（车辆工程专业论文）基于嵌入式系统的汽车稳定性控制器的开发和研究.pdf

中文摘要 摘要 基于嵌入式系统的汽车稳定性控制器的开发和研究 研究生姓名：韩安 导师姓名：陈南教授 学校名称：东南大学 a b s ( a n t i b r a k i n gs y s t e m 防抱死系统) 和e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m 电子稳定性程序) 是提高汽 车主动安全性的重要方法。本文介绍的汽车稳定性控制器的设计，是利用飞思卡尔的单片机作为主控制单元， 在嵌入式实时操作系统c d 埘下执行多任务对车辆的多个状态参数进行监测，使其可以根据一定的算法对 车辆的进行a b s 和e s p 的控制。 本文从以下几个方面探讨了汽车稳定性控制器的设计过程： l 。首先对a b s e s p 的控制原理进行分析，并阐述a b s e s p 最常用的控制方法，描述在a b s e s p 控制过 程中需要采集的车辆状态信号和需要输出的控制信号，并详细说明其中的重点环节如轮速信号的采集等； 2 控制器的硬件是控制器工作的基础，只有在能够稳定工作的硬件环境下，控制器才能采集到正确的车辆 状态信号，并作出正确的判断来调整车辆的状态，本文主要从抗振动、抗噪声、体积小重量轻等几个方面来 探讨硬件的设计； 3 软件的设计是控制器设计的核心，在现在的嵌入式系统的设计过程中，软件的成分占了越来越大的比重， 如何保证能有一个稳定可靠的软件，是嵌入式设计中的最重要也是最难解决的问题，本文中将详细阐述对嵌 入式实时操作系统t c o s i i 的研究，并在控制器中移植, u c o s l i 嵌入式操作系统，以得到j 个能够稳定可靠 运行的软件环境； 4 利用基于d s p a c e 的硬件在环仿真来进行控制器控制效果的初步检测。在d s p a c e 中建立车辆的基本 模型，和实际的e s p 液压控制单元、汽车稳定性控制器组成一个闭环系统进行实验，以取得控制器控制效 果的一些参数，初步评价控制器的工作性能。 关键词：汽车稳定性控制器，防抱死系统，电子稳定性程序，嵌入式实时操作系统，d s p a c e 硬件在环仿 真 a b s t r a c t a bs t r a c t t h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l l e r b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m b y h a n a n s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rc h e nn a n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s ( a n t i - b r a k i n gs y s t e m ) a n de s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ) a r ev e r yi m p o r t a n tm e t h o d st o i m p r o v ev e h i c l es a f e t y t h ea u t h o rd e s i g n sav e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l l e ri nt h i sp a p e r ，t h i sc o n t r o l l e ru s e s f r e e s c a l em c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i oa sm a i nc o n t r o l l e r , a n dt h es o f t w a r eb a s e so nt h er e a l - t i m ee m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m a c o s l i t h ec o n t r o l l e rm o n i t o r st h es t a t eo fv e h i c l e ，a n dd o e sa b sa n de s pc o n t r o lt o v e h i c l eb a s e do nac e r t a i na l g o r i t h m t od i s c u s st h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fv e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l l e r , t h ea u t h o rw r i t e st h i sp a p e ra r o u n dt h e f o l l o w i n gp a r t s 1 