CC BY
255
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 10. С. 209-229.
Б01: 10.7463/1014.0730675
Представлена в редакцию: 08.10.2014
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 621.317.39.084.2
Экспериментальное исследование информационного сигнала комбинированного датчика удара, наклона и движения на основе 3-осевого MEMS-акселерометра
профессор, д.т.н, Васю ко в С. А.1'*, Остапенко Д. Г.1, Авдеева Т. В.1
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
га уаауикоу'а'тайш
В статье приведены результаты экспериментальных исследований ускорений, дейст-вующих при ударе по кузову, наклоне и движении автомобиля. При измерениях использована тестовая плата 8ТМ32Р3Б18С0УБКУ с МБМ8-акселерометром Ь8М303БЬИ8. Проведен анализ уровня шумов и вибраций при креплении платы на пластиковой панели автомобиля и работе двигателя в диапазоне от 700 до 4000 об/мин. Приведены реализации ускорений при: слабых ударах в разных частях кузова (крыло, багажник, капот); сильном ударе (закрытие двери); медленном и быстром разгоне до скорости 20 км/час с последующим торможением и проездом препятствий в виде «лежачих полицейских». В результате исследований обоснован выбор диапазона работы акселерометра, точно-сти измерения ускорения, частоты опроса сигнала и алгоритма фильтрации. Приведены рекомендации по выбору МБМ8-акселерометров для комбинированных датчиков удара, наклона и движения современных автосигнализаций.
Ключевые слова: датчик удара, датчик наклона, датчик движения, автосигнализация, МБМ8-акселерометр
Введение
Современные автомобильные сигнализации оснащены датчиками, построенными на различных физических принципах. Учитывая все многообразие воздействий на автомобиль, датчики должны обеспечивать высокую надежность и достоверность контролируемых параметров при отсутствии ложных срабатываний. В соответствии с принятой классификацией [1,2], датчики можно разделить на контактные (концевые выключатели, срабатывающие при открытии дверей, капота, багажника) и интеллектуальные. Последние на современном этапе развития охранных систем представляют собой, как правило, микропроцессорные устройства, использующие цифровую обработку сигнала.
К интеллектуальным датчикам, прежде всего, относят датчик удара (шок-сенсор), входящий в состав практически всех сигнализаций. Также к датчикам интеллектуального
типа можно отнести датчики объема (ультразвуковые, микроволновые), наклона и движения. Остальные типы датчиков, такие как инфракрасный, давления, датчик разбитого стекла и др., используются крайне редко.
На раннем этапе развития интеллектуальные датчики представляли собой независимые устройства. Они обменивались информацией с главным модулем сигнализации по отдельным линиям [3] или по цифровым шинам [4,5]. Подключение по цифровой шине предпочтительнее, так как позволяет реализовать ряд дополнительных возможностей. Здесь, прежде всего, выделим дистанционную регулировку чувствительности и адаптацию к внешним помехам [4,5].
Датчики объема подробно рассмотрены в работе [4]. Пути их совершенствования связаны с разработкой новых схем излучателей и алгоритмов цифровой обработки сигнала.
Датчики удара с чувствительными элементами (ЧЭ) пьезоэлектрического, микрофонного и электромагнитного типов, как показано в [5], обладают рядом существенных недостатков, связанных с типом ЧЭ. Это, прежде всего узкополосность чувствительных элементов, не позволяющая достоверно разделить удары по кузову от ложных воздействий, а также различная чувствительность датчиков, в зависимости от ориентации оси ЧЭ (крепления датчика в автомобиле).
Датчики наклона электромагнитного типа, реализованные в виде отдельных устройств, применялись редко в силу их дороговизны и несовершенства характеристик. Хотя потребность в таких датчиках (а они информируют о наклоне автомобиля при снятии колес) до сих пор есть. Опять же, их недостатком является зависимость чувствительности от ориентации датчика.
Преодоление указанных недостатков вряд ли связано с совершенствованием подвесов чувствительных элементов рассмотренных датчиков. Наиболее перспективным здесь видится применение трехосевых акселерометров, выполненных по MEMS-технологии [68].
В настоящее время разными производителями реализовано несколько комбинированных датчиков удара, наклона и движения.
Датчик наклона-перемещения Spider-TMS2 (рис. 1) разработан фирмой Mobile Electronics.
