毕业设计论文基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制设计.docx

1、毕业设计论文基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制设计本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制设计学 院： 电气工程学院 专 业： 测控技术与仪器 2013年 6 月3日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 摘 要悬 架 系 统 是 汽 车 的 重 要 组 成 部 分 之 一 。汽 车 悬 架 系 统 是 指 连 接 车 身 和 车 轮 之

2、间 全 部 零 部 件 的 总 称 ，主 要 由 弹 簧、减 振 器 和 转 向 机 构 三 大 部 分组 成 ，其 作 用 是 传 递 车 轮 和 车 架 之 间 的 一 切 力 和 力 矩 ，并 且 缓 和 由 不 平 路 面 传 给 车 架 ( 或 车 身 ) 的 冲 击 载 荷 ，衰 减 由 此 引 起 的 承 载 系 统 的 振 动 ，以 保 证 汽 车 的 平 稳 行 驶 。本设计以日本东芝公司TCD1304AP线阵CCD传感器为基础。利用电荷转移效率的工作原理测量车辆倾角的变化，通过单片机控制步进电机的转动来调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力，使汽车保持平稳行驶。其信号处理电

3、路包括CCD 驱动电路、CCD 信号二值化处理电路和二值化信号的捕获测量方法。其控制部分使用了AT89C51单片机对步进电机就行控制。利用CCD 进行角度测量与传统传感器相比,不仅能够实现非接触检测, 而且有智能化、灵敏度高的特点。本设计在系统稳定性分析和Proteus软件系统仿真的基础上，完成电路模块功能和性能指标的确定，以及信号模拟和优化，模拟结果说明单元电路所实现的功能符合设计要求。关键词：CCD，二值化，Proteus，AT89C51单片机。AbstractSuspension system is an important part of car. The automobile sus

4、pension system is refers to the floorboard of the connection between the body and the wheels all parts, mainly by the spring, shock absorber and steering mechanism of three parts, its purpose is to pass all the force and moment between the wheels and the frame, and easing by the uneven road surface

5、to the frame (or body) impact load, the attenuation caused by the vibration of bearing system, to ensure the smooth driving of vehicles. This design by Japans Toshiba TCD1304AP based on linear CCD sensor. Using the charge transfer efficiency of the change of the working principle of the measuring ve

6、hicle Angle, through the single-chip microcomputer control the rotation of the stepper motor to adjust the adjustable spring stiffness or adjustable shock absorber damping force, keep the car running smoothly. The signal processing circuit includes CCD drive circuit, the CCD signal processing circui

7、t of binarization and binary signal capture method. The control part USES the AT89C51 single chip microcomputer to control stepping motor. Angle measurement by CCD compared with traditional sensors, not only can realize the non-contact detection, and has the characteristic of intelligent, high sensi

8、tivity. This design on the system stability analysis and Proteus simulation software system on the basis of the complete circuit module function and the determination of performance indicators, as well as the signal simulation and optimization, and simulation results show that the unit circuit funct

9、ions of comply with the design requirements. Key words: CCD, Binarization, Proteus, AT89C51 single chip microcomputer. 第1章 绪论1.1 概述悬 架 系 统 是 汽 车 的 重 要 组 成 部 分 之 一 。汽 车 悬 架 系 统 是 指 连 接 车 身 和 车 轮 之 间 全 部 零 部 件 的 总 称 ，其 作 用 是 传 递 车 轮 和 车 架 之 间 的一 切 力 和 力 矩 ，并 且 缓 和 由 不 平 路 面 传 给 车 架 ( 或 车 身 ) 的 冲 击 载 荷

10、 ，衰 减 由 此 引 起 的 承 载 系 统 的 振 动 ，以 保 证 汽 车 的 平 顺 行 驶 。【10】近年来，车辆悬架系统运用了多种控制方法来设计。主要控制理论有天棚原理、最优控制和自适应控制等，虽然优控制器也不能适应系统参数的不确定性，但是这些控制中最优控制方法是应用最为广泛的一种。然而模糊控制是迅速发展起来的一种新型控制方法，用到的控制参数大多由经验确定，往往不是最佳的。如果采用一些调整方法就可以提高控制器的性能，但是大多都不能实现在线优化模糊控制器的各种参数而且算法复杂，对控制器计算能力要求较高。而这些控制算法的数据都来源于传感器，线阵CCD倾角传感器就是众多倾角传感器中的很好