f i r s t l y , t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fa b sa n de s p , a n dd e s c r i b e st h em o s tc o m m o nm e t h o d s t oa c h i e v ea b sa n de s pf u n c t i o n ，a n dt h e nt h ea u t h o rd e s c r i b e st h es i g n a l sw h i c hm u s tb ea c q u i r e df r o m s e n s o r se q u i p p e di nv e h i c l et om o n i t o rt h es t a t eo fv e h i c l e ，a n dt h ec o n t r o ls i g n a l sm u s tb es e n dt os o m e h y d r a u l i ce x e c u t i n ga g e n c y s o m ei m p o r t a n tp a r t sl i k ew h e e ls p e e dc a l c u l a t i n ga r ed i s c u s s e di nd e t a i l 2 t h eh a r d w a r ei st h eb a s i cp a r tf o rac o n t r o l l e rt ow o r kp r o p e r l y o n l yb a s e do nas t e a d yh a r d w a r e ，t h e c o n t r o l l e rc a na c q u i r et h es i g n a l sa c c u r a t e l y , a n dc a ns e n dp r o p e rs i g n a lt ot h eh y d r a u l i ce x e c u t i n ga g e n c y t h ea u t h o rd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g n i n go ft h ec o n t r o l l e ra r o u n dt h e s ef a c t o r s ，s u c ha sa n t i v i b r a t i o n , a n t i n o i s e ，s m a l l e ra n dl i g h t e re t c 3 t h es o f t w a r ed e s i g n i n gi st h ek e yp a r tf o rac o n t r o l l e rd e s i g n i n g i nn o w a d a y s ，s o f t w a r ed e s i g n i n g t a k e sav e r yi m p o r t a n tp a r ti ne m b e d d e ds y s t e md e s i g n i n g t od e s i g np r o g r a m sw h i c hc a nw o ks t e a d i l ya n d p r o p e r l yi sv e r yi m p o r t a n ta n da l s ov e r yh a r d t h ea u t h o rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h ee m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m , u c o s l ia n dt r a n s p l a n t st h e u c o s l io si nt h ec o n t r o l l e rt oe n s u r et h e r ew i l lb eav e r ys t e a d y e n v i r o n m e n tf o r t h ep r o g r a mr u n n i n g 4 t h ea u t h o ru s e sh i l s ( h a r d w a r ei nl o o ps i m u l a t i o n ) t e c h n o l o g yt o t e s tt h ec o n t r o l l e r f i r s t l y , a m o d e lo fv e h i c l ei nd s p a c em u s tb eb u i l t , a n dt h e nt h i sm o d e lw i t ht h eh y d r a u l i ce x e c u t i n ga g e n c y , a n d c o n t r o l l e