Л®
т
Q Tte
-t'Wp Н1Щ! I'Afffl
Рис. 1. Датчик наклона-перемещения Spider-TMS2.
Он включает в себя трехосевой акселерометр фирмы Freescale, микроконтроллер и многоуровневый алгоритм обработки. Датчик не восприимчив к ориентации в пространстве при установке. Он способен отслеживать изменение положения кузова с точностью в 0,1 градуса (для демонтажа колеса нужно поднять машину минимум на 2-3 градуса) и ускорение в 0,01 g при движении автомобиля. Алгоритмы, позволяющие по изменениям сигнала достоверно различать, что происходит с автомобилем, являются «ноу-хау» производителя.
Универсальный цифровой трехосный датчик MS-TL4s, разработанный фирмой Magic Systems, предназначен для выдачи сигналов:
- при наклоне транспортного средства;
- при начале движения автомобиля;
- при механическом воздействии (ударе) на автомобиль.
Сигналы о воздействии выдаются замыканием сигнального вывода на общий провод (минус питания) для обычной сигнализации или цифровым кодом по шине LAN.
Датчик срабатывает при наклоне кузова более чем на 0,5 градуса. В его основе лежит MEMS-акселерометр фирмы Analog Device. При постановке на охрану процессор датчик определяет исходное положение, а его программа составлена таким образом, что и резкие наклоны (от порыва ветра, ударов), и очень медленные изменения положения отфильтровываются. Отслеживаются только плавные изменения угла наклона (как при по-дьеме кузова домкратом).
Датчик наклона/перемещения КРЕН-2 фирмы Полярный Волк использует цифровой алгоритм обработки сигналов, что обеспечивает своевременное обнаружение несанкционированных воздействий, исключая ложные срабатывания. КРЕН-2 различает два уровня воздействия на автомобиль. Первый, более чувствительный уровень, фиксирует наклоны автомобиля и малые ускорения, а второй - более сильные воздействия.
Основные функциональные возможности:
- регистрация перемещений автомобиля в любом направлении;
- регистрация наклона автомобиля в любом направлении;
- автоматическая адаптация к начальному наклону автомобиля;
- светодиодная индикация срабатывания датчика, для удобства контроля работоспособности;
- игнорирование вибраций от работающего двигателя, проезжающего транспорта, порывов ветра и других внешних воздействий, кроме перемещения и наклона.
Анализ публикаций, посвященных комбинированным датчикам удара, наклона и движения, показал, что публикации носят, в основном, рекламный характер. Не сформулированы требования к характеристикам применяемых MEMS-акселерометров. Нет достаточной ясности, что представляет собой информационный сигнал. Каков диапазон измеряемых ускорений, воздействующих на датчик, установленный в автомобиле, частотный спектр сигналов при ударе, наклоне и движении.
В связи с вышеизложенным, актуальными являются вопросы проектирования комбинированных микропроцессорных датчиков с применением MEMS-акселерометров и обладающих высокостабильными характеристиками, а также способностью адаптации к внешним помехам.
В статье рассматриваются вопросы разработки комбинированного датчика удара, наклона и движения для автомобильной сигнализации Excellent R'evolution 3 (разработка - ООО Мэджик Ринг Лтд, Россия, серийное производство - Lighting Technology, Taiwan).
1. Анализ информационного сигнала и выработка требований к параметрам MEMS-акселерометра.
Автосигнализация Excellent R'evolution 3, как и предыдущие поколения сигнализаций Excellent, строится по модульному принципу. Основу сигнализации составляет главный модуль, к которому по цифровой шине подключаются периферийные устройства: датчик удара, микроволновый датчик, модуль дистанционного запуска, приемопередатчик (трансивер), GSM-пейджер, CAN-модуль.... Модульная структура позволяет построить гибкий охранный комплекс, возможности которого наращиваются в соответствии с пожеланиями пользователя. В работах [4,5] были рассмотрены датчик удара и микроволновый датчик Excellent, взаимодействующие с главным модулем по цифровой шине. Наличие шины позволило ввести цифровые градации настройки, регулировать датчики дистанционно (с брелка сигнализации, через программу настройки Magic Tuner и по GSM-каналу) и реализовать оригинальный алгоритм самоадаптации датчика к повторяющимся воздействиям по внешней зоне срабатывания.
