ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Piotr Mróz 1, Sebastian Brol 2 WYKORZYSTANIE MIKROKONTROLERA STM32F DO ZDALNEGO POMIARU WIELKOŚCI KINEMATYCZNYCH NAPĘDZANEGO KOŁA OGUMIONEGO 1. Wstęp Podczas badań siły napędowej i mocy na kołach samochodu realizowanych na rolkowej hamowni podwoziowej wykorzystuje się między innymi 2 sposoby pomiaru: w stanie ustalonym i nieustalonym. W pierwszym prędkość obrotowa rolki jest ustalona, a moment napędowy na kole jest równoważony momentem toczenia opony i momentem hamującym rolki. W stanie nieustalonym moment na kole jest większy niż oporów i koła napędzane rozpędzają się z zadanym momentem oporowym (lub siłą styczną na rolce). Opierając się na pracach Mitschkego i Lanzendoerfera oraz Szczepaniaka [4, 5], ogólną (i uproszczoną) zależność na moment obrotowy na kole, można zapisać tak, jak w równaniu (1), gdzie: M k moment na kole, M t moment oporów od oporu toczenia, Mr moment oporowego na rolce. Zakładając, taki sam promień dynamiczny r d dla kół napędzanych, można zapisać, że: Podczas ruchu kół ogumionych w opisanych tu warunkach występuje poślizg wzdłużny wyrażany najczęściej za pomocą poślizgu względnego S N. Wartość S N zależy od wartości współczynnika przyczepności [7]. W konsekwencji poślizg zależy od chwilowej wartości F N i obciążenia kół napędzanych. W wyniku poślizgu kół napędzanych moc na kołach napędzanych jest wyższa niż ta, która wynika z iloczynu prędkości liniowej rolki i siły napędowej i może być wyrażona zależnością (3), gdzie: N k moc na kołach, r d promień dynamiczny, r k promień kinematyczny, S N poślizg względny kół napędzanych podczas rozpędzania, F N siła napędowa, v prędkość liniowa rolki. (1) (2) (3) 1 mgr inż. Piotr Mróz, doktorant, Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska 2 dr inż. Sebastian Brol, Katedra Pojazdów Drogowych i Rolniczych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska 215

Powyższa zależność z jednej strony uwzględnia wartość poślizgu względnego kół napędzanych, co prowadzi do korekcji (zwiększenia) wartości mocy w stosunku do mocy obliczonej tylko za pomocą iloczynu F n v. Oznacza to, że podczas badań na hamowni rolkowej należy także uwzględniać promień dynamiczny i poślizg kół podczas testów, aby jak najdokładniej wyznaczyć moc na kołach [3, 6]. Pomiar poślizgu kół napędzanych opierał się także o badania fotometryczne [10] oraz wyznaczenie drogi przebytej, przez samochód, [2]. Natomiast opracowany system pomiarowy wykorzystuje zdalną, optyczną metodę pomiaru prędkości obrotowej koła oraz optyczną metodę pomiaru prędkości liniowej rolki hamowni. System wykorzystuje mikrokontroler STM32F1, w który wyposażony jest zestaw uruchomieniowy ZL27ARM, do zbierania danych z wykorzystanych urządzeń i czujników. Niniejszy artykuł opisuje prototypowy system pomiarowy, a skonstruowany w oparciu o mikrokontroler STM32, omawia jego właściwości oraz wyniki pomiarów poślizgu względnego kół napędzanych zrealizowanych za jego pomocą. 2. Koncepcja i opis układu pomiarowego System pomiarowy ma za zadanie dostarczyć danych do obliczenia poślizgu względnego. Zatem powinien mierzyć z jak najmniejszą niepewnością pomiarową prędkość obrotową koła oraz prędkość liniową rolki hamowni. Ogólną ideę pomiaru przedstawiono na rysunku 1. Wykorzystano tutaj mikrokontroler STM32, który zbiera dane i przekazuje je do komputera poprzez złącze RS-232. Prototypowy układ pomiarowy zbudowano w oparciu o zestaw uruchomieniowy ZL27ARM firmy KAMAMI, który wyposażony jest w mikrokontroler STM32F103VBT6. Rys. 1. Schemat blokowy układu pomiarowego Do pomiaru prędkości obrotowej koła wykorzystano, jako wyzwalacz, odbiciowy czujnik laserowy, którego wiązka odbijała się od naklejonej w jednym miejscu na obręcz koła pojazdu taśmy odblaskowej. Przy przejściu lasera przez taśmę zmieniał się stan sygnału wyjściowego z czujnika z niskiego na wysoki. Tym samym zbocze sygnału informowało o wykonaniu przez koło jednego pełnego obrotu. Ta informacja pozwalała na odczyt wartości układu licznikowego mikrokontrolera i licznika programowego, które odliczały czas pomiędzy kolejnymi zdarzeniami (pełnymi obrotami koła). Informacja o czasie wykonania jednego pełnego obrotu koła pozwalała na obliczenie prędkości obrotowej koła, a przy założeniu stałego promienia dynamicznego koła prędkości liniowej. Do pomiaru prędkości liniowej rolki hamowni wykorzystano urządzenie Datron z głowicą L-350 Aqua. Impuls generowany przez urządzenie odpowiadał długości zaprogramowanej uprzednio (w tym przypadku ustalono ją na równą 1 cm). Układ 216