r , f o r m sac l o s e d - l o o ps y s t e mf o re x p e r i m e n t a tl a s t ，s o m ep a r a m e t e r sf r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t c a l lb eg o t ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o l l e rc a nb ee v a l u a t e d k e yw o r d s ：v e h i c l es t a b i l i t yc o n t r o l l e r , a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) ，e l e c t r o n i cs t a b i l i t y p r o g r a m ( e s p ) ，r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，h a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究j ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证 5 而使用过的材料。与我 迎 一同j ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：妻堑坠 日期： 加7 生弓d 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图 5 馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被夯阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南人学研究生院办理。 研究生签名：啦导师签 t e l 期：出垫 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会的发展和人们生活水平的提高，汽车不再像以前那样作为奢侈品只能为少数人所拥有， 在现在，汽车越来越多的进入普通人家，2 0 0 7 年中国汽车销售总量已经达到8 8 8 3 4 万辆，中国的汽车 工业进入了前所未有的繁荣时期，尤其是轿车的发展，更是犹如井喷。当中国的汽车飞速增加的同时， 汽车的安全性也越来越成为人们关注的焦点，可以说，未来谁能在汽车安全技术的研发与应用方面有 所成就，谁就能为中国乃至全世界的人们做出无法估计的贡献【l 】。 据不完全统计，全球每年因交通事故死亡的人数有1 2 0 万人，即每天有3 2 0 0 人死于交通意外，在 中国，仅2 0 0 6 年就有接近9 万人因交通事故而丧生。最近一项研究表明，到2 0 2 0 年，如果不采取进 一步的措施来提高道路安全的话，交通事故死亡率的排名将上升到第三位，远在肺结核和呼吸系统感 染疾病之上。因此，越来越多的人把目光聚焦于驾驶员、道路状况和车辆安全配置这3 个影响交通安 全的重要因素上来。据博世公司2 0 0 7 年一项主动安全方面的调查显示，几乎7 5 的中国驾驶员都经 历过紧急制动，其中大约一半的驾驶员曾发生过车辆侧滑。在此情况下，即使熟练的驾驶员也可能失 去对车辆的控制，使得车辆打滑、翻滚等【2 j 。 在偏离正常操作环境时，驾驶员的操作有可能引起车轮制动过大，造成车轮抱死，使得汽车失去 转向能力；或者是加速行驶时车轮滑转，使得汽车失去控制，发生倒滑等险情；或者在危险的工况下， 由于惊恐造成对汽车的误操作，使得汽车发生急转、驶出、侧翻等事故。因此，必须从整车动力学角 度对汽车进行主动安全性控制p j 。 汽车主动安全系统的发展经历了a b s 、t c s 和e s p 的阶段，旨在通过主动对汽车控制的干预，减 少汽车打滑，侧滑等危险，提高汽车的安全性。汽车防抱死的理论早在1 9 2 8 年就被提出，到t 9 5 0 年， 世界上第一套防抱死制动系统( a b s ) 研制成功并被应用于对价格不十分敏感的航空工业上：到上个 世纪6 0 年代和7 0 年代末，美国三大汽车公司分别推出了装有a b s 的高级轿车，但受当时技术条件的 限制，a b s 在控制精度和可靠性上出现了许多问题，美国的汽车制造厂家在7 0 年代终止了a b s 轿车 的生产。随着电脑的发明和电子技术的发展，a b s 的性能和抗干扰能力不断增强，在上个世纪8 0 年 代中后期和9 0 年代，a b s 在世界范围内得到了广泛的推广和应用，成为在汽车上应用最成功的控制 产品之一，大大改善了汽车在制动时的稳定性。在9 0 年代中期以后，世界上主要汽车生产厂家生产的 轿车几乎全部配备了a b s ，使得a b s 成为现代汽车的标准装备。 