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汽车侧向稳定性控制器的设计【汽车车辆类优秀机械毕业设计@word+CAD全套图纸】

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汽车侧向稳定性控制器的设计.rar

车辆07-2-0448-刘平艺-S汽车侧向稳定性控制器的设计

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10刘平艺优秀毕业设计.doc---(点击预览)

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08.刘平艺毕业设计答辩评分表.doc---(点击预览)

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04.刘平艺指导记录.doc---(点击预览)

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关键词：: 侧向。稳定性。控制器汽车车辆机械毕业设计

资源描述：

毕业设计（论文）任务书
学生姓名		系部	汽车与交通工程学院					专业、班级
指导教师姓名		职称		教授		从事专业	车辆工程		是否外聘	□是■否
题目名称	汽车侧向稳定性控制器的设计
一、设计目的、意义目的：在追求安全与动力性越来越高的当今社会，汽车智能制动器扮演了越来越重要的角色，当车辆有侧滑的危险，或者转向不足时，ESP 就会分别对每个车轮施加不同的制动力，就如车辆拥有四个制动踏板。ESP不仅仅只是制动车轮，还能够主动干预发动机。驾驶者只要做出正确的转向操作即可。意义: 汽车侧向稳定系统或动态偏航稳定控制系统(Elect ronic St abilit y Program，ESP)是防抱死制动系统ABS、驱动防滑控制系统ASR、电子制动力分配系统EBD、牵引力控制系统TCS 和主动车身横摆控制系统，ESP极大的为汽车行驶安全护航保驾，能有效减少汽车在雨、雪、泥、沙、冰等易滑路段的安全行驶
二、设计内容、技术要求（研究方法）设计的主要内容：参照同类硬件与软件系统，分析原理与优缺点，查阅资料，完成设计方向的认识和确定，参考同类控制器，完成主要技术参数的设定。设计的主要技术要求：利用现有的器材(轮速传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、汽车横摆角速度传感器)，自备单片机控制系统。利用单片机控制ABS泵电磁阀的开启和关闭，来实现汽车在各种路况的稳态行驶。
三、设计完成后应提交的成果 1、完成设计说明书2万字以上； 2、完成单片机编程，程序完成ESP基本功能； 3、制作基本电路，完成硬件之间的正确链接； 4、调试软件与硬件，做出初步实验数据； 5、分析实验数据，证明设计是合理。
四、设计进度安排（1）熟悉任务书，了解相关信息，准备资料，填写开题报告第1~2周（2）确定控制算法策略第3~4周（3）硬件进行设计及电路的设计与制作第5~7周（4）用单片机和C语言进行软件编程第8~11周（5）进行实验分析第12~13周（6）毕业论文总结、评阅、审核及修改不足第14~16周（7）为毕业论文答辩做准备及答辩第17周
五、主要参考资料 1、《基于直接衡摆力矩控制的汽车稳定性控制策略》宗长福郑宇田承伟潘钊董益亮吉林大学学报（工业版）2008年9月第38卷第5期 2、《基于嵌入式系统的汽车稳定性控制器的开发和研究》韩安东南大学硕士论文指导教师陈楠 3、《车辆动力学稳定性系统综合反馈控制仿真》欧健房占鹏重庆理工大学《拖拉机与农用运输车》第37卷第3期 2010年6月 4、《车辆横摆稳定控制系统建模及控制方法研究》李强硕士论文哈尔滨工业大学 2009年6月 5、《波许ESP四通的理论分析》陈胜金李法宗黄妙华武汉理工大学汽车工程学院汽车技术 2004年第二期 6、《基于直接横摆力矩控制的汽车ESP控制系统研究》唐耀鹏长安大学说是学位论文 2009年5月 7、《单片机原理及接口技术》徐煜明韩雁主编电子工业出版社 8、《单片机原理与应用及C51程序设计》谢维成杨加国主编清华大学出版社
六、备注自学单片机编程与应用软件。
指导教师签字：年月日					教研室主任签字：年月日

摘要

　　　基于汽车主动制动侧向稳定系控制系统，使用的是汽车实际横摆角速度与驾驶员期望值的差值来判定汽车的稳态，同时引入了车辆质心侧偏角与经验值进行比较得到了另个一关于汽车转弯稳定的安全系数，希望由此改善和提高汽车在转弯过程中的操纵稳定性。

　　　侧向稳定性控制系统判定车身状态不稳定时，可能是转向不足或者是转向过多。当转向不足时系统将制动内侧后轮，转向严重不足时，同时制动多个车轮；当出现转向过多时，系统将制动外侧车轮，从而稳定车辆，保证驾驶员和乘客的安全。

　　　为了提高汽车侧向稳定性控制这个目标，在控制过程中使用了汽车轮速传感器、方向盘转角传感器、横摆角和G传感仪等信号源，控制部分包括制动增压电机、两个吸入电磁阀、两个隔离电磁阀、四个车轮的增压和减压电磁阀。通过相关算法，初步确定汽车稳定和各个信号之间的关系，并实现侧向稳定性的初步控制。

关键词：侧向稳定性；横摆角；转向不足；转向过多；制动；电磁阀

ABSTRACT

　　　Active braking lateral stability based on cars, use of control system is car actual yaw-rate expectations and drivers to determine the difference in value of car, and introduced the steady-state traffic PianJiao and experience value centroid side got another comparison about turning a stable security coefficient car, hope this improvement and improve automobile in turning process manipulation stability.

　　　Lateral stability control system determine body state unstable, may be understeering or move on to too much. When understeer medial rear brake system when will seriously insufficient, steering wheel, and braking when more than; When there is too much, the system will be steering wheels, and brake lateral stability vehicles, ensure the safety of drivers and passengers.