Итак, исходя из требований по преемственности структуры Excellent, а также с учетом желаемых технических характеристик, комбинированный датчик должен обепечи-вать:
- отсутствие ложных срабатываний в условиях атмосферных и электромагнитных помех, и самоадаптацию к повторяющимся воздействиям;
- независимость характеристик от ориентации датчика;
- температурную стабильность характеристик в диапазоне - 40 +70 С;
- измерение приращений угла наклона относительно установившегося положения кузова автомобиля с точностью не хуже 0,2 градуса и реализация на основе полученных измерений однозонового датчика наклона с цифровыми градациями настройки;
- измерение ударов по кузову (слабых и средней силы) и реализация на основе полученных измерений двухзонового датчика удара с цифровыми градациями настройки по зонам предупреждения и тревоги;
- фиксацию сильных ударов по кузову (авария автомобиля) и выдача информации в шину;
- измерение скорости движения автомобиля и выдача информации в шину при превышении установленного порога;
- взаимодействие с главным модулем Excellent по цифровой шине;
- низкую себестоимость при серийном производстве.
Место монтажа датчика в автомобиле не регламентировано и выбирается установщиком сигнализации. С полной уверенностью можно утверждать, что датчик никогда не монтируется в моторном отсеке автомобиля, где уровень вибраций отдельных частей может достигать 10 - 12 g. Монтаж в салоне автомобиля значительно снижает уровень вибраций, действующих на закрепленный датчик. Все же проектируя датчик, необходимо оценить уровень и частотный диапазон вибраций в салоне в местах типовой установки датчиков. Это лучше всего сделать экспериментально.
Автомобильная сигнализация может работать в разных режимах : полная охрана, охрана с отключением зон предупреждения датчиков, охрана с работающим двигателем (в том числе при дистанционном запуске), тревога, снято с охраны. Рассмотрим основные режимы, в которых работает комбинированный датчик в составе сигнализации Excellent.
Датчик наклона опрашивается главным модулем в режиме полной охраны (вибрации отсутствуют).
Датчик удара опрашивается главным модулем в режиме полной охраны (вибрации отсутствуют). В режиме снято с охраны и при включенном зажигании (вибрации присутствуют) в шину выдается информация об аварии, когда датчик фиксирует превышение заданного порога.
Датчик движения опрашивается как в режиме охрана (вибрации отсутствуют), так и в режиме снято с охраны при включенном зажигании. В последнем случае присутствуют вибрации от работающего двигателя и воздействия от неровностей дороги при движении автомобиля.
2. Экспериментальное исследование информационного сигнала датчика.
Для экспериментальных исследований была выбрана отладочная плата STM32F3DISCOVERY. Она выполнена на базе микроконтроллера STM32F303VST6 и включает в себя встроенный отладчик ST-LINK/V2, акселерометр, гироскоп, электронный компас STMEMS, разъем MiniUSB, светодиоды и пользовательские кнопки.
На плате смонтирован 3-х осевой MEMS-акселерометр LSM303DLHS с конфигурируемым диапазоном измеряемых ускорений + 2g/+4g/+8g/+16g, чувствительностью (в
зависимости от диапазона ускорений) 1/2/4/12rng/LSB, I2C интерфейсом и предельной частотой опроса 1500 Гц.
При экспериментальных исследованиях тестовая плата с помощью двухсторонней липкой ленты закреплялась на торпеде автомобиля Nissan X-Trail (рис. 2). При измерениях ускорений, реализации по осям x, y, z записывались в файлы, а затем с помощью программы MatLab отображались в виде графиков.
2.1. Анализ шумов и вибраций.
У большинства MEMS-акселерометров с повышением диапазона измеряемых ускорений падает чувствительность и возрастает уровень шумов. Поэтому первые эксперимен-
тальные исследования проводились на самом чувствительном и малошумящем диапазоне ± с частотой опроса ускорения 1000 Гц.
Рис. 2. Тестовая плата STM32F3DISCOVERY, закрепленная в автомобиле.
На рис. 3 приведена реализация, отображающая последовательность работы: покой - запуск прогретого двигателя - работа прогретого двигателя в режиме холостого хода. В дальнейшем на всех графиках по вертикальной оси отложено ускорение в едини-
цах g, а по горизонтальной - время в мс.