汽车电子稳定程序e s p 是在a b s 和t c s 的基础上发展起来的，这一系统目前没有统一的命名， b o s c h 公司称之为汽车电子稳定性系统( e s p ) ；丰田公司称之汽车稳定性控制系统( v s c ) 或汽车稳 定性辅助系统( v s a ) ，汽车电子稳定控制系统( e s c ) ；宝马公司称之汽车动力学稳定性控制系统( d s c ) 【4 】。 最初的汽车稳定性控制的概念是在a b s 和t c s 的基础上在算法上加以改进，使之能部分解决汽 车的稳定性问题，但此时的系统还不能称之为汽车稳定性控制系统。在2 0 世纪9 0 年代，通过对车辆 稳定性的理论的分析，人们提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念( 如d y c ：d i r e c ty a wm o m e n t c o n t r 0 1 ) ，它通过采集方向盘转角的信息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的 分配来调节汽车的横摆运动，以保障汽车的稳定性，这标志着汽车稳定性控制概念的出现【5 】o 但考虑 到系统的成本，最早出现的稳定性控制系统所采用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外 东南大学硕士学位论文 车轮的转速差间接估计得到的，因此在一些汽车行驶的复杂工况下很难保证系统控制的精度和可靠性。 1 9 9 5 年之后，随着b o s c h 、b m w 、f o r d 、t o y o t a 等公司相继推出了使用横摆角速度和侧向加速度 传感器的新一代汽车稳定性控制系统，汽车稳定性控制的基本形式才得以确认。在这一时期，基于上 述结构的汽车稳定性控制算法开始大量出现肛，其中b o s c h 的v d c 是其中比较典型的控制方法之一， 它采用汽车实际运行状态与汽车理想运行状态的误差反馈来控制汽车的横摆力矩，并通过差动制动或 对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节【8 j ，这一控制方法也是现在汽车稳定性控制中较为常用 的方法。由于在汽车稳定性控制中所需要的车辆运行状态无法完全由传感器直接测量得到，因此如何 通过传感器测量的车辆状态信息推测出不易被测量的车辆状态或路面的状态信息一直是近几年汽车稳 定性控制的研究热点，目前已经有不少的状态估计方法出现，一定程度上改善了控制系统的可靠性。 近几年来，有一些学者开始尝试用现代控制理论的一些控制方法进行汽车稳定性控制，并取得了一定 的控制效果【l 卜1 2 j 。随着汽车底盘动力学控制的不断发展，集成控制是今后发展的必然趋势，汽车稳定 性控制将综合考虑对制动系统、悬架系统和转向系统的协调控制，并共享传感器信号，进一步提高控 制效果。 目前，世界上许多国家出台了相关的对于汽车主动安全性能的技术法规，提高了e s p 系统在汽车 上的装配率。德国2 0 0 4 年新车的e s p 装配率为6 4 ，法国是3 9 ，欧洲2 0 0 4 年平均新车装配率约为 3 6 。但是在中国，e s p 的装配率还比较低，2 0 0 4 年中国的新车装配率仅为3 ，2 0 0 5 年上升为4 ， 可见中国的e s p 技术才刚刚处于起步阶段，还有相当长的路程要走l 2 j 。 本文的主要研究内容，是利用f r e e s c a l e 的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 单片机作为控制单元来构造一个汽车 稳定性控制器，该控制器能够实时的采集汽车四个车轮的速度信号、方向盘转角信号、车身横摆角速 度和侧向加速度信号，从而提供必要的车身状态信息来供控制器计算并判断汽车按正常安全行驶和驾 驶员操纵意图之间的差距，然后，由控制单元发出指令，通过调整分配在各个车轮上的制动力的大小， 以修正汽车的过度转向或转向不足，防止汽车侧滑，使得汽车即使在极限行驶状态下也能够易于操作。 同时控制制动过程中轮胎的滑移率来提高汽车轮胎与路面附着系数，从而缩短车辆制动时的制动距离 和侧向力，驾驶员可将注意力集中到处理可能出现的交通事故上，提高汽车的主动安全性。因此，在 本文中，将详细研究车辆轮速信号采集的硬件电路和软件设计、方向盘转角信号采集的硬件电路和软 件设计、车身横摆角速度和侧向加速度信号采集的硬件电路和软件设计以及对液压执行机构进行控制 的控制电路的硬件结构和控制算法的软件设计。同时，本文中还将对设计的控制器进行d s p a c e 硬件 在环仿真的a b s 控制测试，以验证控制器各个功能是否符合控制的要求。 1 2 汽车稳定性控制技术的国内外发展现状 a b s 在2 0 世纪8 0 年代开始得到广泛应用，目前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术。国内 对a b s 的研究始于8 0 年代初，国内研制a b s 的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、 重庆宏安a b s 有限公司、陕西兴平5 1 4 厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从8 0 年代初 就开始研究a b s ，是较早研究a b s 的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸 收，如将德国瓦布科公司的a b s 装于e q l 4 5 型汽车上进行各种试验。