　　　In order to improve the car lateral stability control this goal, in process control the automobile wheel speed sensors will be uesd, steering wheel Angle sensor, yaw angles and G sensing devices such as signal source, the control part includes braking pressurization motor, two inhaled solenoid valve, two separate solenoid valve, four wheels of intensification and decompression solenoid valves. Through the related algorithm, preliminarily determined each signal car stability and the relationship between the lateral stability, and realize the preliminary control.

Key words: Lateral stability; Yaw angles; Understeer; Steering overmuch; Braking; Electromagnetic valve

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1侧向稳定性控制器的研究意义1

1.2 侧向稳定性控制器的优点1

1.3 国内、外的现状2

1.4 研究内容2

第2章侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法4

2.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成4

2.1.1汽车侧向稳定性控制系统的工作原理4

2.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理6

2.1.3质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系6

2.1.4横摆角与汽车稳定性控制的联系7

2.2横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略8

2.2.1阀门值和Y+、Y-的确定9

2.3 控制算法设定占空比11

2.4 本章小结11

第3章硬件系统的选择与设计12

3.1 控制器硬件系统概要12

3.2传感器的选择与电路设计13

3.2.1轮速传感器的选择与电路设计13

3.2.2 方向盘转角传感器的选择14

3.2.3横摆角和G传感器总成的选择15

3.3液压电磁阀回路系统15

3.3.1液压控制单元结构15

3.3.2液压电磁阀控制回路16

3.3.3驱动电路的设计17

3.3.4驱动电路图18

3.4飞思卡尔MC9S12XS128单片机18

3.4.1飞思卡尔S12芯片A/D转化模块特点：19

3.4.2 PWM的主要特点19

3.5 本章小结20

第4章软件设计21

4.1 软件设计总体思路21

4.2方向盘转角（前轮转角）信号的采集22

4.3横摆角信号与侧向加速度信号的采集22

4.4 轮速信号采集23

4.5 PWM寄存器设置24

4.6判断稳定系控制程序的编写25

4.7 本章小结28

第5章实验与分析29

5.1程序的下载29

5.2测试A/D、PWM和I/O32

5.3 侧向稳定性控制的实验32

5.4 实验分析和结论34

5.5 本章小结35

结论36

参考文献37

致谢38

附录39

附录A 外文文献39

附录B 外文文献中文翻译45

附录C 程序50

第1章绪论

1.1侧向稳定性控制器的研究意义

　　　在汽车数量急剧增长的今天，汽车安全性能越来中重要了，随着汽车使用率的增加，汽车交通事故率也随之直线上升。在很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控。例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。

　　　侧向稳定性控制器通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(简单理解为车身倾侧的程度)，当车辆出现失控趋势时，对特定的车轮给予额外的制运力，甚至通过调整车辆的牵引力，务求以最大的程度保持住车轮的附着力。在侧向稳定性控制器的默默工作下，车辆遇到险情时往往能够化险为夷。对于普通驾驶者而言，侧向稳定性控制器显得格外重要。

　　　当汽车进行蛇形线路测试的时候就可以有效避免汽车的翻转。侧向稳定性控制系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要侧向稳定性控制系统来拯救生命，减少、减轻意外交通事故的发生。