11、选择，因为CCD(Charge Coupled Device)电荷耦合器件是二十世纪六七十代发展起来的一种半导体新型大规模集成光电器件，由于它在摄取和记录图像信息的方面独具有特色，并且又具有抗烧毁、分辨率高、体积小、功耗小和灵敏度高等优点，短短的30年，在图像检测技术领域中CCD器件取得了很快的发展。 CCD从结构上分类主要分为线阵CCD、面阵CCD两种：线 阵 C C D 主 要 用 于 某 种 物 理 特 性 的 非 接 触 精 确 测 量 ，比 如 物 体 位 置 、大 小 尺 寸 等 方 面 ；面 阵 C C D 器 件 常 用 于 多 维 系 统 中 的 信 息 存 储 、图 像 记

12、录等方面，本设计就是用到线阵CCD。 本文设计开发了以AT89C51单片机为主控件的半主动悬架控制系统，通过传感器采集数据，经过单片机进行数据处理，最终通过单片机控制节流口可调节减震器来控制汽车悬架。1.2 国内外研究现状和分析1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首次提出了半主动悬架的概念。基本原理就是：用可调阻尼或者可调刚度弹簧的减振器构成悬架，并且以弹簧载质量的加速度响应等反馈为输出信号，然 后 来 控 制 可 调 阻 尼 或 者 可 调 刚 度 弹 簧 的 阻 尼 来 达 到 较 好 的 减 振 效 果 ，半 主 动 悬 架 分 为 阻 尼 可

13、 调 和 刚 度 可 调 。目 前 ，在 半 主 动 悬 架 的 控 制 研 究 中 ，以 对 阻 尼 控 制 的 研 究 居 多。阻 尼 可 调 半 主 动 悬 架 又 可 分为 连 续 可 调 半 主 动 悬 架 和 有 级 可 调 半 主 动 悬 架 ，连 续 可 调 半 主 动 悬 架 的 阻 尼 系 数 在 一 定 的 范 围 内 可 连 续 变 化 ，而 有 级 可 调 半 主 动 悬 架 的 阻 尼 系 数 只 能 取 几 个 离 散 的 阻 尼 值 。车 辆 悬 架 系 统 发 展 的 方 向 是 开 发 具 有 安全、舒 适 和 清 洁 高 效 、节 能 、智 能 控 制 的

14、 悬 架 。 然而悬架系统的开发依赖于传感器的发展，随着MEMS 技术的发展，倾角传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的器件之一，而线阵CCD的就是惯性传感器件的杰出代表。现在的MEMS 有非常高的集成度的加速度计，即一个芯片上集成了传感系统与接口线路，来作为一个倾角传感器模块应用。倾角传感器模块把MEMS加速度计，MCU，A/D转换电路，通讯单元等全都集成在一块集成芯片上。用来直接输出角度等倾斜数据，直接使用。四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，尤其在非接触测量领域和图像传感的发展更为迅速。随着CCD技术不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。因为该系统

15、具有精度高、测量速度快、稳定性好、非接触测量等特点,适合检测插针的直径和各种线材,并且信号易于进行数字化处理不需要模数转换 ,可以组成实时自动测量系统。1.3 本设计的研究目的和意义传统的汽车悬架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力它只能保证在一种特定的道路状态和速度下达到性能最优因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。例如降低弹簧刚度平顺性会更好乘坐更舒适但会使操纵稳定性变差相反增加弹簧刚度虽可提高操纵稳定性但会使车辆对路面不平度更敏感平顺性降低。因此理想的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力以同时满足平顺性与操纵稳定性的要求。而这些控制要依赖于倾角传感器的准

16、确测量，线阵CCD倾角传感器就是这种理想的倾角传感器，能满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求。传统的汽车悬架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力它只能保证在一种特定的道路状态和速度下达到性能最优因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。例如降低弹簧刚度平顺性会更好乘坐更舒适但会使操纵稳定性变差相反增加弹簧刚度虽可提高操纵稳定性但会使车辆对路面不平度更敏感平顺性降低。因此理想的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力以同时满足平顺性与操纵稳定性的要求。电控悬架系统就是这种理想的悬架系统它通过对悬架系统参数进行实时控制使悬架的刚度、减振器的阻尼系数、车身高度能随汽