ед.д
Рис. 3. Реализация ускорения: покой - запуск - холостой ход.
Анализ реализаций показывает:
- уровень шумов (шумовая дорожка) в состоянии покоя не превышает 30 mg;
- при запуске двигателя размах ускорения (от пика до пика) менее 180 mg, а при работе на холостом ходу (х.х) - менее 60 mg;
- максимальные уровни шумов и вибраций наблюдаются по оси с наибольшим абсолютным значением ускорения (в данном случае по оси у).
На рис. 4 показана часть реализации (рис.3) по оси у растянутая по времени при работе на х.х. Основная гармоника вибраций находится на частоте 13,5 Гц.
ед.д
0.2
Рис. 4. Вибрации при работе на холостом ходу (700 об/мин).
Ось г
Ось х
Ось у
ЧДЛаА. ЛД^ЛЛГ 1ЛЛЛЛАГ ЛлГчЛД/> ааДАА/
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
6000
6100
6200
6300
6400
6500
6600 I, мс
Рис. 5. Вибрации при работе двигателя на 2000 об/мин.
На рис. 5,6,7 показаны вибрации от работы двигателя на 2000, 3000 и 4000 об/мин соответственно. При росте частоты работы двигателя, основная гармоника вибраций возрастает до 65 Гц. Амплитуда вибраций сначала возрастает до 90 mg (2000 об/мин), а затем снижается до 50 mg (3000 об/мин), 55 mg (4000 об/мин).
Рис. 6. Вибрации при работе двигателя на 3000 об/мин.
ед.д 0.4
0.2
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
Ось г 1 1
Ось х чпгУгг^ ЛГ'НЛЛ^ гтг-г-"
Ось у
УЛАЧГ4 нАЛпЛиГ .¿у^УЦр»*»'' Лл/ил^
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000 мс
Рис. 7. Вибрации при работе двигателя на 4000 об/мин.
Промежуточные выводы:
1. Шумовая дорожка в состоянии покоя (режим охрана или режим снято с охраны при незапущенном двигателе) не превышает 30 mg.
2. При работающем двигателе уровень вибраций (от пика до пика), измеряемых при креплении тестовой платы (акселерометра) в салоне автомобиля на пластике не превышает 90 mg.
2.2. Измерение ускорений при ударах по кузову автомобиля.
Удары по кузову автомобиля подразделяют на «слабые», при которых сигнализация должна выдавать короткий предупреждающий сигнал, и «сильные» - когда сигнализация включает тревогу. Так как понятия «сильный» и «слабый» относительны, то на практике считают слабым удар по кузову рукой с расстояния 10-15 см, а сильным - удар ногой по колесу, или захлопывание двери.
2.2.1. Слабый удар.
На рис. 8 приведены реализации ускорений по трем осям при слабом ударе по кузову автомобиля в районе переднего крыла, а на рис. 9 второй удар по оси у, растянутый по оси времени.
ед.д' 0.4
0.2
-0.6
-08
-1»2
Ось г —- 1
......................1 Ось х У ^—---------------- .„/ 1..................... •К,-— ............А
——1 Покой
уф р №1 Удар №2 уд4 о №3
.1. ................
Ось у ^ .............. шипидш Р млииигмммииЛЦ
......................А 1 |!Г............. И 1 1 г..............-
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500 >. мс
Рис. 8. Три слабых удара по кузову в области переднего крыла.
Рис. 9. Удар в области переднего крыла.
На рис. 10 и 11 приведены реализации при ударах в области багажника и капота соответственно.
Рис. 10. Три слабых удара в области багажника.
Рис. 11. Три слабых удара по капоту автомобиля.
Обработку сигнала в датчике по каждой оси можно осуществлять независимо, так как это существенно облегчает программу фильтрации. Датчик срабатывает, если хотя бы по одной оси наблюдается превышение порога. В этом случае для анализа сигнала целесообразно выбирать ось у с максимальным откликом. Наихудшим случаем здесь является второй удар в области багажника (рис. 10). Но и в этом случае амплитуда информационного сигнала в несколько раз больше размаха шумовой дорожки. А это означает, что информационный сигнал при чувствительности акселерометра не хуже 4 легко отделяется от шума. Частота колебаний при ударе по кузову, измеренная по реализации (рис. 9) приближенно равна 50 Гц.