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内容简介：: SY-025-BY-1毕业设计题目审定表指导教师姓名张金柱职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称汽车侧向稳定性控制器的设计课题适用专业车辆工程课题类型设计课题简介：本课题主要研究汽车侧向稳定性的控制，主要基于现有的ESP的控制内容进行设计和制作，现有的主要设备是北京现代的ESP泵，其他设备需要足部完善。就目前国际形势来看，主要由博世等世界著名汽车电器制造公司设计和生产制造汽车侧向稳定性控制器，目前国内做此类设计的公司暂时空缺，全国有部分大学从事了侧向稳定性控制器的研究，为此，我们学校额不例外，特出此题。本设计的主要类容有控制器的设计和控制器的原件的选择，主要是基于横摆角速度展开相关侧向稳定性控制。本设计主要包括执行器的控制，信号的采集，信号的处理，和相关的控制理论和控制算法等。指导教师签字：年月日教研室意见1选题与专业培养目标的符合度好较好一般较差2对学生能力培养及全面训练的程度好较好一般较差3选题与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度好较好一般较差4论文选题的理论意义或实际价值好较好一般较差5课题预计工作量较大适中较小6课题预计难易程度较难一般较易教研室主任签字：年月日系（部）教学指导委员会意见：负责人签字：年月日注：课题类型填写 W.科研项目；X.生产（社会）实际；Y.实验室建设；Z.其它。SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名刘平艺系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-2指导教师姓名张金柱职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称汽车侧向稳定性控制器的设计一、设计目的、意义目的：在追求安全与动力性越来越高的当今社会，汽车智能制动器扮演了越来越重要的角色，当车辆有侧滑的危险，或者转向不足时，ESP 就会分别对每个车轮施加不同的制动力，就如车辆拥有四个制动踏板。ESP不仅仅只是制动车轮，还能够主动干预发动机。驾驶者只要做出正确的转向操作即可。意义: 汽车侧向稳定系统或动态偏航稳定控制系统(Elect ronic St abilit y Program，ESP)是防抱死制动系统ABS、驱动防滑控制系统ASR、电子制动力分配系统EBD、牵引力控制系统TCS 和主动车身横摆控制系统，ESP极大的为汽车行驶安全护航保驾，能有效减少汽车在雨、雪、泥、沙、冰等易滑路段的安全行驶二、设计内容、技术要求（研究方法）设计的主要内容：参照同类硬件与软件系统，分析原理与优缺点，查阅资料，完成设计方向的认识和确定，参考同类控制器，完成主要技术参数的设定。设计的主要技术要求：利用现有的器材(轮速传感器、车速传感器、方向盘转角传感器、汽车横摆角速度传感器)，自备单片机控制系统。利用单片机控制ABS泵电磁阀的开启和关闭，来实现汽车在各种路况的稳态行驶。三、设计完成后应提交的成果1、完成设计说明书2万字以上；2、完成单片机编程，程序完成ESP基本功能；3、制作基本电路，完成硬件之间的正确链接；4、调试软件与硬件，做出初步实验数据；5、分析实验数据，证明设计是合理。四、设计进度安排（1）熟悉任务书，了解相关信息，准备资料，填写开题报告第12周（2）确定控制算法策略第34周（3）硬件进行设计及电路的设计与制作第57周（4）用单片机和C语言进行软件编程第811周（5）进行实验分析第1213周（6）毕业论文总结、评阅、审核及修改不足第1416周（7）为毕业论文答辩做准备及答辩第17周五、主要参考资料1、基于直接衡摆力矩控制的汽车稳定性控制策略宗长福郑宇田承伟潘钊董益亮吉林大学学报（工业版）2008年9月第38卷第5期2、基于嵌入式系统的汽车稳定性控制器的开发和研究韩安东南大学硕士论文指导教师陈楠3、车辆动力学稳定性系统综合反馈控制仿真欧健房占鹏重庆理工大学拖拉机与农用运输车第37卷第3期 2010年6月4、车辆横摆稳定控制系统建模及控制方法研究李强硕士论文哈尔滨工业大学 2009年6月5、波许ESP四通的理论分析陈胜金李法宗黄妙华武汉理工大学汽车工程学院汽车技术 2004年第二期6、基于直接横摆力矩控制的汽车ESP控制系统研究唐耀鹏长安大学说是学位论文 2009年5月7、单片机原理及接口技术徐煜明韩雁主编电子工业出版社8、单片机原理与应用及C51程序设计谢维成杨加国主编清华大学出版社六、备注自学单片机编程与应用软件。指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日SY-025-BY-3毕业设计开题报告学生姓名刘平艺系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程07-2班指导教师姓名张金柱职称教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称汽车侧向稳定性控制器的设计一、课题研究现状、选题目的和意义（一）研究现状汽车侧向稳定性控制器的研究是从ABS(Anti-locked Braking System)开始的。ABS在20世纪80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ABS的研究始于80年代初，国内研制ABS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ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从80年代初就开始研究ABS，是较早研究ABS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ABS装于EQl45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ABS产品，第一代ABS的ECU（Electronic Control Unit）采用了280芯片。第二代ABS产品为FKXAC I型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL公司的MCS96系列8098单片机，但距离满足实际应用仍有一定的差距。1998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ABS防抱装置，现已达到年产50万套的生产能力，是我国国内最大的ABS生产基地。电子稳定程序ESP(Electronic Stability Program)是90年代初由德国奔驰公司开发的车辆稳定系统。