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天外騎蹟
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 陳智勇、徐偉倫等人】   2016年07月20日 星期三

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本作品將汽機車已經擁有的防鎖死煞車系統(Anti-lock braking system, ABS)應用在自行車上。自行車輪胎與地面的接觸面積小,緊急煞車容易造成輪胎鎖死,導致車體出現打滑而失控產生意外。本作品利用盛群微控制晶片,分析加速度計及霍爾感測器所採集之訊號,在煞車動作發生時判定車體是否有打滑的情形。同時設計一組相容於現有自行車煞車夾具以伺服馬達控制之制動機構,在車體打滑時,鬆開煞車夾具釋放煞車力道,帶輪胎恢復轉動後再繼續恢復煞車力道,反覆執行至車體停止前進為止以維持最高煞車效率。本作品能減少打滑、失控、翻車等常見的自行車意外,並能於緊急狀況發生時維持自行車的操控性,提升騎乘者的安全性。


前言

由於自行車重量輕、重心高、再加上工藝技術提升及優異的傳動與制動設計,輕易就能將速度提升到30 km/hr以上,也可立即的將輪速降至靜止裝況。在騎乘的過程中如遇到突發狀況需要緊急剎車時,騎乘者的習慣與不正確的剎車方式,容易造成輪胎鎖死,發生打滑或翻車等意外。


高階自行車煞車系統均有高效的制動能力,然而對於高制動能力所衍生安全性議題去較少討論。防鎖死煞車系統是目前解決此問題的重要技術,但是自行車的車體輕巧,制動結構與汽機車不同,系統開發時遭遇的困難點也不同。在自行車的領域,除了頻率式釋放煞車力道的夾具設計外,其他相關的產品尚未在市場上販售。


本作品以FT66F70A盛群微控制器為基底設計自行車專用之ABS系統。目標為利用感測器判定車體與路面摩擦的狀況,在煞車時以馬達與機械方式釋放有可能造成打滑的煞車力道,增加駕駛人的安全性。本設計也能相容於目前市售的公路車、越野車等自行車的煞車規格,安裝簡便實用性高。


工作原理

一般汽機車煞車系統從高速行駛煞車至車輛靜止,過程中可能因輪胎鎖死,導致危險情況。此問題在輪胎更為窄小的自行車上更為嚴重,說明如下:


直線煞車

當緊急煞車時,因輪胎鎖死只剩下單一點與地面接觸,無法提供足夠的摩擦力造成更長的煞車距離,形成追撞意外或重心不穩造成摔車意外。


障礙物閃躲

騎乘時常需要靠煞車減慢自行車的速度以便安全地轉彎或避開障礙物。但遇到如下圖緊急情況時,即使車速不快,但因輪胎瞬間鎖死而無法順利閃避產生追撞,嚴重時甚至翻車。


轉彎煞車打滑

轉彎時因煞車控制不當或是煞車時輪胎遇到水或油等降低摩擦力的物質時,輕微的輪胎鎖死痕容易發生摔車意外,如下圖所示。


防鎖死煞車系統

ABS的用意在於提供緊急煞車時適時釋放煞車,讓輪胎有更多面積與地面磨擦提供更多摩擦力,不僅可以減少煞車距離,輪胎也能夠滾動前進,而非滑動前進。下圖為ABS運作時煞車力道與車體輪速之間的關係圖,由圖可之煞車時輪速會快速下降,而車速並不會立即反映如果沒有下降即代表車體正處於打滑狀況。



圖1 : 理想ABS煞車控制示意圖
圖1 : 理想ABS煞車控制示意圖

系統架構圖

為達成ABS工作目標,本作品以霍爾元件感測輪胎轉速判定輪胎目前轉動狀態,再以加速度感測器量測煞車時,車體所發生的反作用力,藉以估測目前是否為車輪鎖死並滑行狀態。下圖為本作品的系統架構圖,主要以盛群晶片HT66F70A為核心,接收感測器獲得的數據,控制伺服馬達機構及煞車機構,藉此讓煞車夾達到收放的功能。



圖2 : 系統架構圖
圖2 : 系統架構圖

系統流程圖

下圖為本作品的系統流程圖,當使用者啟動ABS開關,感測器會偵測煞車時的輪胎轉速及加速度作用力G值大小,決定是否啟動防鎖死煞車系統。此系統開始運作後會反覆快速執行,直到車體靜止為止。



圖3 : 系統流程圖
圖3 : 系統流程圖

作品結構

盛群微控制器

盛群晶片HT66F70A:將量測到的感測器數據經過A/D轉換後,判別是否符合開啟防鎖死煞車系統的條件,再以脈波調變輸出控制啟動伺服馬達控制煞車機構。


加速度感測器

ADXL335是美國模擬器件公司(ADI)推出的一款帶有信號調理電路的高精度模擬三軸加速度感測器,是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三軸加速度計,提供經過信號處理的電壓輸出,該產品的滿量程加速度測量範圍為 ±3 g(最小值),可以測量傾斜檢測應用中的靜態重力加速度,以及運動、衝擊或振動導致的動態加速度。


而且具有出色的溫度穩定性,功耗低。它可以使用於測量傾斜檢?應用中的?態重力加速度,以及運動、?擊或振動導致的動態加速度等。


霍爾感測器

霍爾效應(Hall effect)由Edwin Hall於1879發現,當電流通過固體導體(或半導體)且放在磁場內,導體內的電荷載子受到勞倫茲力而偏向一邊,進而產生電壓(霍爾電壓)。根據此效應,便可偵測磁場、磁鐵。