licznikowy mikrokontrolera zliczał generowane impulsy w czasie, a dalej obliczano prędkość liniową rolki hamowni. Tabela 1. Właściwości systemu pomiarowego Urządzenie / element / układ Zestaw uruchomieniowy ZL27ARM Hamownia podwoziowa MSR 500/2 PKW ALLRAD Laserowy czujnik odbiciowy Datron L-350 Aqua Wybrane właściwości mikrokontroler STM32F103VBT6 (m.in. 128 kb pamięci Flash, 20 kb pamięci SRAM, 2 SPI, 2 I2C, 3 UART, USB, CAN, ADC), 4-przyciskowa klawiatura, złącze dla alfanumerycznego wyświetlacza, interfejs RS232/USB, maks. nacisk na oś: 2500 kg, maks. stat. moc na kołach: 2x260 kw, maks. prędkość pomiarowa: 300 km/h, maks. siła pociągowa: 2x7000 N, dokładność pomiaru: +/- 2 %. pomiar: optyczny, zakres pomiarowy 0,1 600000 1/min., odległość pomiaru: - odblask znaku 0,05 2 m, - kontrast znaku 0,05 0,75 m, laser o długości fali 670 nm. zakres pomiaru prędkości 0,3 250 km/h, rozdzielczość odległości: 1,5 mm, dokładność pomiaru: <± 0,2 %, wyjście cyfrowe: 1 1000/TTL impulsów/m. W tabeli 1. Przedstawiono wybrane właściwości układów wykorzystanych w systemie pomiarowym. Układy licznikowe skonfigurowano wg tabeli 2. Pomiar czasu jednego, pełnego obrotu koła Tabela 2. Konfiguracja układów licznikowych ZL27ARM Funkcja układu Parametry Opis Taktowanie: 0,1ms, Wyzwalanie przerwania przy T = 10 taktów, Tryb zliczania: w górę, licznik odliczający czas, Pomiar drogi w ustalonym odcinku czasu Taktowanie: 0,1 ms Wyzwalanie przerwania przy T = 400 taktów, Tryb zliczania: w górę, Sprzętowy licznik odliczał 0,1 ms, a na podstawie informacji o przepełnieniu inkrementowany był programowy W układzie licznikowym wykorzystano dwa sprzętowe liczniki L 2 i L 3. L 3 wyzwalał przerwanie, co 40 ms, a L 2, był inkrementowany przez zbocze narastające sygnału z urządzenia Datron. Tu jedno zbocze narastające oznaczało przyrost drogi równej 1cm. Głównym założeniem systemu pomiarowego było wykorzystanie możliwości dostosowywania konfiguracji układów licznikowych do potrzeb badań, dzięki czemu możliwa była zmiana rozdzielczości pomiaru (poruszono to w dalszych rozdziałach artykułu). Na rysunku 2. przedstawiono algorytm pomiaru wg, którego działał opracowany system pomiarowy. 217

Rys. 2. Algorytm pomiaru 2.1 Metodyka badań i obiekty badań Badania poślizgu kół napędzanych przebiegały w następujących po sobie etapach: 1. Rozpędzenie rolek hamowni do ustalonej prędkości liniowej (np. 10 km/h), 2. Ustalenie prędkości, 3. Ustalenie siły stycznej na rolce przez kierowcę, 4. Uruchomienie procedury pomiarowej (patrz rys. 2), 5. Opracowanie statyczne wyników z 60 pomiarów, 6. Wysłanie danych przez RS232/USB do komputera, 7. Archiwizacja danych. W tabeli 3. przedstawiono najważniejsze dane obiektów badań. Tabela 3. Zestawienie danych obiektów badań Obiekt badań Fiat Punto Citroen C5 Dane parametry - pojemność skokowa: 1368 cm³, moc maks.: 95 KM, maks. moment obr.: 128 Nm, prędkość maks.: 178 km/h, skrzynia biegów: automatyczna, rozmiar opon: 165/70R14, warunki pomiaru ciśn. w oponach: 2,2*10 5 Pa, temp. otoczenia 14 C. parametry - pojemność skokowa: 2946 cm³, moc maks.: 207 KM, maks. moment obr.: 285 Nm, skrzynia biegów: automatyczna, rozmiar opon: 215/55R16, warunki pomiaru - ciśnienie w oponach: 2,4 *10 5 Pa, temp. otoczenia 15 C. 3. Analiza rozdzielczości pomiarowej Rozdzielczość pomiaru jest najmniejszą możliwą zmianą wielkości pomiędzy dwoma sąsiadującymi punktami pomiarowymi możliwymi do zarejestrowania przez układ pomiarowy [9]. Prędkość kątową koła można obliczyć znają czas jednego obrotu koła t o, co opisuje wzór (4). 218