从1995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BOSCH公司一直是这方面技术的领先者，无论是ABSASR(Acceleration Slip Regulation -驱动防滑系统)还是更先进的ESP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ABSASRESP系统。1995年，博世成为首家把ESP投入量产的公司，早在1983年，博世的工程师就通过优化的ABS控制系统来增强车辆在全力制动时的稳定性，博世在1987年注册了相关的专利，1991年博世同戴姆勒-克莱斯勒公司开始联合开发该项目基地。1995年3月电子稳定控制系统开始批量生产。同年，ESP成功用于梅赛德斯-奔驰汽车的S级车型上。在接下来的数年里，博世不断优化ESP的设计使得ESP开始广泛占领了轿车市场。目前，全球有6家汽车零部件制造商生产ESP，他们是德国的博世，日本电装，日本爱信精工，德国大陆Teves,美国德尔福，美国TRW。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、上海大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ESP系统的控制策略和其硬件实现进行了相关研究，并用TMS320F2812系统实现了对车辆的ESP控制。（二）选题的目的、意义由于中国在汽车电子方面起步较晚，大多汽车电子控制系统都是借鉴或者直接引用外国的产品和技术，因此我们的设计基本都处在模仿的阶段。本次课题就是基于单片机、横摆角速度传感仪，车轮角速度传感仪、车速传感器等，实现ESP的部分功能。通过查看汽车事故原因的统计和分析结果不难发现，很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控，例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。如果汽车装有汽车侧向稳定性控制器（ESP）,将会大大减少汽车事故发生率，极大的提高汽车在各种路况下的安全行驶性能。ESP(电子稳定系统)通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(简单理解为车身倾侧的程度)，当车辆出现失控趋势时，对特定的车轮给予额外的制运力，甚至通过调整车辆的牵引力，务求以最大的程度保持住车轮的附着力。在ESP的默默工作下，车辆遇到险情时往往能够化险为夷。对于普通驾驶者而言，ESP自然显得格外重要。当汽车进行蛇形线路测试的时候就可以有效避免汽车的翻转。ESP 系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要一个可靠的汽车侧向稳定性控制器（ESP）来为驾驶员和乘客的安全保驾护航了。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题（一）研究的基本内容1、研究汽车侧向稳定性控制器的硬件结构和软件驱动原理，了解各个传感器（横摆角速度传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、方向盘转角传感器）、执行器（ABS泵电磁阀）的功能、驱动方法（电压、电流、频率范围）等。2、设计合适的系统扩展电路，计算各个传感器和单片机的接口电路并且制作电路。 3、针对汽车侧向稳定性控制器的设计要求，设计以单片机为核心的制动控制系统，编写控制程序。4、开发完成软件和硬件控制器,进行技术指标的针对性的试验。（二）拟解决的主要问题1、对传感器与单片机接口电路的制作。2、软件编程。三、技术路线（研究方法）1、确定本次设计ESP的技术指标2、完成功能指标的硬件与软件分工硬件软件3、传感器接口电路的设计6、软件结构设计4、传感器接口电路的制作7、程序编制5、硬件电路的测试8、软件测试9、ESP系统测试与实验、本次设计的主要技术指标：适用于轻型车；利用横摆角速度、车速传感器、车轮角速度传感器等，利用差动制动实现汽车横摆力矩稳定性控制。、硬件功能分析：车轮角速度传感器个，通过左右车轮角速度分析，得出左右车轮是否打滑，是否处于不同条件路面。横摆角和传感器总成（北京现代），判断汽车的侧向稳定性程度的一个指标。电子尺，判别汽车转向，控制后单轮帮助矫正转向不足或者过多转向。车速传感器（霍尔原理），与车轮转角传感器做比较分析，判别车轮的滑移率。泵电磁阀，由电路控制开启和关闭，是制动压力增大或减小或者保持制动压力。软件功能，利用汇编语言完成传感器与执行器的联系，完成功能。、各个传感器与单片机之间的连接电路的设计，做好限电压限电流的准备，保护单片机与传感器的功能与性能。、把设计好驱动放大电路做成电路硬件。、用万用表测量电路的各个接口端，看电路是否设计正确合理。、设计软件设计的流程图。四、进度安排（1）熟悉任务书，准备资料，填写开题报告第12周（2月28日3月13日）（2）确定控制算法策略第34周（3月14日3月27日）（3）对硬件进行设计及电路的设计与制作第56周（3月28日4月10日）（4）用单片机和C语言进行软件编程第712周（4月11日5月22日）（5）进行实验. 第13周（5月23日5月29日）（6）指导老师评阅、审核及修改不足第1416周（5月30日6月19日）（7）毕业设计答辩第17周（6月20日6月26日）五、参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术M.北京航空航天大学出版社，2005，(10). 2谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计M.清华大学出版社,2006,(8). 3李涵武,赵雨旸.汽车电器与电子技术M.哈尔滨工业大学出版社,2003,(9). 4王望予.汽车设计M.机械工业出版社.2004,(8). 5韩安.基于嵌入式系统的汽车稳定性控制器的开发和研究D.东南大学,2009,(4). 6宗长福,郑宇,田承伟,潘钊,董益亮.基于直接横摆力矩控制器的汽车稳定系控制策略J吉林大学学报，2008,(9). 7欧健,房占鹏. 车辆动力学稳定性系统综合反馈控制仿真J.拖拉机与农用运输车,2010,(6). 8陈胜金,李法宗,黄妙华. 波许ESP四通的理论分析J.汽车技术,2004,(2). 9 李君车辆ABS控制系统快速开发研究D.上海:上海交通大学,2002. 10杨妙梁.电子稳定程序（ESP）J.汽车与配件,万方数据，2005，（1-11）. 11赵林峰,陈无畏,秦炜华,杨军.地府找路面条件的ESP控制策略J.机械工程学报，合肥:合肥工业大学机械与汽车工程学院,2011:109-114. 12谭刚平,赵龙庆.汽车ABS逻辑门限值控制策略研究J,西南林学院学报,2006,(4):8385. 13Coad P,D North,M Mayfield Object ModelsStrategies,Patterns,and ApplicationsM, Englewood Cliffs,Prentice Hall,NJ,1995. 14Jean J.Labrosse著,邵贝贝译.嵌入式实时操作系统uc/os2M.北京:北京航空航天大学出版社,2005,1-8.15涂志祥.