重庆公路研究所相继开发出了 两代a b s 产品，第一代a b s 的e c u 采用了2 8 0 芯片。第二代a b s 产品为f k x a ci 型，该装置的 e c u 中的c p u 微处理器采用了美国i n t e l 公司的m c s 9 6 系列8 0 9 8 单片机，但距离满足实际应用 仍有一定的差距【9 1 。1 9 9 8 年，重庆聚能汽车技术有限公司在国内首家推出适合中国国情的电子式a b s 防抱装置，现已达到年产5 0 万套的生产能力，是我国国内最大的a b s 生产基地i l 引。 t c s 是9 0 年代发展起来的技术，而电子稳定程序( e s p ) 是9 0 年代初由德国奔驰公司开发的车 辆稳定系统。从1 9 9 5 年至今，伴随着理论研究的不断深入和电子技术的发展，汽车稳定性控制得到了 很大的发展，并开始作为选装件安装在一些中高档轿车上。德国b o s c h 公司一直是这方面技术的领 先者，无论是a b s a s r 还是更先进的e s p 系统，技术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂 商供应a b s a s r e s p 系统。 1 9 9 5 年，博世成为首家把e s p 投入量产的公司，早在1 9 8 3 年，博世的工程师就通过优化的a b s 2 第l 章绪论 控制系统来增强车辆在全力制动时的稳定性，接下来的几年中，博世不断改进这一系统，并在1 9 8 7 年注册了相关的专利。1 9 9 1 年博世同戴姆勒一克莱斯勒公司开始合作联合建立项目基地。1 9 9 5 年3 月 电子稳定性系统开始批量生产。同年，e s p 成功用于梅赛德斯奔驰汽车的s 级车型上。 在接下来的数年中，博世不断优化e s p 设计，1 9 9 8 年，奔驰将e s p 作为a 级车的标准配件。同 年，博世推出第5 、7 代e s p ，1 9 9 9 年，e s p 成为所有梅赛德斯奔驰汽车的标准配件，到了2 0 0 1 年 奥迪和宝马的汽车也相继加入到了标准配备e s p 的行列。2 0 0 2 年e s p 发展到第八代，重量从5 6 k g 降低到2 3 k ，具有体积小，重量轻，容量大及功能更强大的特点。 目前，全球共有6 家汽车零部件制造商生产e s p ，他们是德国博世。日本电装、德国大陆t e v e s 、 美国德尔福、日本爱信精工和美国t r w t l 4 j 。 国内汽车稳定性控制的研究还处在起步阶段，只有少数学者从事控制方法的仿真研究，而且由于 缺少试验条件，研究还不十分深入，现在吉林大学、清华大学、上海交大、西北工大等高校和中国重 汽集团、上海汇众汽车制造公司等企业也在开展相关的研究工作。 东南大学车辆工程系对e s p 系统的控制策略和其硬件实现进行了相关研究，并用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统实现了对车辆的e s p 控制。 1 3 本文的主要研究内容 本文的研究工作是基于东南大学机械工程学院车辆工程系和南京汽车集团的合作项目展开的，本 文主要研究汽车稳定性控制器的设计，运用飞思卡尔单片机作为控制单元对车辆的行驶状态进行检测， 通过一定的算法实时的干预车辆的状态。通过控制车辆制动时车轮滑移率提高车辆的纵向和侧向制动 力，通过采集车辆的横摆角速度和侧向加速度信号、方向盘转角信号等来控制车辆的转向性能，防止 过度转向和不足转向。 本文的重点主要在汽车稳定性控制器的硬件和软件的设计上。硬件部分主要研究了车辆状态监测 传感器的接口电路和e s p 执行机构的液压控制模块的驱动电路。车身状态监测传感器主要有方向盘转 角传感器、轮速传感器、横摆角速度和侧向加速度传感器。软件部分主要研究了如何在嵌入式实时操 作系统环境下编写多任务控制器程序。 本文在第二章将简要介绍汽车稳定性控制中a b s 和e s p 控制的原理，和现在一些比较流行的控制 算法；第三章将介绍汽车稳定性控制器的硬件设计，包括对飞思卡尔单片机的介绍和各个传感器和单 片机接口的硬件电路设计、液压执行机构的硬件电路设计；第四章将介绍汽车稳定性控制器的软件设 计，包括如何在飞思卡尔单片机中移植t c o s l l 操作系统，还有各个传感器信号采集的软件程序的设 计以及对液压执行机构驱动的软件设计；第五章将对控制器进行a b s 控制的d s p a c e 硬件在环仿真实 验。 3 东南大学硕士学位论文 第2 章汽车稳定性控制技术 2 1a b s 系统控制原理 2 1 1a b s 原理 如图2 1 所示，车辆在制动的时候，轮胎受到的力主要有地面对车轮产生的与车辆行进方向相反 的摩擦力e ，地面对轮胎的法向反作用力f z ，同时地面还对轮胎有侧向的侧滑摩擦力b 。地面制动 力f 6 与地面对轮胎的法向反作用力f z 之间的比值称为纵向附着系数鳓。