Jeżeli czas obrotu wyrazić wykorzystując stan licznika mikrokontrolera L 2, to można otrzymać zależność (5) gdzie: L 1 wartość licznika po jednym obrocie koła, g czas jednego taktu (odwrotność częstotliwości taktowania). Rozdzielczość pomiarowa prędkości kątowej R k koła wynosi zatem: Pomiar prędkości liniowej v r (7) rolki, zależy od iloczynu Tg, czyli, co jaki czas odczytywana jest wartość licznika L 2. gdzie: L 2 stan licznika zliczającego impulsy z urządzenia Datron (co 1 cm), T stan licznika L 3 wyzwalające procedurę obsługi tzw. przerwania zegarowego, g czas jednego taktu. Tu wykorzystano przerwanie wyzwalane przekroczeniem zliczeń licznika L 3 równej T. Zatem wzór na R vr przedstawia się następująco: gdzie, L 2 wartość sprzętowego licznika drogi pokonanej przez rolkę hamowni zmierzonej na podstawie sygnału z urządzenia Datron, T liczba po przekroczeniu, której następuje przepełnienie sprzętowego licznika L 3, g taktowanie licznika sprzętowego. Na podstawie zależności (6) i (8) obliczono rozdzielczości dla wybranych zakresów parametrów g, T, k i L x. Na rysunku 3. przedstawiono wykres rozdzielczości R k, a na rysunku 4 R vr. Jak widać na rys. 3 i 4 rozdzielczość pomiaru prędkości kątowej koła jest nieliniowa i zależy od prędkości kątowej koła oraz od taktowania licznika L 1. Przy taktowaniu pomiaru sygnałem o częstotliwości 7 MHz, rozdzielczość rośnie od 4,4 10-9 rad/s przy k = 0,33 rad/s (20 obr./min) do 3,9 10-4 rad/s przy k = 100 rad/s (6000 obr./min). Przy taktowaniu pomiaru z f = 40 khz, rozdzielczość rośnie od 7,7 10-7 rad/s przy k = 0,33 rad/s (20 obr./min) do 0,06 rad/s przy k = 100 rad/s (6000 obr./min). Natomiast rozdzielczość pomiaru prędkości liniowej rolki hamowni podwoziowej jest liniowa i zależy od taktowania licznika g i wartości T. Przy taktowaniu pomiaru sygnałem o f = 1 khz rozdzielczość jest stała i wynosi 0,01 m/s (1 km/h), a dla taktowania f = 14 khz wynosi 0,14 m/s (200 km/h) i również jest stała dla wszystkich prędkości liniowych rolki. (4) (5) (6) (7) (8) 219

Rys. 3. Rozdzielczość pomiaru prędkości obrotowej koła Rys. 4. Rozdzielczość pomiaru prędkości liniowej rolki hamowni podwoziowej przy stałej wartości T 4. Analiza niepewności pomiarowej Niepewność pomiarowa jest wartością pomiaru obarczoną odchyleniem od wartości średniej wyników pomiaru [1]. Każdy system pomiarowy obarczony jest niepewnością pomiarową [9], którą niweluje się poprzez kalibrację ustawień systemu. W badaniach do obliczenia niepewności pomiarowej wykorzystano metodę różniczki zupełnej, co w efekcie dało wzory na niepewność pomiarową prędkości koła (9) oraz niepewność pomiarową prędkości liniowej rolki hamowni (10)., rad/s (9), m/s (10) Na podstawie zależności (9) i (10) obliczono niepewność pomiarową prędkości kątowej koła (rys. 5.) oraz niepewność pomiarową prędkości liniowej rolki hamowni (rys. 6.). Rys. 5. Niepewność pomiaru prędkości obrotowej koła Rys. 6. Niepewność pomiaru prędkości liniowej rolki hamowni 220