Однако следует отметить, что более качественная обработка сигнала и лучшая чувствительность получается при векторной обработке, когда на основе проекций сигнала вычисляется приращение вектора ускорения.
2.2.2. Сильный удар.
На рис. 12 приведена реализация при трех последовательных сильных ударах (сильное захлопывание двери водителя), а на рис. 13 - реализация удара №2, растянутая по оси времени.
Рис. 12. Сильные удары (захлопывание двери водителя).
Рис. 13. Сильный удар №2, растянутый по оси времени.
Анализ реализаций показывает, что амплитуда сильного удара не превышает 0,5 g, а значит, сильные удары укладываются в диапазон ± 2g.
Реализация, приведенная на рис. 13, содержит две основные гармонические составляющие на частотах около 25 и 50 Гц. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректной обработки сигнала частота опроса должна как минимум в два раза превышать верхнюю частоту спектра сигнала. Если принять максимальную частоту спектра при ударах 50 Гц, то минимальная полоса пропускания акселерометра должна быть 100 Гц (частота опроса сигнала - 200 Гц).
Промежуточный вывод: для корректного измерения интенсивности удара по кузову автомобиля достаточно диапазона измерений ± 2g с частотой опроса не менее 200 Гц.
2.3. Движение автомобиля.
Информация о движении может быть взята непосредственно со спидометра автомобиля. Для этого должен быть задействован один из входов сигнализации, соединенный со спидометром, а это требует дополнительных аппаратных ресурсов. Сигнал спидометра, поступивший на вход сигнализации, должен быть соответствующим образом обработан в процессоре главного блока, так как в одних случаях сигнал о скорости аналоговый, а в других - импульсный. В большинстве современных автомобилях сигнал о скорости может быть получен с СЛК-шины, это наиболее удобный способ получения сигнала, причем с точностью до 1 км/час. Но опять же, это требует специального СЛК-адаптера. Использование акселерометра, который заодно измеряет удар и наклон, является наиболее универсальным. Точность измерения скорости в данном случае не очень важна, так как информация о скорости движения используется:
- для закрытия центрального замка или включения режима защиты от захвата при достижении определенной скорости;
- для выдачи сигнала на глушение дистанционно запущенного двигателя при обнаружении движения;
- для включения тревоги при движении (в том числе эвакуации) автомобиля в режиме охраны.
В приведенных случаях не столь важно, сработал датчик на скорости 12 или 15 км/час, то есть точность измерений в ± 20% вполне достаточна.
На рис. 14 приведена реализация ускорения при медленном разгоне до скорости 20 км/час с последующим торможением.
Рис. 14. Медленный разгон - медленное торможение.
Здесь можно выделить интервал набора скорости, когда ускорение относительно состояния покоя изменяется в одну сторону, и интервал торможения - ускорение относительно неподвижного состояния изменяется в другую сторону.
На рис. 15 приведена реализация при быстром разгоне до скорости 20 км/час и последующем резком торможении. Качественно графики на рис. 14 и 15 имеют схожую структуру и различаются только абсолютными уровнями ускорений.
Рис. 15. Быстрый разгон - резкое торможение.
На рис. 16 приведена реализация: разгон - торможение - проезд первого «лежачего полицейского» - движение - проезд второго «лежачего полицейского». Здесь отчетливо фиксируются моменты проезда препятствия сначала передней осью автомобиля, затем задней осью.
Рис. 16. Проезд двух «лежачих полицейских».
Промежуточные выводы:
- при наборе скорости и последующем торможении, приращение ускорения относительно состояния покоя не превышает 0,7 g, а это значит, что диапазон акселерометра в ± 2g является достаточным для корректной обработки информационного сигнала;
- интервалы набора скорости и торможения составляют единицы секунд;
- спектр и интенсивность ускорений при проезде неровностей близок удару по кузову;
- для разделения информационного сигнала о движении от ускорения вибраций и проезда препятствий требуется предварительная низкочастотная фильтрация ускорения с постоянной времени в единицы секунд.
2.4. Измерение наклона автомобиля.
Сделаем теоретическую оценку чувствительности акселерометра для измерения приращений угла наклона в Aa = 0,2°.
Ag=g • sin Aa=g • sin0,2° =0,003g « 4 mg.