基于模糊控制的汽车动力学稳定性控制(VDC)研究D. 湖南:长沙理工大学汽车与机械工程学院, 2004: 49-50.16王家辉.汽车ESP系统半动态测试台架开发D.上海:上海交通大学，2004,3.17郭宽有.汽车操纵稳定性的影响因素及评价方法研究J.重庆工学院学报(自然科学版)，2007,10:28-32.六、备注指导教师意见：签字: 年月日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目: 汽车侧向稳定性控制器的设计院系名称: 汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程B07-2 学生姓名: 刘平艺导师姓名: 张金柱开题时间: 2011年02月28号指导委员会审查意见：签字：年月日SY-025-BY-4毕业设计（论文）指导记录日期地点办公室指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）学生（记录人）签名：指导教师签名：日期地点办公室指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）学生（记录人）签名：指导教师签名：日期地点办公室指导方式面授指导记录（指导内容、存在问题及解决思路）学生（记录人）签名：指导教师签名：SY-025-BY-5毕业设计（论文）中期检查表填表日期年月日迄今已进行周剩余周学生姓名刘平艺系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆B07-2指导教师姓名张金柱职称教授从事专业是否外聘是否题目名称学生填写毕业设计（论文）工作进度已完成主要内容待完成主要内容存在问题及努力方向学生签字：指导教师意见指导教师签字：年月日教研室意见教研室主任签字：年月日SY-025-BY-6毕业设计指导教师评分表学生姓名刘平艺系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆B07-2指导教师姓名张金柱职称教授从事专业是否外聘是否题目名称序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力205计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）106插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）58科学素养、学习态度、纪律表现；毕业论文进度10得分 X= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）指导教师签字：年月日SY-025-BY-7毕业设计评阅人评分表学生姓名刘平艺专业班级车辆工程指导教师姓名张金柱职称教授题目汽车侧向稳定性控制器的设计序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力255计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）156插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）5得分 Y= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）评阅人签字：年月日SY-025-BY-8毕业设计答辩评分表学生姓名刘平艺专业班级车辆B07-2指导教师张金柱职称教授题目汽车侧向稳定性控制器的设计答辩时间月日时答辩组成员姓名出席人数序号评审指标满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况，题目难易度、工作量、与实际的结合程度102设计（实验）能力、对实验结果的分析能力、计算能力、综合运用知识能力103应用文献资料、计算机、外文的能力104设计说明书撰写水平、图纸质量，设计的规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）、实用性、科学性和创新性155毕业设计答辩准备情况56毕业设计自述情况207毕业设计答辩回答问题情况30总分 Z= 答辩过程记录、评语：答辩组长签字：年月日SY-025-BY-9毕业设计（论文）成绩评定表学生姓名刘平艺性别男系部汽车与交通工程学院专业车辆工程班级B07-2设计（论文）题目汽车侧向稳定性控制器的设计指导教师姓名职称指导教师评分（X）评阅教师姓名职称评阅教师评分（Y）答辩组组长职称答辩组评分（Z）毕业设计（论文）成绩百分制五级分制答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：系部公章：年月日注：1、指导教师、评阅教师、答辩组评分按百分制填写，毕业设计（论文）成绩百分制=0.3X+0.2Y+0.5Z 2、评语中应当包括学生毕业设计（论文）选题质量、能力水平、设计（论文）水平、设计（论文）撰写质量、学生在毕业设计（论文）实施或写作过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价。SY-025-BY-10优秀毕业设计推荐表题目汽车侧向稳定性控制器的设计类别毕业设计学生姓名刘平艺系、专业、班级汽车与交通工程学院车辆工程07-2班指导教师张金柱职称教授设计成果明细：答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：系部公章：年月日备注：注：“类别”栏填写毕业论文或毕业设计本科学生毕业设计汽车侧向稳定性控制器的设计院系名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程07-2班学生姓名：刘平艺指导教师：张金柱职称：教授黑龙江工程学院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeLateral Stability Controller Design for A CarCandidate：Liu PingyiSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B07-2Supervisor：Prof. Zhang JinzhuHeilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要基于汽车主动制动侧向稳定系控制系统，使用的是汽车实际横摆角速度与驾驶员期望值的差值来判定汽车的稳态，同时引入了车辆质心侧偏角与经验值进行比较得到了另个一关于汽车转弯稳定的安全系数，希望由此改善和提高汽车在转弯过程中的操纵稳定性。侧向稳定性控制系统判定车身状态不稳定时，可能是转向不足或者是转向过多。当转向不足时系统将制动内侧后轮，转向严重不足时，同时制动多个车轮；当出现转向过多时，系统将制动外侧车轮，从而稳定车辆，保证驾驶员和乘客的安全。