17、车的载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件变化而变化使悬架性能总是处于最佳状态(或其附近)同时满足汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等方面的要求车辆悬架系统传递作用在车轮和车体间的一切力和力矩,缓和并衰减由路面不平引起的承载系统的振动,线阵CCD 像元尺寸通常在m 数量级且光敏面性态稳定,在应用中具有精度高、性能稳定、分辨率好等特点,在非接触测量领域有着广泛的应用，如尺寸、位移、图像传感、光谱分析、振动和倾角测量等。CCD 通过其光敏像元将光信息转换为电荷信息，而被测量对象的光信息是通过光学系统成像到CCD 的光敏面上产生的。在一定有规律的时钟脉冲的控制下,按顺序输出其光敏像元的信息,即可输出端获得与被

18、测对象相对应的光信息。利用线阵CCD倾角传感器进行倾角测量与传统传感器相比,不仅能够实现非接触检测, 而且有智能化、灵敏度高的特点。此方法测量精度高、速度快,在需要进行数字化角度测量的场合有很强的实用性。因此，研究基于线阵CCD倾角传感器的车辆半主动悬架控制就成为汽车技术的关键之一，对线阵CCD倾角传感器的性能的改善和优化来结合汽车半主动控制将推进汽车综合性能将有很大提高。1.4 本课题的主要内容1.本论文针对线阵CCD倾角传感器TCD1304AP主要包括以下几方面:2.分析TCD1304AP传感器的信号输出原理，为电路设计提供依据。3.在分析TCD1304AP信号处理系统的工作原理，以及对整

19、个系统进行稳定性分析与Proteus仿真基础上，确定各模块的总体性能要求，为电路设计提供依据。4.TCD1304AP电路系统划分为多个子电路单元。再对各个子电路单元进行原理分析。5.利用AT89C51单片机设计悬架控制软件。第2章 悬架系统与倾角传感器简介2.1 几种悬架介绍车辆悬架系统传递作用在车轮和车体间的一切力和力矩，缓和并衰减由路面不平引起的承载系统的振动,是车辆的一个重要组成部分。在车辆行驶过程中，它的平顺性、操作稳定性，主要受到车辆悬架性能的影响。根据现代车辆对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式和振动控制方法随时都在更新和完善。一般地说悬架的形式和结构很多，分类也不尽相同，导向

20、构的形式，可分为独立悬架和非独立悬架。按控制力则可分为三种悬架：主动悬架、被动悬架、半主动悬架，其简化模型如下图所示： 被动悬架：一般的车辆绝大都装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架，简化模型如图2.1中第一个图所示。其中弹簧 主 要 用 来 支 撑 簧 上 质 量 的 静 载 荷 。 而 减 振 器 主 要 用 于 控 制 响 应 特 性 。这 种 悬 架 系 统 的 刚 度 和 阻 尼 参 数 一 般 通 过 经 验 设计 或 优 化 设 计 而 选 择 。一 旦 确 定 就 不能 在 车 辆 行 驶 的 过 程 中 随 外 部 变 化 而 改 变 。 而对 车 辆 悬 架 的 要 求 ：一

21、 是 提 高 制 动 、转 弯 等过 程 的 稳 定 性 ， 要 求 悬 架 具 有 较 高 的 阻 尼 系 数 ；二 是为 隔 开 随 机 路 面 不平 及 车 扰 动 ， 提 高 乘 坐 舒 适 性 ，要 求 较 低 的 阻 尼 系 数。 被 动悬 架 的 参 数 不 能 任 意 调 节 和 选 择 ，限 制 了 起 性 能 的 进 一步提 高 ，因 此 减 振 性 能 很 差 。半 主 动 悬 架 ： 半 主 动 悬 架 的 简 化 模 型 如 图 2 .1 第 二 个 图 所示 由 可 变 刚 度 的 弹 簧 和 减 振 器 组 成 。其 基 本 控 制 原 理 是 根 据 簧 上 质

22、 量 对 车 轮 的 速 度 响 应 和 加 速 度 响 应 等 反 馈 信 号 ，调 节可 调 弹 簧 的 刚 度 或 可 调 减 振 器 的 阻 尼 力 。半 主 动 悬 架 在 产 生 力 的 方 面 近 似 于 被 动 悬 架 ， 但 其 阻 尼 系 数 或 刚 度 系 数 是 可 调 的 。 通 常 以 改 变 减 振 器 的 阻 尼力 为主 ，将 阻 尼 分 为 两 级 或 三 级 ，由 人 工 选 择 或 由 传 感 器 信 号 自 动 确 定 阻 尼 级 。另 外可 以 改 变 弹 簧 刚 度 达 到 半 主 动 控 制 的 目 的 。 目 前 主 要 应 用 的 是 空 气