Оценка показывает, что чувствительности акселерометра в 4 mg/LSBдостаточно для проведения корректных измерений. На практике для определения факта наклона кузова достаточно измерять наклон с точностью в Aa = 0,5° в диапазоне приращений Aa=0 - 2°.
2.5. Измерение аварийных ударов.
Критерии определения аварийного удара достаточно подробно описаны в работах [10,11]. Время аварийного удара может достигать 150 мс. Рекомендованным алгоритмом определения аварии в ГОСТ Р 54620-2011 для проекта «ЭРА-ГЛОНАСС» является ASI 5. Алгоритм основан на индексе степени опасности ускорения и вычисляется на временном отрезке 150 мс следующим образом:
Г, (0Y ^„л2
«х (t)
+
V «х У
а
V y У
+
«z (t)
V «z У
ASIls = J j^- J ASI(t)dt J ; t2 - ^ = 15 ms; ASI(t) =
J 21 ti J max 1
^ t+s ^ t+ s ^ t+s
«х (t) =1 J «х (t )dt; «y (t) =1 J «y (t )dt; а2 (t) =1 J а2 (t )dt; «x = 12g; «y = 9 g; «х = 10g. Примерный график ASI 5, взятый из [11], приведен на рис. 17.
to
1
£
2
J ASI J
ASI >r* ry rxh
r—> - —
«о
90
1» 1М
Тип», т»
Рис. 17. Ускорение при аварии.
Считается, что авария произошла, если ASI15 превышает порог ASI Injury risk level=2.
Обработка ускорения по представленному алгоритму сложна. Для упрощения алгоритма сделаем оценку в предположении, что постоянное ускорение действует только по оси х. Тогда, из равенства
ASI(t) =
Г \2
Ч (t ^
V a J
+
Г \2
Ч (t )>
а
V у J
+
Ч (t )v
V а
А
Í- V
а- ] = 2,
V 12j
получаем ускорение ах = 24g. Это ускорение должно действовать не менее 15 мс.
Максимальное ускорение, измеряемое акселерометром на тестовой плате, составляет ±16 ^ Для более корректного измерения аварийного ускорения нужно было бы установить этот диапазон. Но тогда в этом же диапазоне пришлось бы проводить измерения удара, наклона и движения. Однако это нецелесообразно по двум причинам. Первая из них связана с тем, что точность измерения 12^?/Ь8В недостаточна для фиксации слабых ударов и наклона. Вторая причина связана со значительным возрастанием собственных шумов акселерометра. На рис. 18 приведена шумовая дорожка по одной из осей акселерометра (по остальным осям картина аналогичная) при сконфигурированном диапазоне ±16 g.
Уровень шумов, по сравнению с диапазоном ±2 g возрастает в три раза до 80 mg. При таком шуме измерение слабых ударов по кузову проблематично.
В результате можно пойти на следующий компромисс. Оставить диапазон ±2 g, а аварийной считать ситуацию, когда ускорение выходит на границу диапазона на время около 50 мс.
Рис. 18. Шумы акселерометра при диапазоне измерений + 16 g.
Другим вариантом является применение акселерометров, обеспечивающих одну и ту же точность (а, следовательно, и уровень шумов) во всем расширенном диапазоне измерений.
Промежуточные выводы:
- точность измерения приращений ускорения в 1 ^д/Ь8Впри сконфигурированном диапазоне + 2 g является достаточной для измерения приращений наклонов кузова в Аа=0,1°;
- для измерения аварийных ударов целесообразно применять акселерометры, которые в диапазоне +16 g обеспечивают точность не хуже 4 mg/LSB.
3. Выбор акселерометра.
В настоящее время на рынке существует достаточно большой выбор акселерометров, удовлетворяющий требуемым характеристикам. При выборе конкретного типа акселерометра разработчики руководствуются не только техническими параметрами, но и минимальной стоимостью, минимальным энергопотреблением, а также доступностью на рынке и другими факторами. Например, фирма Analog Devices http://www.analog.com/ru/mems-sensors/mems-
accelerometers/products/index.html#MEMS Accelerometer представляет выбор из 40 MEMS-акселерометров, с различными техническими параметрами и стоимостью.