輸入為磁感應強度,輸出是一個數位電壓訊號。可應用於無觸點開關、汽車點火器、剎車電路、位置/轉速檢測與控制、安全報警裝置、紡織控制系統..等。


伺服馬達

伺服馬達(Spektrum SPMSS6030)為標準數位高扭力伺服馬達,其長40mm、寬20mm、高40 mm、重量53g,符合我們所需要的高扭力、體積小、重量輕的特性。 當接上5V電源時,最高可耐重18公斤,速度為0.18秒/ 60°,達到我們控制煞車夾的力量與速度。


將齒輪鎖在煞車線上,當使用者進行煞車動作時,齒輪連接軸碰觸到微動開關,使盛群晶片接收到使用者煞車的訊號。


伺服擺臂和軸承與壓縮彈簧

將伺服擺臂與軸承鎖在伺服馬的金屬齒輪上,再將煞車線放置於軸承凹槽上。利用伺服馬達控制伺服擺臂上下移動的特性,藉此讓煞車線呈現上下移動的現象,進而達到讓煞車夾收放的功能。


壓縮彈簧裝置於伺服擺臂與軸承下方,使伺服擺臂出現無法向下的阻力,當防鎖死煞車系統沒有電力來源時,煞車系統還是能保有原有的煞車功能。


可調式降壓模組

可輸入直流電壓範圍為3.2V ~40V,可輸出直流電壓範圍為1.2V~35V。


將行動電源的5V作為輸入供電給伺服馬達,調整輸出值為3.3V供電給盛群晶片及各感測元件和開關。


測試方法

硬體系統安裝

本作品共有六處需要安裝連結,分別是行動電源、伺服馬達、霍爾感測、加速度感測以及滑動和微動開關,連接完成後即可使用。


圖4 : ABS系統模組硬體外觀
圖4 : ABS系統模組硬體外觀

霍爾感測輪胎轉速

霍爾感測器能夠偵測磁鐵,並且輸出數位電壓訊號,利用此方法判斷輪胎處於轉速狀態。如下圖所示,我們將16顆磁鐵平均安裝於圓盤中,將此磁鐵圓盤裝設於後輪,當盛群晶片獲得16個電壓訊號時,代表已轉速一圈,將其與霍爾感測器安裝於後輪,使盛群晶片可以獲得霍爾轉速的數據。當輪胎開始轉速,後輪的霍爾感測器偵測磁鐵圓盤,當霍爾感測器持續偵測到磁鐵並產生電壓訊號,代表輪胎處於轉速的狀態。本作品使用盛群晶片外部中斷方式,當正緣觸發時,計數器會累加,在一定時間內沒有偵測到脈波變化,則代表輪胎已經發生鎖死狀態。


圖5 :  霍爾轉速波形圖
圖5 : 霍爾轉速波形圖

三軸加速度感測與車體滑行判定

硬體安裝完成後,當自行車受到煞車時的震動時,三軸加速度感測器的數值會出現變化量。三軸加速度測試結果下圖為未煞車時的三軸加速度數據,以及煞車瞬間停止的加速度數據,當使用者進行煞車急停時,三軸加速度的數值會發生明顯變化。


當使用者手拉煞車時,微控制器會於0.5秒內收集數十筆三軸加速度所產生的變化值,觀察其數值的變化判定是否為輪胎鎖死,車體滑移的訊號。如下圖所示,由實驗得知當未煞車時X軸的數值約在339。當煞車時,X軸的數值約在170到700之間起伏,最終我們使用最近5筆加速度之平均大於過去扣除最近一筆之前6比平均值相減,若數值大於500這個數值即代表車體發生滑動。



圖6 :  未煞車三軸加速度感測結果圖
圖6 : 未煞車三軸加速度感測結果圖

圖7 :  煞車三軸加速度感測結果圖
圖7 : 煞車三軸加速度感測結果圖

伺服馬達控制

我們將伺服馬達固定在脈波寬度1.806ms的位置,此為正常一般煞車的煞車線位置,當脈波寬度為1.442ms時,伺服馬達向下,煞車線帶動煞車夾鬆開。



圖8 : 伺服馬達脈波寬度示意圖
圖8 : 伺服馬達脈波寬度示意圖

ABS制動機構動作測試

當駕駛人按壓煞車握把時,如圖20所示,煞車把手將會拉緊連結至制動機構的煞車線。在正常的情況下因線被拉緊,因此自行車的煞車夾具將會對煞車皮施加力道,貼緊至輪框產生制動力。


若系統未判定車體為滑動狀態,反制動機構就不會動作,維持將煞車線繃緊之狀態。此時煞車皮將緊貼於輪框之上。



圖9 :  ABS反制動機構未動作
圖9 : ABS反制動機構未動作

反之,如下圖所示,ABS機構將調整伺服馬達角度鬆開煞車線,將煞車皮移開輪框,達成釋放煞車的功效。反覆偵測打滑情況控制此反制動機構,即可達成ABS的功能。



圖10 : 伺服馬達脈波寬度示意圖
圖10 : 伺服馬達脈波寬度示意圖

測試防鎖死煞車系統

為了模擬下雨天打滑的情形,所以我們在地板上佈置水漬。當未開啟ABS開關,進行煞車動作,輪胎出現打滑,無法控制煞車撞到物體。當開起ABS開關,釋放煞車,停止滑行,使輪胎與地面有更多摩擦力,達到ABS安全煞車的效果。


(本文作者陳智勇1、徐偉倫2、楊瑞瑜3、戴翊鈞4、李鑒鵬5為樹德科技大學電腦與通訊系1助理教授及2-5研究生)


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