體、霍爾元件及電子電路所組成如圖9(左)。利用霍爾效應原理,在齒輪如圖9(右)轉動時,使得穿過霍爾元件的磁力線密度發生變化,因而引起霍爾電壓的變化,霍爾元件將輸出一個mV級的准正弦波電壓,此信號再經過電子電路轉換成標準的脈衝電壓。脈衝的頻率,即每秒鐘產生的脈衝個數,反映了車輪旋轉的快慢,通過脈衝的頻率即可得知車輪轉速。



圖9 : 霍爾式輪速感測器
圖9 : 霍爾式輪速感測器

油壓碟式煞車

透過液壓的原理,當按下煞車手把時,會透過內部的煞車油放大以及傳遞壓力,接著將卡鉗中的活塞推出,讓活塞上的來令片貼緊碟盤,達到煞車效果。在效能方面,因油壓碟煞有更高的煞車力量和不同的槓桿比,拉制手的力量可以大大減少,而煞車的力量亦可以比其他煞車方式來的有效。



圖10 : 油壓碟煞
圖10 : 油壓碟煞

油壓缸

油壓缸是引動器之一種,液力由此轉變為機械力,分成單動式和雙動式,本作品使用單動式。單動式油壓缸僅能做伸張動作,收回之動作需仰仗其他物品本身的重量或彈簧的力量。


圖11 : 油壓缸
圖11 : 油壓缸

拉力彈簧

拉力彈簧受外力影響時會向外拉伸,在拉伸時會起反向作用,且必需保持向中心收縮之力量。本作品使用之拉力彈簧會長時間拉住油壓缸,讓卡鉗內部的油無法流動,因此當防鎖死煞車系統無電力來源時,油壓煞車系統仍可保持原煞車功能。


圖12 : 拉力彈簧
圖12 : 拉力彈簧

伺服馬達

本作品將伺服馬達用於拉伸拉力彈簧以及油壓缸,開啟油壓缸內部空間。Futaba S9177SV為標準數位高扭力伺服馬達,當接上7.4V 電源時,最高可耐重41 公斤,速度為0.11 秒/ 60°,符合本作品控制煞車油壓需要的力量與速度。


圖13 : 伺服馬達
圖13 : 伺服馬達

測試方法

硬體系統安裝

本作品將盛群微控制器HT66F70A安裝於車頭,前叉上方裝有ADXL335加速度計,車輪旁設有霍爾式輪速感測器與ABS讀取盤,車架上設置了ABS制動機構與行動源。如圖14


圖14 : 本作品硬體系統位置圖
圖14 : 本作品硬體系統位置圖

油壓碟煞ABS制動機構測試

按壓煞車手把時,手把內部的活塞會向前推出,把力量傳至煞車油路中的每一個點,我們將拉伸彈簧裝於油壓桿,藉由拉伸彈簧的拉力保持正常的煞車制動力道,讓卡鉗藉由活塞推動來令片,貼緊碟盤。當車體未被判定為打滑或者前翻的狀態時,ABS制動機構不會作動,來令片會貼緊碟盤。


若ABS作動時,伺服馬達調整角度拉開彈簧與油壓桿,讓煞車油管中內部的油壓分散至油壓缸內,鬆開卡鉗活塞,達到釋放煞車的功效,藉由反覆偵測車體的狀態情況控制此制動機構,即可達成ABS的功能。


圖15 : ABS裝置動作圖
圖15 : ABS裝置動作圖

霍爾式輪速感測器

齒盤的轉動交替改變磁阻,引起磁感應強度變化,即可測取感測器輸出的電壓訊號。透過上述原理我們將此輪速讀取盤裝設於前輪,感應電壓訊號,計算車輪輪速。將輪速感測器的輸出連結至盛群晶片輸入繳,使盛群晶片的外部中斷功能可以獲得當前轉速數據(圖16)。


圖16 : 霍爾感測元件取得之前輪轉速脈波訊號
圖16 : 霍爾感測元件取得之前輪轉速脈波訊號

伺服馬達脈波調變訊號測試

控制油壓缸連桿的伺服馬達受控於PWM訊號如圖17所示,當ABS無作動時,馬達需接收到2.0 ms脈波。當馬達收到0.9ms的脈波時也就是ABS開始作動的位置。



圖17 : 微控制器輸出之脈波寬度調變訊號
圖17 : 微控制器輸出之脈波寬度調變訊號

三軸感測器急煞數據感測測試

我們將自行車測試兩種狀況,第一種狀況是當自行車行駛於一般柏油路、紅磚道、磁磚路緊急煞車時的情境,當自行車前輪煞車鎖死滑行時的訊號如圖18上方所示。當自行車前輪在正常情況下煞車至靜止時的訊號如圖18下方所示。本作品利用這兩類訊號不同的特性,將緊急煞車時瞬間300ms內的數據以標準差公式運算,配合觀測變異數變動的時間,以及輪速是否快速下降的訊息,可以判定目前是否處於輪胎鎖死的狀態,再決定是否送出訊號進行釋放煞車油壓。



圖18 : 各道路X軸加速度感測數據
圖18 : 各道路X軸加速度感測數據

測試防鎖死煞車系統

本實驗找尋一個下坡的場地,紅磚道路面,將車速加速至15km/hr以上,實驗時僅使用前輪煞車,設計此情境最容易發生後輪離地的情況,是一種非常危險的煞車方式。主要為刻意展示ABS的效果。實際於下坡緊急煞車時,可以看到圖19有無ABS的差別。當發生緊急煞車,有作動ABS時,能夠避免前輪鎖死形成支點,造成往前翻覆的意外,如圖19(右)所示。若ABS無作動則因前輪鎖死而造成往前翻覆的意外。



圖19 : BS下坡急煞測試
圖19 : BS下坡急煞測試

(本文作者為樹德科技大學電腦與通訊系 陳智勇教授、楊定曄、蔡明智、王信驊、柯志龍)

參考文獻

[1]自行車防鎖死煞車器之設計與分析,碩士論文,呂羽軒,臺北科技大學,機電整合研究所,2013。


[2]US5566789, Allen, B. William, Bicycle anti-locking brake, 美國專利, 1996/10/22.


[3]CN201769977, 馬承鵬, 一種自行車abs?車裝置, 中國專利, 2011/3/23.


[4]363576,阮志成,自行車防鎖死煞車裝置,台灣專利, 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.


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