Для реализации комбинированного датчика можно предложить, например, акселерометр ADXL345 [9], имеющий настраиваемый диапазон измеряемых ускорений от ± 2g до ±16g, чувствительность во всем диапазоне измерений не хуже 0,004 g, полосу пропускания 1,6 кГц (предельная частота опроса 3200 Гц), цифровой выход (шины SPI и 12С), температурный диапазон от -40 до +85 С, габариты 3х5х1 мм.
Выводы
Экспериментальные исследования сигнала, несущего информацию об ударе по кузову, наклоне и движении автомобиля, с применением тестовой платы STM32F3DISCOVERY позволило выработать требования к выбору МEMS-акселерометра, а также установить следующее:
1. Шумовая дорожка в состоянии покоя (при незапущенном двигателе) не превышает 30 mg.
2. При работающем двигателе уровень вибраций (от пика до пика), измеряемых при креплении акселерометра в салоне автомобиля на пластике не превышает 90 mg.
3. Для корректного измерения интенсивности удара по кузову автомобиля достаточно диапазона измерений ± 2g, частота опроса сигнала должна быть не менее 200 Гц.
4. При наборе скорости и последующем торможении приращение ускорения относительно состояния покоя не превышает 0,7 g и диапазон акселерометра в ± 2g является достаточным для корректной обработки информационного сигнала.
5. Спектр и интенсивность ускорений при проезде неровностей близок сильному удару по кузову.
6. Для разделения информации о движении от ускорения вибраций и проезда препятствий, требуется предварительная низкочастотная фильтрация сигнала с постоянной времени в единицы секунд.
7. Точность измерения приращений ускорения в 4 т§/Ь8Вявляется достаточной для
измерения приращений наклонов кузова Аа = 0,2°;
8. Для измерения аварийных ударов целесообразно применять акселерометры с диапазоном измерений не менее ±16 g.
Список литературы
1. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации, основы теории и принципы построения: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Горячая Линия - Телеком, 2004. 367 с.
2. Андрианов В.И., Соколов А.В. Охранные устройства для автомобилей: Справочное пособие. СПб.: Изд-во Лань, 1997. 320 с.
3. Противоугонные устройства / под ред. В.М. Мальцева. Минск: Красно-Принт, 1996. 265 с.
4. Васюков С.А., Красовский А.Б., Остапенко Д.Г., Федин В.И. Разработка методов и средств повышения чувствительности и стабильности характеристик микроволновых датчиков // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 4. С. 367-381. DOI: 10.7463/0414.0704976
5. Васюков С.А., Красовский А.Б., Остапенко Д.Г., Федин В.И. Разработка методов и средств улучшения характеристик микропроцессорных датчиков удара для автомобильных сигнализаций // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 5. С. 121-138. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/709342.html (дата обращения 01.06.2014).
6. Юдин А. Новые акселерометры компании STMicroelectronics // Компоненты и технологии. 2009. № 2. С. 28-31.
7. Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Акселерометры // Компоненты и технологии. 2010. № 3. С. 20-26.
8. Еманов А. Инерциальные датчики STMicroelectronics // Новости электроники. 2007. № 18. Режим доступа: http://www.compel.ru/lib/ne/2007/18/7-inertsialnyie-datchiki-stmicroelectronics-2/ (дата обращения 01.04.2014).
9. 3-Axis Digital Accelerometer ADXL 345. Analog Devices Inc., Data Sheet, Rev. 0, 2009.
10. Воронов А.С., Иванов А.В., Калигин Н.Н. Инерциальная навигация в системах экстренного реагирования при авариях // Ползуновский альманах. 2013. №1. С. 47-50.
11. Воронов А.С., Калигин Н.Н. Определение момента аварии и оценка вероятности получения опасных для жизни травм // Ползуновский альманах. 2013. №1. С. 83-86.
Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 10, pp. 209-229.
DOI: 10.7463/1014.0730675
Received:
08.10.2014
Science ^Education
of the Bauman MSTU
ISSN 1994-0448 © Bauman Moscow State Technical Unversity
Experimental Study of the Information Signal of Combined Shock, Tilt, and Motion Sensor Based on the 3-Axis MEMS-Accelerometer
S.A. Vasyukov1'*, D.G. Ostapenko1, T.V. Avdeeva1 sa-vasvukQvgma]lm
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: shock sensor, tilt sensor, motion sensor, car alarm system, MEMS-accelerometer
Modern car alarm systems are equipped with smart sensors implemented using various physical principles. These sensors have to ensure high reliability and validity of monitored parameters with a lack of false operations. First of all, shock sensor, which is a part of, essentially, entire alarm systems, as well as tilt and motion sensors are referred to the smart sensors.