Rys. 5 i 6 wskazują, że niepewność pomiarowa prędkości kątowej koła jest nieliniowa i zależy od częstotliwości taktowania oraz prędkości kątowej koła. Niepewność pomiarowa rośnie, dla taktowania f = 7 MHz, od 8,6 10-7 rad/s przy k = 0,33 rad/s (20 obr./min) do 0,02 rad/s przy k = 100 rad/s (6000 obr./min). W wypadku ustawienia taktowania na f=40 khz niepewność rośnie od 4,6 10-5 rad/s przy k = 0,33 rad/s (20 obr./min) do 4,1 rad/s przy k = 100 rad/s (6000 obr./min). Natomiast niepewność pomiarowa prędkości liniowej rolki hamowni jest liniowa i zależy od częstotliwości taktowania oraz prędkości liniowej rolki hamowni. Dla taktowania f = 10 khz rośnie od 0,004 m/s przy 0,28 m/s (1 km/h) do 0,5 m/s przy 55,55 m/s (200 km/h) oraz dla taktowania f = 23 khz niepewność pomiarowa rośnie od 0,05 m/s przy 0,28 m/s (1 km/h) do 0,558 m/s przy 55,55 m/s (200 km/h). 5. Wyniki badań Ostatecznym etapem badań była analiza zebranych wyników pomiarów poślizgu przeprowadzonych na hamowni podwoziowej. Każdy punkt pomiarowy przedstawiony na wykresach obliczono stosując metodykę badań przedstawioną powyżej. W efekcie wyznaczono wzrost prędkości obrotowej koła w funkcji siły stycznej na rolce (rys. 7.), przy stałej prędkości liniowej rolki. Wzrost był obserwowany dla wszystkich badanych prędkości liniowych rolki hamowni. Rys. 7. Wzrost prędkości obrotowej w funkcji siły stycznej na rolce hamowni Rys. 8. Poślizg względny w funkcji prędkości liniowej rolki hamowni Następnie wyznaczono poślizg względny koła w funkcji siły stycznej na rolce hamowni (rys. 8.) wg [8] S N = (v r -v k )/v r, gdzie: v r to prędkość liniowa rolki, v k to prędkość liniowa koła. Dodatkowo dla pojazdu Citroen C5, dla ustalonej prędkości liniowej rolki hamowni, obliczono promień dynamiczny koła bez generowania siły stycznej na rolce. Dalej korzystając z zależności r d = (v r /ω k ) [8] obliczono promień dynamiczny dla tej prędkości. Do dalszych obliczeń przyjęto uproszczenie, że wyznaczony w takich warunkach promień jest stały dla badanej prędkości. Zaobserwowano, że zmienia się on w funkcji prędkości. Następnie wyznaczono zależność średniej prędkości liniowej koła pojazdu w funkcji siły stycznej na rolce hamowni (rys. 9). Zaobserwowano wzrost prędkości w odniesieniu do przyrostu siły stycznej na rolce. 221

Rys. 9. Średnia prędkość liniowa koła w funkcji siły stycznej na rolce hamowni dla ustalonej prędkości liniowej rolki hamowni Rys. 10. Średnia prędkość liniowa rolki hamowni w funkcji siły stycznej na rolce hamowni dla ustalonej prędkości liniowej rolki hamowni Podobnie wyznaczono zależność średniej prędkości liniowej rolki hamowni od siły stycznej na rolce hamowni (rys. 10.). Zaobserwowano względnie stałą wartość średniej prędkości liniowej rolki hamowni, co wskazuje na ustaloną i stabilną pracę regulatora prędkości hamowni podwoziowej. Ponadto na wykresach (rys. 9 i rys. 10) zaznaczono słupkami błędów niepewność pomiarową, co wskazuje, że w danych warunkach i przy danej konfiguracji systemu pomiarowego, ZL27ARM był 10-krotnie dokładniejszy niż urządzenie Datron. 6. Wnioski Badania wykazały, że w tego typu badaniach można wykorzystywać mikrokontroler STM32. Niepewność pomiarowa układu prototypowego jest o rząd niższa niż urządzenia Datron, jednak należy zwrócić uwagę, że oba urządzenia działają na innej zasadzie, a przyjęta metoda pomiaru prędkości obrotowej koła z definicji pozwala uzyskiwać niskie niepewności pomiarowe. Z drugiej strony wynik pomiaru prędkości obrotowej z systemu prototypowego jest dostępny dopiero po wykonaniu obrotu koła, a z urządzenia Datron co zadany interwał czasowy. Jest to niewątpliwa zaleta tego ostatniego. Należy dodać, że urządzenie Datron ma możliwość zmiany konfiguracji, przy której niepewność pomiaru będzie zbliżona do systemu prototypowego w tej konfiguracji. System prototypowy można jednak przekonfigurować tak, aby jeszcze bardziej obniżyć niepewność pomiarową poprzez zmianę taktowania, co przedstawiono na rysunku 5. Wyniki badań potwierdziły, że istnieje niezerowy poślizg względny kół napędzanych podczas testów układów napędowych Największa wartość poślizgu względnego w badaniach nie przekraczała 4% jednak można się spodziewać większych wartości gdy testowane będą samochody z innymi oponami oraz większymi wartościami siły napędowej niż badane pojazdy. Konkludując, do pomiaru poślizgu na kołach można wykorzystywać zaproponowany system pomiarowy 222