为了提高汽车侧向稳定性控制这个目标，在控制过程中使用了汽车轮速传感器、方向盘转角传感器、横摆角和G传感仪等信号源，控制部分包括制动增压电机、两个吸入电磁阀、两个隔离电磁阀、四个车轮的增压和减压电磁阀。通过相关算法，初步确定汽车稳定和各个信号之间的关系，并实现侧向稳定性的初步控制。关键词：侧向稳定性；横摆角；转向不足；转向过多；制动；电磁阀ABSTRACTActive braking lateral stability based on cars, use of control system is car actual yaw-rate expectations and drivers to determine the difference in value of car, and introduced the steady-state traffic PianJiao and experience value centroid side got another comparison about turning a stable security coefficient car, hope this improvement and improve automobile in turning process manipulation stability.Lateral stability control system determine body state unstable, may be understeering or move on to too much. When understeer medial rear brake system when will seriously insufficient, steering wheel, and braking when more than; When there is too much, the system will be steering wheels, and brake lateral stability vehicles, ensure the safety of drivers and passengers.In order to improve the car lateral stability control this goal, in process control the automobile wheel speed sensors will be uesd, steering wheel Angle sensor, yaw angles and G sensing devices such as signal source, the control part includes braking pressurization motor, two inhaled solenoid valve, two separate solenoid valve, four wheels of intensification and decompression solenoid valves. Through the related algorithm, preliminarily determined each signal car stability and the relationship between the lateral stability, and realize the preliminary control.Key words: Lateral stability; Yaw angles; Understeer; Steering overmuch; Braking; Electromagnetic valveII目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1侧向稳定性控制器的研究意义11.2 侧向稳定性控制器的优点11.3 国内、外的现状21.4 研究内容2第2章侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法42.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成42.1.1汽车侧向稳定性控制系统的工作原理42.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理62.1.3质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系62.1.4横摆角与汽车稳定性控制的联系72.2横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略82.2.1阀门值和Y+、Y-的确定92.3 控制算法设定占空比112.4 本章小结11第3章硬件系统的选择与设计123.1 控制器硬件系统概要123.2传感器的选择与电路设计133.2.1轮速传感器的选择与电路设计133.2.2 方向盘转角传感器的选择143.2.3横摆角和G传感器总成的选择153.3液压电磁阀回路系统153.3.1液压控制单元结构153.3.2液压电磁阀控制回路163.3.3驱动电路的设计173.3.4驱动电路图183.4飞思卡尔MC9S12XS128单片机183.4.1飞思卡尔S12芯片A/D转化模块特点：193.4.2 PWM的主要特点193.5 本章小结20第4章软件设计214.1 软件设计总体思路214.2方向盘转角（前轮转角）信号的采集224.3横摆角信号与侧向加速度信号的采集224.4 轮速信号采集234.5 PWM寄存器设置244.6判断稳定系控制程序的编写254.7 本章小结28第5章实验与分析295.1程序的下载295.2测试A/D、PWM和I/O325.3 侧向稳定性控制的实验325.4 实验分析和结论345.5 本章小结35结论36参考文献37致谢38附录39附录A 外文文献39附录B 外文文献中文翻译45附录C 程序50第1章绪论1.1侧向稳定性控制器的研究意义在汽车数量急剧增长的今天，汽车安全性能越来中重要了，随着汽车使用率的增加，汽车交通事故率也随之直线上升。在很多重大交通事故中，车辆往往由于在极端环境下车轮失去与地面的附着力而导致失控。例如在紧急避让过程中，突然遇到湿滑、油污路面，或者在过弯当中车速过快而导致的转向不足和转向过度，都有可能让车辆失控。侧向稳定性控制器通过传感器得知车辆的抱死情况、车辆的横摆惯量(简单理解为车身倾侧的程度)，当车辆出现失控趋势时，对特定的车轮给予额外的制运力，甚至通过调整车辆的牵引力，务求以最大的程度保持住车轮的附着力。在侧向稳定性控制器的默默工作下，车辆遇到险情时往往能够化险为夷。对于普通驾驶者而言，侧向稳定性控制器显得格外重要。当汽车进行蛇形线路测试的时候就可以有效避免汽车的翻转。侧向稳定性控制系统不仅仅是在干燥路面上提高了汽车的稳定性，还可以在路面附着性比较差的时候，诸如结冰、湿滑，以及碎石等情况下起作用。