Shock sensors with the sensitive elements (SE) of piezoelectric, microphone, and electromagnetic types possess a number of the essential shortcomings caused by the type of SE. It is, first of all, a narrow band of the sensitive elements, which does not allow true differentiation of shocks to the autobody from false actions, as well as a various sensitivity of sensors depending on the SE axis orientation.
Tilt sensors of electromagnetic type implemented as separate devices were seldom used because of their high cost and imperfect characteristics. Though there is still a need for such sensors. The specified shortcomings can be hardly overcome through improvement of sensitive element hangers of considered sensors. The use of the three-axial accelerometers made by MEMS technology seems to be the most perspective here.
The article presents results of pilot studies of the accelerations reached when auto-body is under shock and a car is inclined and runs. When measuring, the test board STM32F3DISCOVERY with the MEMS accelerometer LSM303DLHS is used. A level of noise and vibrations has been analysed when mounting a board on the plastic panel of the car and when operating the engine in the range from 700 to 4000 rpm. The article presents accelerations implemented under the following conditions: light shocks in different parts of the auto-body (wing, trunk, hood); strong shock (closing a door); slow and fast acceleration to the speed of 20 km/h with the subsequent braking and passage of obstacles such as "sleeping policemen".
Research results enabled us to make justification for selecting the range of accelerometer operation, as well as the accuracy of measuring acceleration, frequency of signal poll, and algorithm of filtration.
The article gives recommendations for selecting the MEMS accelerometers to be used in
combined shock, tilt, and motion sensors of modern car alarm systems.
References
1. Magauenov R.G. Sistemy okhrannoy signalizatsii, osnovy teorii i printsipy postroeniya [Alarm system, the basic theory and principles of construction]. Moscow, Goryachaya Liniya - Telekom Publ., 2004. 367 p. (in Russian).
2. Andrianov V.I., Sokolov A.V. Okhrannye ustroystva dlya avtomobiley: Spravochnoe posobie [Security devices for cars: Reference guide]. St. Petersburg, Lan' Publ., 1997. 320 p. (in Russian).
3. Mal'tsev V.M., ed. Protivougonnye ustroystva [Anti-theft devices]. Minsk, Krasno-Print Publ., 1996. 265 p. (in Russian).
4. Vasiukov S.A., Krasovskii A.B., Ostapenko D.G., Fedin V.I. Developing methods and means to improve the sensitivity and stability characteristics of microwave sensors. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 4, pp. 367-381. DOI: 10.7463/0414.0704976
5. Vasiukov S.A., Krasovskii A.B., Ostapenko D.G., Fedin V.I. Development of methods and means to improve a performance of microprocessor shock sensors for car alarms. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana = Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 5, pp. 121-138. Available at: http://technomag.bmstu.ru/doc/709342.html , accessed 01.06.2014.
6. Yudin A. New accelerometers from STMicroelectronics. Komponenty i tekhnologii, 2009, no. 2, pp. 28-31. (in Russian).
7. Sysoeva S. [Key market segments of MEMS components. Accelerometers]. Komponenty i tekhnologii, 2010, no. 3, pp. 20-26. (in Russian).
8. Emanov A. [Inertial sensors STMicroelectronics]. Novosti elektroniki, 2007, no. 18. Available at: http://www.compel.ru/lib/ne/2007/18/7-inertsialnyie-datchiki-stmicroelectronics-2 / , accessed 01.04.2014. (in Russian).
9. 3-Axis Digital Accelerometer ADXL 345. Analog Devices Inc., Data Sheet, Rev. 0, 2009.
10. Voronov A.S., Ivanov A.V., Kaligin N.N. Inertial navigation in systems of emergency response in case of accidents. Polzunovskii al'manakh, 2013, no.1, pp. 47-50. (in Russian).
11. Voronov A.S., Kaligin N.N. Determination of moment of accident and assessment of the probability of life-threatening injuries. Polzunovskii al'manakh, 2013, no.1, pp. 83-86. (in Russian).