W dalszych badaniach należy uwzględnić pomiar zmian promienia dynamicznego podczas badań mocy na kołach, aby wyeliminować założenia upraszczające o stałej wartości r d. Literatura: [1] Arendarski J.: Niepewność pomiarów. Oficyna Wyd. PW, 2006, [2] Białczyk W., Cudzik A., Czarnecki J., Moś D.: Ocena energetycznych parametrów współpracy układu koło napędowe-droga leśna, Inżynieria Rolnicza 1(119)/2010, [3] Brol S.: Analiza możliwości wykorzystania bezpośredniego pomiaru przyspieszenia do wyznaczania właściwości trakcyjnych samochodu osobowego, Ofic.Wydaw.PO, Opole, 2013. [4] Lanzendoerfer J, Szczepaniak C., Szosland A.: Teoria ruchu samochodu, Wyd. PŁ, Łódź, 1988, [5] Mitschke M.: Dynamika samochodu. T. 2, Drgania, WKiŁ, Warszawa, 1989, [6] Mróz P., Brol S.: Analiza parametrów kinematycznych i dynamicznych układów napędowych kołowych robotów mobilnych, P.P.-H. "DRUKARNIA", PW, Płock, 2013, [7] Reński A., Sar H.: Application of dynamic slip characteristics in simulation of vehicle, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 5(72)/2008, Warszawa, 2008, [8] Siłka W.: Teoria ruchu samochodu, WNT, Warszawa, 2002, [9] Skubis T.: Podstawy metrologicznej interpretacji wyników pomiaru, Wyd. PŚ, Gliwice, 2004, [10] Słowiński K., Walczyk J.: Pomiary poślizgu kół przy pomocy poślizgomierza fotooptycznego, Inżynieria Rolnicza 10/2005. Streszczenie Artykuł przedstawia koncepcję i budowę układu pomiarowego do zdalnego, optycznego pomiaru parametrów kinematycznych napędzanego koła ogumionego samochodu osobowego podczas testów przeprowadzanych na jedno-rolkowej hamowni podwoziowej. Omówiono wykorzystanie peryferiów wybranego mikrokontrolera (STM32F1) do przeprowadzenia kalibracji układu oraz przetwarzania i przesyłania wyników pomiarów. Zaprezentowano założenia algorytmu pomiarowego, analizę rozdzielczości i niepewności pomiarowej, a także porównanie do wskazań z urządzenia DATRON wyposażonego w głowicę L-350 Aqua. Dodatkowo pokazano zmierzone różnice prędkości obrotowej kół napędzanych dla wybranych samochodów, prędkości i siły stycznej na rolce hamującej. Dokonano podsumowania oraz przedstawiono wnioski i spostrzeżenia z realizacji badań i z procesu konstrukcji układu pomiarowego. Słowa kluczowe: STM32, ZL27ARM, hamownia podwoziowa, poślizg względny, prędkość. 223

THE USE OF A MICROCONTROLLER STM32F FOR REMOTE MEASUREMENT OF THE KINEMATIC QUANTITIES OF DRIVEN WHEEL Abstract This article presents the concept and design of the measurement to remote optical measurement of kinematic parameters driven wheel a car during the tests conducted on a single-roller chassis dynamometer. Discussed the use of the selected microcontroller peripherals (STM32F1) to calibrate the system and the processing and transmission of results. Presented assumptions measurement algorithm, analysis of the definition and measurement uncertainty, as well as comparing the indications of DATRON device equipped with L-350 Aqua. In addition, the measured differences shown the speed of the drive wheels for selected cars, the speed and the tangential force on the braked rollers. Summarizes and presents conclusions and insights from the implementation of the research and design process of the measurement system. Keywords: STM32, ZL27ARM, chassis dynamometer, relative slip, velocity. 224