在上述不利状况下，车轮与路面之问的附着力降低，即使是最好的驾驶员也很难将高速行驶的汽车保持在预定的路线上，汽车容易发生侧滑和跑偏，失去方向稳定性，甚至在急转弯的时候发生翻车事故，这时就需要侧向稳定性控制系统来拯救生命，减少、减轻意外交通事故的发生。1.2 侧向稳定性控制器的优点侧向稳定性控制系统由控制单元及转向传感器（监测方向盘的转向角度）、车轮传感器（监测各个车轮的速度转动）、侧滑传感器（监测车体绕垂直轴线转动的状态）、横向加速度传感器（监测汽车转弯时的离心力）等组成。控制单元通过这些传感器的信号对车辆的运行状态进行判断，进而发出控制指令，侧向稳定性控制器能有效的增强了汽车的安全性能。(1)能控制启动防滑，有效加速启动，在加速阶段使汽车得到最大的驱动力。(2)制动防抱死，防止汽车出现因制动抱死而失去转向控制，有效减少制动距离。(3)横摆力矩的控制，有效避免超速时的转弯不足和过多转向，极大的减少了车辆因转向过多而侧翻以及因转向不足而冲出弯道引发的交通事故。1.3 国内、外的现状汽车侧向稳定性控制器的研究是从ABS开始的。ABS在20世纪80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ABS的研究始于80年代初，国内研制ABS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ABS有限公司、陕西兴平514厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从80年代初就开始研究ABS，是较早研究ABS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ABS装于EQl45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ABS产品，第一代ABS的ECU采用了280芯片。第二代ABS产品为FKXAC I型，该装置的ECU中的CPU微处理器采用了美国INTEL公司的MCS96系列8098单片机，但距离满足实际应用仍有一定的差距。1998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ABS防抱装置，现已达到年产50万套的生产能力，是我国国内最大的ABS生产基地。电子稳定程序(ESP)是90年代初由德国奔驰公司开发的车辆稳定系统。从1995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BOSCH公司一直是这方面技术的领先者，无论是ABSASR还是更先进的ESP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ABSASRESP系统。1995年，博世成为首家把ESP投入量产的公司，早在1983年，博世的工程师就通过优化的ABS控制系统来增强车辆在全力制动时的稳定性，博世在1987年注册了相关的专利，1991年博世同戴姆勒-克莱斯勒公司开始联合开发该项目基地。1995年3月电子稳定控制系统开始批量生产。同年，ESP成功用于梅赛德斯-奔驰汽车的S级车型上。在接下来的数年里，博世不断优化ESP的设计使得ESP开始广泛占领了轿车市场。目前，全球有6家汽车零部件制造商生产ESP，他们是德国的博世，日本电装，日本爱信精工，德国大陆Teves,美国德尔福，美国TRW。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。1.4 研究内容本次研究的内容为汽车侧向稳定性控制器的设计，主要研究内容如下：（1）研究汽车侧向稳定性控制器的硬件结构和工作原理，了解各个传感器（横摆角速度传感器、车速传感器、车轮角速度传感器、方向盘转角传感器）、执行器（ABS泵电磁阀）的功能、驱动方法（电压、电流、频率范围）等。（2）根据设计要求和硬件条件，设计合适的扩展电路，（3）针对汽车侧向稳定性控制器的设计要求，设计以单片机为核心的侧向稳定性控制系统，编写控制程序。（4）开发完成软件和硬件控制器,进行技术指标的针对性的试验。第2章侧向稳定性控制器的结构原理和控制方法2.1 汽车侧向稳定性控制器的结构组成信号输入计算控制传感器控制输出执行器图2.1 侧向稳定性控制器结构组成控制器主要包括三部分：信号输入、计算控制、响应输出三部分。信号输入包括：前轮或方向盘转角信号、横摆角速度信号、侧向角速度信号、4个车轮转速信号、主缸压力信号等。计算控制部分主要由飞思卡尔S12xs128单片机处理信号输入，做出分析，然后判断输出，达到控制的目的。输出响应部分包括：4个增压阀（常开）、4个减压阀（常闭）、2个吸入阀（常闭）、2个隔离法（常开）、2个吸入泵、1个电机。2.1.1汽车侧向稳定性控制系统的工作原理汽车稳定性控制系统的ECU根据方向盘转角传感器和车速信号，通过计算来判断驾驶员的驾驶意图，计算出理想的车辆运行状态值。ECU根据检测得到的实际车辆状态与理想车辆状态的误差，通过一定的控制逻辑计算出可以使车辆恢复稳定的汽车横摆力矩，然后通过控制液压调节器的电磁阀开关动作调节制动系统各制动轮缸的压力来实现所需要的汽车横摆力矩。改变后的车辆运行状态由传感器测量到 ECU，然后再进行下一循环的控制，从而使汽车保持稳定。这就是汽车稳定控制的一般工作原理。下面以在低附着路面上紧急换道时的情况为例进行详细说明。图2.1和图2.2分别为不施加稳定性控制和施加稳定性控制时车辆的运行情况。图2.1中，1为汽车直线行驶，没有施加稳定性控制的车辆驾驶员向左打方向盘2进行换道操作，由于路面的摩擦系数不能提供足够的侧向力，于是在位置3时发生了过度转向。这时车辆急速沿逆时针方向旋转，为了弥补这种过度转向，驾驶员在位置4时向右急打方向盘作为补偿，由于补偿过度车辆又在位置5时发生了过度转向，使得车辆急速沿顺时针方向旋转。由于此时车辆的质心侧偏角很大，驾驶员通过方向盘对车辆的控制效果不明显，从而引起慌乱，于是车辆失去控制而甩出。图2.1 不施加汽车稳定控制的车辆在低附着路面上紧急换道由图2.2中可以看出，施加稳定性控制的车辆驾驶员向左打方向盘2进行换道操作，同样在位置3时发生了过度转向，汽车稳定控制系统检测到车辆发生了不稳定状态，于是通过对液压调节器的调节使车辆产生抵消当前过度转向趋势的沿顺时针方向的横摆力矩，使车辆尽量按照驾驶员的操作来运行。在位置4时驾驶员向右打方向盘完成换道操作，在位置5时又发生了不稳定情况，汽车稳定控制系统通过施加逆时针方向的汽车横摆力矩纠正了不稳定趋势。因此，尽管路面附着系数比较低，但在汽车稳定控制系统的辅助下车辆还是比较好地依照驾驶员的意图完成了换道操作。可见，汽车稳定控制在保障汽车稳定方面具有很大的优势。一般认为，安装汽车稳定控制系统相对于没有安装在以下几种情况下具有明显效果：紧急移线或在低附着路面上移线；移线过程中突然制动；在幅值很大的方向盘转角下连续躲避障碍；转向时伴随着加速或制动。图2.2 施加汽车稳定控制的车辆在低附着路面上紧急换道如上所述，当汽车行驶在路面摩擦系数较低或者紧急转向时是汽车最容易发生交通事故的工况，汽车稳定控制系统在这些比较极端的工况下具有明显的控制效果，因而可以大大提高汽车的主动安全性。