刘丽敏，陈立旦，陈超龙，董雨燕，岳洪伟
（浙江经济职业技术学院，310018，浙江杭州）
随着我们国民经济的稳步增长和交通运输业的快速发展，我国载货汽车市场呈现出繁荣的景象，2021年末全国载货汽车拥有量达1 173.26 万辆，比上年末增加5.7%。与此同时，交通事故也时有发生，其中由载货汽车侧翻引起的事故发生率已仅次于碰撞事故。根据国家统计局数据显示，2021 年中国机动车交通事故发生数量为211 074 起，造成61 703 人死亡、250 723人受伤。侧翻事故是货车交通事故中较常见的类型之一，如果此类事故发生在车流量较大的路段，常会造成周围小型车辆的车毁人亡和行人的伤亡。因此，研究造成货车侧翻事故的原因，并对相关因素进行监测，利用智能传感器技术对转向侧倾实时防控，对减少交通事故伤亡、保障交通安全有着重要意义。
智能传感器最初是由美国宇航局（NASA）在开发宇宙飞船的过程中提出的，并于1979 年形成产品。目前全球对智能传感器还没有统一的科学定义[1]。中国在2017 年制定国家标准GB/T33905-2017 把智能传感器定义为：具有与外部系统双向通信手段，用于发送测量、状态信息，接收和处理外部命令的传感器[2]。智能传感器不仅具备传统传感器的优点，还有信息采集处理和自动交换信息的能力，是一种集成传感器。其结构一般包含电源单元、传感器子系统、数据处理子系统、人机接口、通信接口和电输出子系统等。其中传感器子系统将被测的物理量或化学量转变成电信号，经调理和数字化后传输给数据处理单元。数据处理子系统主要功能是为人、通信接口和（或）电输出子系统的实时应用提供并处理被测量数据。
参考国内外相关研究[3-7]，选取货物载荷量、悬架位移和轮胎垂直载荷为测量物理量，通过采用载荷传感器、悬架位移传感器及胎压传感器作为信息采集装置，结合三者的实时数据进行分析，判断车辆是否存在侧翻的风险。若有侧翻危险，防倾装置通过控制ABS 执行器对货车进行制动减速控制，并通过控制转向助力电机控制货车转向角度，有效减小载货车侧翻的可能性。
载货汽车转向侧倾实时防控装置是以AT89C51单片机为核心的基于智能传感器技术的测控系统。整个系统由电源模块、MCU 控制模块、复位模块、智能传感器模块、报警模块与执行控制模块组成，其结构框图如图1 所示。
图1 载货汽车转向侧倾实时防控装置结构框图
电源模块的电源由车载低压蓄电池供应，电源模块将电源分为三路输出。智能传感器模块由胎压传感器、悬架位移传感器和载荷传感器构成。报警模块由灯光报警系统和语音报警系统组成。执行控制模块由转向助力电机与ABS 执行器组成。
转向侧倾实时防控装置设计工作原理是：工作时，首先，根据载荷传感器的信号来判断货车的载货情况，货车载货情况可分为空载、中载、满载、超载四种情况，并根据不同载货情况在MCU 控制模块中设定不同的动作阈值；
其次，依据胎压传感器所采集的胎压信号，判断车身的运动状态；
再次，为了进一步提高防控装置的判断可靠度，在胎压信号变化的基础上，融入悬架位移传感器的信号进行对比，综合判定车辆的侧倾状态；
最后，MCU 控制模块依据接收的信号，作出合理的判断，若货车有侧翻危险，在启动报警模块工作、警示驾驶员的同时，发指令给执行控制模块，控制ABS 执行器和转向助力电机工作，对车轮进行制动减速和转向控制，调整货车的侧倾状态。其控制原理框图如图2 所示。
图2 控制原理框图
5.1 电源模块
载货汽车转向侧倾实时防控装置的电源模块由车载低压蓄电池提供电源，电源模块将电源分为三路输出：第一路DC+24 V 经过DC/DC 转换器降压转换成DC+12 V 电压，输送给悬架位移传感器、胎压传感器和载荷传感器；
第二路DC+24 V 经过DC/DC 转换器降压转换成DC+5 V 电压，输送给MCU 控制模块；
第三路DC+24 V 直接输送给报警模块和执行控制模块。
5.2 MCU 控制模块
选取AT89C51 单片机为该装置的核心控制模块，根据三组不同传感器输入的电信号的不同值，通过内置程序逻辑计算判断，发出指令控制执行模块工作，在货车处于侧倾时，自动制动减速和调整转向角度，辅助调整车身实现快速稳定车身的目的。
5.3 智能传感器模块
智能传感器模块共由4 个胎压传感器、2 个悬架位移传感器与2 个载荷传感器组成。胎压传感器分别安装在前后轮轮胎内，前后左右各一个，通过无线发射器将监测到的实时数据发送给MCU 控制模块；
悬架位移传感器安装于减震器上，左右各一个，与减震器相连，根据货车侧倾时悬架弹性元件会压缩的原理，对货车悬架压缩量实施数据采集；
载荷传感器安装于货车后轮侧货箱支架上，左右各一个，货车载货量不同，质心位置不同，会直接影响其侧翻的速度，因此本装置采用载荷传感器来检测货车的运输重量和质心位置的变化，根据空、中、满、超载情况设定相应的动作阈值，提高对货车侧翻控制的有效性和可控性。
5.4 报警模块
灯光报警装置和语音报警装置共同组成报警系统，与MCU 控制模块进行线性连接，提示驾驶员车辆存在侧翻风险。
5.5 执行控制模块
MCU 控制模块发出指令对执行控制模块即转向助力电机与ABS 执行器实行控制，由MCU 控制模块经CAN 线通信分别对原货车中转向助力控制系统ECU 和ABS 制动防抱死系统ECU 进行工作控制。各执行控制元件工作状态如表1 所示。
表1 各执行元件工作状态
5.6 复位模块
复位模块是为了特殊情况下保证MCU 控制模块正常可靠地工作而特别设计的辅助模块。本复位模块采用MAX813 看门狗电路对MCU 控制模块工作进行监测，利用定时器来监控主程序的运行，在设定时间内对定时器进行复位。若出现控制程序死循环，那么经设定时间后就会对控制模块进行复位和重启。
载货汽车转向侧倾实时防控装置主要元器件整体布局如图3 和图4 所示。其中包括：悬架位移传感器（2个）、前轮胎压传感器（2 个）、载荷传感器（2 个）、后轮胎压传感器（2 个）、灯光报警系统、语音报警系统、转向助力电机、ABS 执行器、MCU 控制模块。
图3 装置主要元件整体布置主视图
图4 装置主要元件整体布置俯视图
载货汽车转向侧倾实时防控装置的研究设计，主要采用了三种不同类型的智能传感器对载货汽车进行三方面数据的实时监测。利用载荷传感器检测载货汽车载荷状态，轮胎胎压传感器与悬架位移传感器检测载货汽车具体运动状况，转换信号后输入MCU 控制模块，MCU 控制模块经过运算作出合理的判断，发出合适的指令控制报警模块、执行控制模块进行工作，通过语音和灯光提示驾驶员减速和缓慢转动方向盘，同时控制转向助力电机与ABS 控制器的工作，为防止载货汽车侧翻提供保障，从而有效降低载货汽车侧翻的可能性。
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