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正在兴起的MEMS惯性传感器在汽车中的应用

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作者:Harvey Weinberg


当今的汽车不仅引入了被动式安全系统(例如安全气囊),而且也采用了主动式安全设备,它能有助于防止在最重要的地方发生碰撞,从而帮助挽救生命。据平均统计估计,全世界平均每分钟有一人死于汽车碰撞——即每年有50多万人丧生。主动式安全系统帮助驾驶员控制汽车在路上正常行驶。这些安全系统不仅是使驾驶经验更丰富的“配件”,而且它使汽车更加“智能”和安全。

虽然我们大多数人都知道当今的汽车使用微电子机械系统(MEMS)加速度计检测安全气囊配置的快速减速,但是我们可能还不知道MEMS惯性传感器在汽车中有许多其它安全性系统和方便性系统的应用超过了安全气囊系统。本文讨论MEMS惯性传感器的一些许多新兴的汽车应用,以及改进当今汽车和卡车的安全性、方便性和可靠性的那些MEMS惯性传感器的性能指标。

提高动态性能
有许多类型的汽车连接系统都朝着提高汽车的稳定性和控制性方向发展。最常用的系统是几乎无处不在的汽车制动防抱死系统(ABS)。迄今为止,大多数ABS系统还没有使用惯性传感器。这些传感器可以简单地读取车轮转速和施加制动脉冲(如果想刹车)。但是大多数全驱系统和一些新的高性能ABS系统都在考虑纵向加速度检测汽车是否仍在运动。这对于装配的全车轮驱动的汽车特别重要,因为由于驱动力矩的作用,四个车轮可能失去牵引力。

对于ABS采用的加速度计,其中最重要性能参数是零g偏置和灵敏度稳定性。通常假设可得到的最小减速度力(甚至在光滑的平面上)大约为100 mg(0.98 m/s2)。因此在汽车温度范围内零g偏置漂移和灵敏度漂移的组合作用一定不能超过100 mg(欲获得关于性能指标的详细信息,请见表1)。ADI公司推出的ADXL103 iMEMS®加速计在汽车温度范围变化范围内具有16 mg零g偏置稳定性和0.3%的灵敏度漂移,所以它适合这种应用。

电子稳定性控制系统(不同地称作电子稳定性控制(ESC)、车辆稳定性控制(VSC),动力学稳定性控制(VDC)系统)——每家汽车制造商好像都有其自己的缩写名称)帮助驾驶员恢复汽车控制,就像开始稳定一样。VDC系统使用一种偏航速率传感器(或陀螺仪)、低 g加速度计、轮速传感器(ABS系统也用它)和方向盘转角输入。测量每个车轮的轮速并且将汽车预测的偏航速率与陀螺仪测量值和驾驶员的意图(按照方向盘转角预测)相比较。还可使用一种低g加速度计检测汽车是否在横向滑行。如果检测到测量的偏航速率与计算的偏航速率不相同,或者横向滑动,那么可以使用单轮制动或减小力矩以便使汽车“恢复直线”。

ESC系统要求偏航速率传感器具有适当低的噪声(通常小于0.5°/s)和对机械振动低灵敏度。许多类型的偏航速率传感器实际上会产生振动(大多数MEMS陀螺仪使用振动质量以产生用于检测角速度的速度分量)。当加速度计像陀螺仪一样通常放在同一块印制电路板(PCB)上是不合乎要求的。正像在ABS系统中,加速度计必须对温度变化非常稳定,因为必须测量出很小的横向加速度。

侧翻稳定性控制(RSC)系统改变了车辆的滚动动态特性对道路管理要求的响应。这对于小型货车、敞蓬小型载货卡车、运动型多用途(SUV)汽车特别重要,因为它们的重心较高,尤其是在猛烈操纵期间容易失去控制,可能产生汽车侧翻。RSC系统采用滚动速率传感器(一种滚动轴向灵敏的陀螺仪)和横向加速度计。还可以使用力矩调整,选择制动和悬架调整来改变车辆的滚动性能对惯性测量的响应。

RSC所采用的惯性传感器的性能指标和ESC一样。

安全系统
除了防止正面碰撞和侧面碰撞的安全气囊在大多数汽车中到处可见,当今的侧翻检测系统在小型货车、敞蓬小型载货卡车、SUV汽车中起来越普遍,因为侧翻事件越来越多。在发生车辆侧翻时可控制侧面安全气囊展开来保护车里的人。侧翻检测系统读取车辆的翻滚角度和滚动速率来判断车辆是否处于侧翻过程。如果发生侧翻,则起动侧面安全气囊以保护车里的人。

侧翻检测系统使用一种滚动速率传感器来读取车辆滚滚速率。对滚动速率积分以确定车辆的滚动角度。当逐渐积分使滚动角度很大时侧翻概率为零,还需要一只加速度计读取垂直加速度(Z轴)。当车辆碰撞一个路边物体或其它物体,同时非常像侧翻一样滑向一旁时,更好的侧翻检测系统还需要使用另外一个加速度计来测量横向加速度。

侧翻检测使用的陀螺仪不需要像VDC系统使用的陀螺仪具有相同的分辨率,但是它们必须具有优良的抑制外部冲击和振动的能力以及较大的动态范围。ADI公司的ADXRS300 iMEMS是这种应用场合常用的陀螺仪,因为它对外部冲击和振动不灵敏。由于侧翻事件发生在一个相当短的时间内,所以对加速度计的性能要求不像对ESC或RSC那样要求严格,但是如果使用比较稳定的加速度计可以得到更好的性能。正如我们在后面将要看到的,侧翻检测系统可能使用ESC等级加速度计还有其它原因。