23、弹 簧。【8】主动悬架：主动悬架的简化模型如图2.1第三个图所示，由弹性元件和一个力发生器组成，力发生器的作用是改进系统中能源的消耗并供给系统以能量，该装置的控制目的是实现一个优质的隔振系统，而无须对系统作出较大的变化。因此，只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现该控制目标。这种悬架系统的减振效果非常的明显。但是，该系统的商品化存在较大的困难，主要是硬件价格昂贵以及消耗能量过大，现在只用于少量排量较大的高档轿车。2.2 倾角传感器的简介 倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾 角 传 感 器 ，倾 角 传 感 器 还

24、 可 以 用 来 测 量 相 对 于 水平 面 的 角 度 变 化 量 。根 据 牛 顿 第 二 定 律 和 一 些 基 本 的 运 动 学 原 理 ，对于 一 个 系 统 整 体 ，速 度 不 能 测 量 出 来 的 ，但 却 可 以 测 量 其 加 速 度 。如 果 已 知 初 速 度 ，就 可 以 通 过 积 分 计 算 出 线 速 度 ，然 后 可 以 计 算 出 直 线 位 移 。所 以 它 其 实 是 运 用 惯 性 原 理 的 一 种 加 速 度 传 感 器 。当 倾 角 传 感 器 静 止 时 也 就 是 侧 面 和 垂 直方 向 没 有 加 速 度 作 用 ，那么 作 用 在

25、它 上 面 的 只 有 重 力 加 速 度 。重 力 垂 直 轴 与 加 速 度 传 感 器 灵 敏 轴 之 间 的夹 角 就 是 倾 斜 角 了。固体摆式惯性器件：固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，其由摆锤、摆线、支架组成。在小角度范围内测量时，可以认为摆锤受力F与摆线与垂直线构成的角度成线性关系。如基于此原理的应变式倾角传感器。液 体 摆 式 惯 性 器 件 ： 液 体 摆 的 结 构 原 理 是 在 玻 璃 壳 体内 装 有 导 电 液 ，并 有 三 根 铂 电 极 和 外 部 相 连 接 ，三 根 电 极 相 互 平 行 且 间 距 相 等 。当 壳 体 水 平 时 ，电 极 插

26、 入 导 电 液 的 深 度 相 同 。如 果 在 两 根 电 极 之 间 加 上 幅 值 相 等 的 交 流 电 压 时 ，电 极 之 间 会 形 成 离 子 电 流 ，两 根 电 极 之 间 的 液 体 相 当 于 两 个 电 阻 R I 和 R I I I 。 若 液 体 摆 水 平 时 ，则 R I =R I I I 。当 玻 璃 壳 体 倾 斜 时 ，电 极 间 的 导 电 液 不相 等 ， 三 根 电 极 浸 入 液 体 的 深 度 也 发 生 变 化 ，但 中 间 电 极 浸 入 深 度 基 本 保 持 不 变 。 左 边 电 极 浸 入 深 度 小 ，则 导 电 液 减 少 ，

27、导 电 的 离 子 数 减 少 ， 电 阻 R I 增大 ，相 对极 则 导 电 液 增 加 ，导 电 的 离 子 数 增 加 ，而 使 电 阻 R I I I 减 少 ，即 R I R I I I 。反 之 ，若 倾 斜 方 向 相 反 ， 则R I RI I I 。在 液 体 摆 的 应 用 中 也 有 根 据 液 体 位 置 变 化 引 起 应 变 片 的 变 化 ，从 而 引起 输 出 电 信 号 变 化 而 感 知 倾 角 的 变 化 。 在 实 用 中 除 此 类型 外 ，还 有 在 电 解 质 溶 液 中 留 下 一 气 泡 ，当 装 置 倾 斜 时 气 泡 会 运 动 使 电