侧滑摩擦力b 和法向反作用 力之间的比值为侧向附着系数凰。 图2 1 轮胎受力图 由于法向作用力f z 在车辆行驶的过程中保持不变，因此，车辆制动时的纵向制动力和侧向制动力 与纵向附着系数鲍和侧向附着系数腾成正比。心越大，纵向附着力越大，刹车的距离越短，凰越 大，侧向附着力越大，车辆在制动的过程中越容易控制方向，保证车辆不会产生侧滑。纵向附着系数如 和侧向附着系数凰与车轮制动时的滑移率s 有关，其关系见图2 2 。 滑移率s = v c - - r o ) 1 0 0 ，屹为车轮中心纵向速度；国为轮速；r 为车轮半径。 ( 2 1 ) y 。 4 第2 章汽车稳定性控制技术 图2 2 滑移率和附着系数关系 图2 2 为滑移率和附着系数关系图，由上图可知，当滑移率在2 0 左右时纵向附着系数达到最大 值够。，此时对应的滑移率为j 。由图可知，如果车轮完全抱死，不但纵向附着系数下降而达不到最 佳制动效能，而且侧向附着系数接近零还会丧失转向和抵抗侧滑的能力，从而造成制动时方向不稳定。 a b s 系统在制动时能自动调节制动器的制动力，使车轮滑移率保持在2 0 左右的最佳情况，以充分利 用峰值附着系数，提高汽车的制动效能【l5 1 。因此，对于控制单元来说，需要在制动时通过控制制动车 轮轮缸的液压油压力来调节车轮的滑移率，从而获得最佳的制动效果。 2 1 2a b s 控制中需要计算的变量 a b s 控制过程中，需要用到轮加速度和车身速度，由于没有专门的轮加速度传感器和车身速度传 感器，因此这两个变量不能由传感器直接采集得到。本文中采用先通过轮速传感器得到轮速，而相应 的控制变量再在微控制器中根据测得的车轮角速度利用一定的算法得到。 车轮加速度的计算：车轮加速度的计算采用直接微分法，该方法用车轮轮速的一阶差商来近似计 算轮加速度，即： av a - - ( 2 2 ) t 由于在a b s 控制中轮加速度只是一个参考变量，对计算出来的加速度的精度要求不是非常高，采 用微分法计算轮加速度，其方法比较简单，计算时只需要记住上个控制周期的轮速，再与本控制周期 中的轮速相减，除以控制周期就可以得到，不需要记住很多参数来推导，软件运行起来不会占用太多 c p u 时间，可以让c p u 节省更多时间来处理对a b s 控制更为重要的轮速。 参考车速- v r e f 的确定：参考车速采用最大轮速法来计算。在汽车整个制动的过程中，四个车轮同时 抱死的几率非常小。a b s 在四个车轮独立控制的情况下，发生这种现象的几率就更小了，因此，可以 认为最大的轮速就等于车速。最大轮速法的计算方法简单，取每一个循环时刻的四个车轮速度中最大 的一个作为该时刻的参考轮速i l6 1 。 2 1 3a b s 控制逻辑 对于a b s 控制算法，现在流行的主要有逻辑门限值控制、p i d 控制、滑模变结构控制、最优控制、 模糊控制和神经网络控制等方法。逻辑门限值控制方法比较简单，且控制效果较好，目前投入实用的 a b s 控制单元多采用逻辑门限值控制的方法。 逻辑门限值控制的方法主要是以车轮的加、减速度和滑移率s 一起作为控制的标准来调整车轮的 5 东南大学硕士学位论文 制动力从而达到控制车轮滑移率的地步。实践证明，车轮抱死往往发生在车轮的减速度达到一定值的 地步，因此，采用车轮加、减速度来控制滑移率，可以较迅速和稳定的控制车轮滑移率。 2 5 厂 增 7 h l l ， l h 、 f v 。 图2 3 加速度门限值控制 如图2 3 所示，一a 1 为减速度门限值，+ a k 为加速度门限值。在制动的第一阶段，开始刹车，制动 油缸的压力上升，车轮开始减速，当第一阶段结束时，车轮减速度西r 达到一a l 的下门限值或者滑移 率s 大于滑移率上门限值s 1 ，这时进入第二阶段的减压阶段。在减压阶段，轮缸制动压力减小，在地 面摩擦力的作用上，车轮的速度开始上升，滑移率开始下降，这时继续检查车轮减速度西尺和滑移率 s ，当面尺大于- a l 或者滑移率s 小于滑移率上门限值s 1 时，为了让滑移率较长时间的处于稳定区， 进入第三阶段的保压阶段。在保压阶段，制动轮缸压力保持，车轮的速度缓慢上升，滑移率缓慢下降， 当车轮加速度大于加速度上门限值+ a k 或者滑移率s 小于滑移率下门限值s 2 时，开始进入第四阶段 的增压阶段。在增压阶段，制动轮缸的压力上升，车轮减速，滑移率上升，当车轮加速度小于加速度 上门限值+ a k 时，开始第五阶段的阶梯增压。在阶梯增压过程中，压力缓慢上升，滑移率能在更长的 时间内处于稳定区直到轮减速度面r 重新小于车轮减速度下门限值- a l 或者车轮滑移率大于滑移率上 门限值s l ，这时重新进入第二阶段的减压阶段，如此往复，直到车轮速度小于1 0 k r n h ，这时退出a b s 控制程序，进入正常制动过程l i7 | 。 基于逻辑门限值的a b s 控制的制动流程图如下图所示： 6 第2 章汽车稳定性控制技术 图2 - 4 a b s 控制流程图 以上是比较流行的基于逻辑门限值的a b s 控制方法，这种方法根据车速的变化情况，从a b s 开 始制动时刻控制器按顺序进入每个控制阶段，并循环往复直到车速低于控制门限值退出a b s 控制。