超出安全系统的其它附件
许多汽车制造商(特别是欧洲汽车制造商)当前正在将防盗系统纳入倾斜检测系统作为标准设备。采用双轴(横轴和纵轴)加速度计来检测可能出现的倾斜变化,如果发生车辆被托起或拖动。在汽车工作温度范围内要求零g偏置温度稳定性优于50 mg以便保证温度变化不引起讨厌的误报警。

尽管大的电解液式倾斜传感器具备满足这种应用要求的灵敏度,但是仍存在严重的缺点。因为它们的倾斜范围通常受到很大的限制,所以有可能出现车辆停放的倾斜角大于这种传感器的允许误差。另外液体倾斜传感器也不允许变化范围很宽的汽车温度环境。ADI公司的ADXL213 iMEMS加速度计适合这种应用,因为它具有高稳定性、高灵敏度、宽温度范围、小封装尺寸和高质量的独特组合。

电子停车制动系统自动地操纵停车制动以便当车辆停在斜坡时充分地防止滑动。当驱动汽车时,不论是踩油门还是踩刹车踏板,该系统都能防止车辆在斜坡上向后滚动。该系统测量车辆倾斜角,以确定需要多大的制动力才适合它。除了安全性和方便性的优点外,电子制动系统允许汽车制造商放弃使用停车制动杠杆(或踏板)和相关联的硬件。从而降低了汽车的成本和重量,同时提高了可靠性。

像ABS系统一样,在这项应用中采用了低g横向加速度计。它对性能的要求和ABS系统对性能的要求一样。

车内导航(NAV)系统越来越成为一种流行的选择。目前日本出售的全部汽车有半数以上支持导航系统。全球导航系统(GPS)是导航系统的心脏,但是仅有GPS一种信息对于汽车导航不充分够用。GPS只能告诉你在哪里(地面位置和海拔高度),但不能为你指引前进方向。磁强计(电子指南针)在长期间内是非常可靠的方位传感器,但是在短期间内可能会给出错误的读出,因为黑色金属物体(例如汽车靠近你)会干扰它们。

当最初起动该系统时,应该使初始的行驶方向与地图数据一致。一旦初始方向确定后,便利用偏航速率传感器的信息来确定什么时候调整和进行多大的调整,一直到与地图经过检验的数据相一致。

在市区内通常不设置GPS,因为高楼和隧道影响使GPS在短时间和中等时间范围内接收到的信号受到干扰。在这段时间里,导航系统依靠偏航速率传感器获取方位信息,并且在某些情况下,依靠低g纵向加速度计获取位置信息。要确定方位,需要对偏航速率信息积分;要计算出位置需要对加速度信号积分两次(这种方法被称作“航位推测法”)。

因为理想情况下偏航速率传感器和加速度计的噪声性能指标要比以低成本通常得到的传感器的实际指标好得多。因此需要使用软件(按照地图匹配的形式)来帮助,并且对车辆可能所在的位置做某些假设。

在汽车操纵的许多其它附件可能(并且当前正在)使用惯性传感器,但是要列出它们的详细清单已超出本文讨论的范围。

未来发展趋势:传感器组的概念
图1示出当今所有的主要汽车中所采用的惯性传感器。在某些情况下,采用了多达15个轴向的惯性传感器(加速度计和陀螺仪)。因为只有6个可能的机械自由度,显然这样多的传感器是多余的。我们已经造成了这种状态,因为过去每个系统是从不同的供应商那里购买的。但是当今惯性传感器组的概念能将它们的信息发送到任何需要的系统,所以它正在成为许多汽车原始设备制造商(OEM)的目标。

显然使用一只传感器提供多种功能确实能够节省成本,但是也有其它的优点。通常安装惯性传感器的最佳位置是靠近汽车重心的地方。汽车的重心通常位于靠近客室的中央控制台的某个位置——汽车中一块很有价值的PCB。如有可能使用减少传感器数量,减少传感器封装尺寸的传感器组,从而使其从封装的角度成为现实。

但是采用这种方法有在两个缺点。每个传感器必须达到最严格的应用要求,所以每个传感器的具体成本会高于其它情况下的成本。这一点是允许的,因为总体汽车成本已经降低。更明显的第二个缺点是某一个传感器产生的故障会送到几个系统。但是高可靠性传感器和内置的自检系统的宽故障范围检测可以消除这种危险。

然而这种传感器组概念不可以扩展到碰撞检测。某些分开单独使用的加速度计仍然需要放在过去一直放置在按照靠近碰撞区域要求必须的车辆碰撞检测附近的某个位置。

结论
汽车中惯性MEMS传感器种类的日益发展,正在推动系统设计工程师重新考虑当今独立的传感器体系结构有利于惯性传感器组。一旦能够提供适合所有系统的惯性信息,再增加系统功能只需增加一点儿系统成本。虽然成本问题仍然是一个因素,但是由于去除了多余的传感器实际上节省的成本将成为主要因素。只有那些能够提高性能,减小封装尺寸和增强鲁棒性操作的传感器技术才能真正地降低成本。

图1.
图1.

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