28、容 发 生 变 化而 感 应 出 倾 角 的 “ 液 体 摆 ” 。气 体 摆 式 惯 性 器 件 ：气 体在 受 热 时 受 到 浮 升 力 的 作 用 ，如 同 固 体 摆 和 液 体 摆 也 具 有 的 敏 感 质 量 一 样 ，热 气 流 总 是 力 图 保 持 在 铅 垂 方 向 上 ，因 此 也 具 有 摆 的 特 性 。“ 气 体 摆 ” 式 惯 性 元 件 由 密 闭 腔 体 、气 体 和 热 线 组 成 。 当 腔 体 所 在 平 面 相 对 水平 面 倾 斜 或 腔 体 受 到 加 速 度 的 作 用 时 ，热 线 的 阻 值 发 生 变 化 ，并 且 热 线 阻 值 的

29、变化 是 角 度 或 加 速 度 的 函 数 ，因 而 也 具 有 摆 的 效 应 。其 中 热 线 阻 值 的 变 化 是 气 体 与 热 线 之 间 的 能 量 交 换 引 起 的。就 基 于 固 体 摆 、 液 体 摆 及 气 体 摆 原 理 研 制 的 倾 角 传 感 器 而 言 ， 它 们 各 有 所 长 。 在 重 力 场 中，固 体 摆 的 敏 感 质 量 是 摆 锤 质 量 ，液 体 摆 的 敏 感 质 量 是 电 解 液 ， 而 气 体 摆 的 敏 感 质 量 是 气 体 。气 体 是 密 封 腔体 内 的 唯 一 运 动 体 ，它 的 质 量 较 小 ， 在大 冲 击 或

30、高 过 载 时 产 生 的 惯 性 力 也 很 小 ，所 以 具 有 较 强 的 抗 振 动 或 冲 击 能 力 。但 气 体 运 动 控 制 较 为 复 杂 ， 影 响 其 运 动 的 因 素 较 多 ，其 精 度 无 法 达 到 军 用 武 器 系 统 的 要 求 。 固 体 摆 倾 角 传 感 器 有 明 确 的 摆 长 和 摆 心， 其 机 理 基 本 上 与 加 速 度 传 感 器 相 同 。 在 实 用 中 产 品 类 型 较 多 如 电 磁 摆 式 ， 其 产 品 测 量 范 围 、 精 度 及抗 过 载 能 力 较 高 ，在 武 器 系 统 中 应 用 也 较 为 广 泛 。液

31、 体 摆 倾 角 传 感 器 介 于 两 者 之间 ，但 系 统 稳 定 ， 在 高 精 度 系 统 中 ，应 用 较 为 广 泛 ， 且 国 内 外 产 品 多 为 此 类 。2.3 线阵CCD传感器的简介一、TCD1304AP工作原理 TCD1304 是一 个 M O S 集 成 电 路 ， 内 有 5 6 0 个 有 效 光 电 元 素 和 6 4 个 被 掩 膜 的 ， 用 于暗 基 准 电 平 的 光 电 元 素 ， 此 外 还 有 两 个 线 阵 1 2 8 0 位 C C D 电 荷 传 送 寄 存 器 ， 一 个 驱 动 单 元 ， 一 个 采 样 / 保 持 电 路 及 输

32、出 信 号 处 理 电 路 。 每 一 个 光 电 元 素 的 尺 寸 为 2 0 0 u m* 5 u m ， 其 间 均 有 2 u m 宽 的 沟 道 分 隔 。整 个 器 件 密 封 在 2 0 脚 双 列 陶 瓷 封 装 中。 当 光 投 射 到 传 感 器 的 光 电 元 素 上 时 ，使 元 素 的 电 荷 蓄 积 ，蓄 积 的 电 荷 量 由 光 的 强 度 和 所 照 射 的 时 间 决 定 。 对 蓄 积 的 电 荷 每 隔 一 定 的 时 间 （ 由 时 序 电 路 控 制 ） 进 行串 行 变 换 ， 从 一 根 信 号 线 以 电 压 （ 或 电 流 ） 形 式 依 次 送出 。由 于 传 感 器 中 每 个 光 电 元 素 所 占 的 宽 度 为 已 知（ 2 0 0 u m ）， 通 过 对 信 号 线 送 出 的 电 压 脉 冲 进 行 计 数 ， 就 能 得 到 被 测 物 体 的 尺 寸 （ 光 照 区 有 电 压 脉 冲 输 出 ， 由 物 体 被 挡 光 而 造 成 的 阴 影区 无 脉 冲 输 出 ）。 下 图 为 图 2 - 1- 3 C CD 传 感 器 T C D1 3 0 4 的 结 构 框 图 。注明：SR-传感器复位