作 为门限值的轮加速度西r 和滑移率s 两者之间是或的关系，这样在一个控制周期中控制器对电磁阀的 开关进行控制的次数太多，控制过程相对较复杂。笔者在实验室中从控制车轮轮速变化的角度来提出 一个新的基于门限值的a b s 控制方法，并且将轮加速度c h r 和滑移率s 用与的关系作为门限值来控制 滑移率的变化，减少在一个控制周期中控制器对电磁阀进行开关的次数，简化控制过程，控制原理如 下。 7 东南大学硕士学位论文 图2 5 速度和滑移率关系图 图2 5 是在a b s 制动过程中车速、轮速和滑移率的关系图。从图上可以看出，在a b s 制动过程 中，车速处于一个缓慢下降的过程，而控制的重点主要在控制轮速上。通过两张图的对比可以看出， 轮速的变化和滑移率的变化有一定的对应关系，基本上轮速曲线的变化趋势和滑移率的变化趋势相反。 因此，如果想控制好滑移率，只要能控制好轮速的变化就可以。 控制滑移率最直接的办法就是用滑移率作为门限值来进行控制，在程序中设置滑移率的上门限值 和下门限值，当控制器根据轮速和车速计算出来的滑移率超过上门限值时，说明制动压力过大，需要 对制动轮缸进行减压；当控制器计算出来的滑移率低于下门限值时，说明制动压力不够，需要对制动 轮缸增压；当控制器计算出来的滑移率基于上门限值和下门限值之间时，控制器对制动轮缸保压。此 时的控制效果如图2 6 所示。 图2 - 6 基于滑移率门限值的a b s 控制效果图 在图2 - 6 中，滑移率的上门限值为0 2 5 ，下门限值为0 1 5 。可以看到，基于滑移率作为门限值的 a b s 控制并没有能够将滑移率控制在一个小的范围之内波动，只在控制的初期滑移率变化较小，在l s 以后，滑移率变化幅度增大。分析其原因，是由于在控制初期，轮缸内压力还没有完全建立起来，这 时候增压和减压的速度比较慢，因此基于滑移率控制的方法还能够对轮缸压力进行及时的干预，当1 s 8 荔扣佰竹o o ，盯们蛇叭。 第2 章汽车稳定性控制技术 以后，轮缸压力已经完全建立起来，这个时候增压和减压的速度都比较快，用滑移率作为门限值来对 轮缸压力进行控制，已经不能够很好的控制住滑移率了。因为当控制器检测到滑移率高于上门限值或 者低于下门限值，再进行控制，制动轮缸压力建立，整个过程要经过一段时间，在这段时间里面，车 轮的滑移率相当于没有得到控制，继续向更大或者更小的方向发展，等到控制器的控制产生效果时， 滑移率已经高于o 5 或者低于0 1 了，因此有必要引入加减速度门限值进行更精确的控制。 加速度门限值和滑移率门限值所不同的地方是，加速度对轮速有一个预测的效果，滑移率之所以 没有能够很好的被控制住，就是因为由于轮速变化太快，导致滑移率变化太快，因此，在单片机的一 个控制周期内，滑移率变动过多从而导致滑移率波动范围大。如果单片机同时能够对车轮的轮加减速 度进行控制，这样将轮加减速度控制在一个小的范闱之内波动，降低滑移率变化的速度，从而在单片 机的一个控制周期内将滑移率控制在一个小的范围内波动。 因此，本文从控制轮速变化速度的角度来尝试对a b s 进行一个新的控制方法。 控鲁蠡iso 1 5 控制区域so 1 5 o 2 5 _ 非控制区 = s l i p p a g et h r e s h o l d _ h i g h ) 滑移率大于滑移率上门限值 i f ( a c c e l e r a t i o n a c c e l e r a t i o nt h r e s h o l d _ h i g h ) ( 2 1 速度大于加速度上门限值 p r e s s u r e i n c r e a s e ( w h e e l ) ： ) e l s ei f ( a c c e l e r a t i o n 由于自由运行计时器计时到2 0 0 0 0 时会自动翻转到0 ，因此在这个特殊时刻采集到的p o 值将是负 数，需要对这个特殊时刻采集到的p o 值进行处理。 f o r ( c h a ri = 0 ；i 1 0 ；i + + ) i f ( p u l s e 0 i 0 ) p u l s e 0 i + = 2 0 0 0 0 ； 对速度数组利用冒泡算法进行排序，以方便进行异点剔除和平滑处理： v o i ds e q u e n c e ( i n td a m ，u n s i g n e dc h a rl e n g t h ) i n tt e m p ； f o r ( u n s i g n e dc h a ri - 0 ；i ) ) ) 异点剔除和平均： p u l s e o j i c l ( s = ( ( p u l s e o 【4 】+ p u l s e o 【5 】) 2 ) ；剔除最大的点和最小的点并平均； 2 8 * 4 章汽车稳定性控制的轼h 设” 经过上述采样、排序、剔除异点年n 平均后得到的p u l s e ot i c l = s 为单个轮述脉冲周期中自由运行计数 器的脉冲数。根据式4 击得到轮速为： 7 3 0 6 0 p u l s e of w b 4 13 方向盘转角信号采集 48 ) 方向盘转角传感器输出的为7 位格雷码的数字信号，利用单片机的7 个普通i o 口采集这7 忙数 字信号并解码就得到方向盘转角度数。 在本次实验中用到其巾的6 怔信号，这6 位构成4 8 种不同的数字，这4 8 个值组成卟扇医，疗 向盘转一罔这4 8 个数字重复5 次，即共有五个扇区，如图4 7 所示。因此，转一罔共订4 8 5 = 2 4 0 个信号变化则每个娈化方向盘转角度数为：3 6 0 。2 4 0 = lf ，即方向盘转角的最小分辨率为1 5 度 o 图4 1 方向盘转角信号图 4 8 个数字中前8 个是基本组合，为：1 1 0 0 1 0 】0 0 0 1 0 ，1 0 0 0 0 0 ，1 1 0 0 0 0 ，1 】0 1 0 0 ，1 1 1 1 0 0 ，1 1 1 10 l ， 0 】1 1 0 1 。把这8 个二进制数字循环右移一位成为新的8 个基本组合，共循环右移6 次，产生6 8 - 4 8 个数字组合。凶此需要对采集到的方向盘转角信号进行解碍，以确定采集到的是4 8 个数字中的 哪个，解码程序如f 所示： u n s i g n e d i n td e c o d e _ r ( u n s i g n e d i n tc o d o n ) r e l a t i v ea n g l ed e c o d i n g u n s i g n e di n tc o d e o u t ； i m j = 0 c o d ei n - c o d ei n o x 0 0 3 f ； f o r ( i = o ；i f l a g _ 1 2 ：3 5 ； r e t u r no x f f f f ； 该函数返回的值c o d eo u t x1 5 。就等于当前方向盘所处的角度，由于这4 8 个值( 扇i x ) 在方向盘 旋转一圈的过程中重复了5 次，因此在程序中还要设置一个全局变量p e r i o d _ c o u n t 来记录越过扇区的 次数，方向盘顺时针旋转时每越过一个扇区p e r i o d _ c o u n t 加一，逆时针旋转每越过一个扇区该值减一。 最终当前方向盘所处的角度值应为：f r o n t w h e e l _ a n g l e = ( c o d e o u t + p e r i o d _ c o u n t x 4 8 ) x1 5 。 在实验车辆上先顺时针打9 0 度左右的方向盘，再逆时针将方向盘打多1 - 9 0 度左右，再迅速将方向 盘打到0 度，在控制器中将采集到的方向盘角度通过串行口送到上位机，并绘制出图形如图4 8 所示。 、 蜊 趟 暑 、- ， 姣 鬈 捌 宦 恹 时间( 单位：s ) 图4 8 方向盘转角信号采集图 控制器采集到的方向盘转角信号基本是一个正弦信号，且曲线光滑无毛刺，因此，方向盘转角信号 采集电路能够正确的计算出方向盘转角信号。 4 1 4 车身横摆角速度和侧向加速度信号采集 车身横摆角速度和侧向加速度信号是0 5 4 5 v 的模拟信号，利用单片机的a t d 采集功能转换为 数字信号处理。 m c 9 s 1 2 d g l 2 8 b 单片机内置了两个1 0 位8 位的a d 模块，每个a d 模块有8 路a t d 转换通道。 为了方便数据处理，本文采用8 位的a d 采集，使用模块一。 3 0 第4 章汽车稳定性控制器的软件设计 8 位a d 的最小分辨率为：5 y 去= o 0 1 9 5 v = 1 9 5 m v ( 4 7 ) 2 ” 相关寄存器的设置如下： a t d o c t l 2 = 0 x c 0 ；a d 模块上电，快速清零，无等待模式，禁止外部触发，中断禁止 a t d o c t l 3 = 0 x 2 0 ；每个序列2 次转换，n of i f o ，f r e e z e 模式下继续转换 a t d o c t l 4 - - 0 x a 3 ；n8 位精度，4 个时钟，a t d c l o c k = - b u s c l o c k 幸0 5 p r s + i 】；p r s = 3 ，d i v i d e r = 8 a t d o c t l 5 = 0 x b 0 ；，右对齐无符号，双通道采样，通道o 、1 a t d o d i e n = 0 x 0 0 ；禁止数字输入 侧向加速度传感器的灵敏度为l g v ，当侧向加速度为零时a t d 采集到的数值为1 2 8 ，以前进方向 的左侧为正，当侧向加速度为1 9 时采集到的数值为1 7 9 ，当侧向加速度为1 9 时采集到的数值为7 7 ， 因此可以推出侧向加速度和a t d 采集到的数值之间的关系为： = 坠焉堕砒2 ( 4 8 ) 侧向加速度a t d 部分程序为： i f f a t d o s t a t l 等待 转换结束_ c c f i = i ) h a t d l a t e r a i _ a d = a t d o d r1l ； l a t e r a l = ( l a t e r a l 1 2 8 ) 宰9 8 0 0 6 3 7 ；侧向加速度放大倍：ad 1 0 0 ) 横摆角速度传感器静止时，a t d 口采集的电压为2 5 v ，传