2.1.2 侧向稳定性控制车轮制动原理如图21所示，车辆在制动时轮胎受到的受力分析。主要有地面对车轮产生的与车辆行进方向相反的摩擦力，地面对轮胎的法向反作用力，同时地面还对轮胎有侧向的侧滑摩擦力。地面制动力与地面对轮胎的法向反作用力之间的比值称为纵向附着系数。侧滑摩擦力和法向反作用力之间的比值为侧向附着系数。图2.3制动时轮胎受力图由于法向作用力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和侧向附着系数成正比。越大，纵向附着力越大，刹车的距离越短，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。2.1.3质心侧偏角速度与汽车稳定性控制的联系汽车在弯道时，由于本身就会产生横摆和质心侧偏而引起失去弯道的跟踪能力，从而跑出弯道失去控制稳定性，汽车在失去稳定的状态，受环境的影响很大，当达到极限附着力的时候，汽车的动力学性能将被改变。汽车的侧偏力是由于路面的侧向倾斜，侧向风或者汽车沿着曲线行驶时的离心力等作用，随之使侧偏角增加。路面情况不同，将会使车轮达到极限侧偏的时间也不同，汽车达到饱和的时候侧偏角的大小也不相同，高附着系数轮胎的侧向极限比低附着系数的轮胎的极限侧偏角要大。在本实验中，认定车轮的侧偏系数是不变的。因此汽车的质心侧偏只与车速相关。相关实验证明，汽车的不稳定状态出现的时候，汽车的质心侧偏角增加很明显，所以将质心侧偏角引入控制范围，相关数据表明，在低附着系数的路面，质心侧偏对车辆的稳定性状态有很大的影响。简单的说，车辆稳定运行时，地面的附着系数越低，车辆允许的质心侧偏角就越小。质心侧偏角的定义方法如下图2.4所示，OXY为汽车车身坐标系，汽车的合速度与X轴的夹角就是质心侧偏角。图2.4 质心侧偏角示意图质心侧偏公式如下：（2.1）质心侧偏侧偏角速度公式：（2.2）是两个相邻控制周期质心侧偏角速度的差值，是ESP控制的周期，在这里设置为0.1秒。如公式（2.3）（2.3）2.1.4横摆角与汽车稳定性控制的联系与汽车稳定性紧密相关的另一个变量是横摆角速度，本设计主要就是基于横摆仪的信号来控制车辆的稳定性的，在此前，先引入二自由度汽车模型。为了方便控制，设计和分析中将忽略转向系统的影响，既方向盘的输入角度到前轮的转角，可以认为是等效的，同时特定的认为：汽车沿x轴的前进速度视为不变，汽车只有沿着y轴的侧向运动和绕着z轴的横摆运动。此外，汽车的侧向加速度限定在0.4g以下，忽略左右轮胎的因载荷不同变化而引起的轮胎特性变化以及轮胎的回正力矩。因此，可以说把汽车简化为摩托车的模型，整个系统概括为：一个由前后两个有侧向弹性轮的轮胎支撑地面，具有侧向及横摆运动的二自由度的汽车模型。如下图2.5图2.5 二自由度汽车模型通过二自由度汽车模型，引入理想横摆角速度: （2.4）理想横摆角速度，单位(rad/s) 参考车速,单位(m/s)；前轮转角，单位(rad/s)；L轴距，单位m，在这里取2.55m；K系数取值范围0.0030.004.其中方向盘转速与轮速之间的转换可认为是理想的，忽略方向转角与前轮转角的差值，横摆角速度直接表征的量就是汽车的转向不足与转向过多,如果定义汽车实际的横摆角速度为Y,用实际横摆角速度Y与理想横摆角速度的差值公式如下：（2.5）定义横摆角速度向左为正，向右为负。2.2横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略在控制中，设置横摆角速度阀门值为Y+ 和Y- ,质心侧偏角速度的阀门值设定为+B和-B，控制策略如下表2.1。表2.1 控制策略参考变量控制策略右前右后左前左后小增小增小增大增小增小增小增小增大增小增小增小增小增小增小增小增大增小增小增大增小增小增小增小增大增大增大增大增2.2.1阀门值和Y+、Y-的确定通过查阅想过资料，得出横摆角速度与时间的关系。由下图可以看出，在横摆角速度在1rad/s时，可以作为汽车侧向稳定性控制的一个门限值。图2.6 横摆角速度与时间的关系质心侧偏角速度为0.2rad/s时是控制的一个阀门值，当质心侧角速度超过0.2rad/s还不给予控制超过时间1S后，汽车的可能性能极大的降低了，因此设定的阀门值为0.2rad/s。如下图2.7图2.7 质心侧偏角速度与时间的关系图2.8 质心侧偏角速度和横摆角速度由上图2.8可以看出，质心侧偏角速度和横摆角速度有密切的联系，这两者同时控制，将极大的提高汽车的安全性能和可控性能。因此同时控制横摆角速度和质心侧偏角速度是正确的选择。2.3 控制算法设定占空比在汽车行驶过程中，车速与汽车的侧向稳定性有很大的关系，基本呈线性上升，简而言之，汽车的速度越高，汽车失去稳定性控制的机会就越大。因此要求在汽车高速行驶时，对汽车的控制更加快和准，而在汽车低速时，对驾驶员而言，控制可以相对较慢，如果高占空比高频控制，可能降低汽车的舒适性，因此设定占空比和车速成线性控制，在控制算法中称为比例控制。具体控制流程如下图2.9：控制算法控制PWM占空比Duty0车速Duty2, Duty1图2.9 车速控制PWM流程图具体公式如下：（2.6）Duty2在初始时为0，的初始值也为0，在控制算法完成后，将本周期的Duty1赋值给Duty2，同时将本周期的的结果赋值给。Duty0是占空比的初始值，在表2.1中设置车速为0时，小增时占空比为20%，大增设置为40%。Kv的初选值具体看第4章程序设置。2.4 本章小结本章主要介绍了侧向稳定性控制器的组成、原理和工作过程，还介绍了车轮制动控制的原理和主要控制的理论方法和控制策略。为第四章软件编程做了铺垫。第3章硬件系统的选择与设计3.1 控制器硬件系统概要笔记本电脑横摆角和G传感仪BDM横向拉杆位移尺A/D飞思卡尔S12XS128 单片机信号放大除杂轮速传感器x4I/O控制信号信号放大隔离电路泵电机左前轮增压阀右前轮增压阀左后轮增压阀右后轮增压阀左隔离阀右隔离阀左吸入阀右吸入阀左前轮减压阀右前轮减压阀左后轮减压阀右后轮减压阀图3.1 硬件连线上图是本设计的主要硬件关系连接图，主要硬件以及功能如下：1、电脑，用于编程设计;2、BDM,用于连接电脑与单片机之间的通信，下载电脑的程序到单片机；3、飞思卡尔单片机，功能如下：（1）采集信号，有16路A/D转换功能，可产生8位、10位转换结果，有40路I/O输入输出端口。（2）有8路PWM波形输出端口。（3）有多个时钟功能，总线频率16MHZ。4、横摆角和G传感仪，能测量汽车的横摆角、横向和纵向加速度；5、电子尺式前轮转角信号，等同于方向盘转角信号； 6、4个轮速传感器，供给单片机轮速信号，通过相关控制算法，得到车身状态信息；7、12个制动回路电磁阀，分别是4个车轮的制动增压、减压电磁阀,2个隔离阀，2个吸入阀， 9、制动泵。3.2传感器的选择与电路设计3.2.1轮速传感器的选择与电路设计目前，测量车轮转动速度的一般方法是将变磁阻式磁电传感器安装在车轮总成的非旋转部分上，与随车轮一起转动的由导磁材料制成的齿圈相对。当齿圈随车轮一起转动时，由于齿圈与传感器之间气隙的的交替变化，导致两者间磁阻的变化，从而在传感器内的线圈上感生出交变的电压信号。轮速传感器是由永久磁铁、磁极、线圈和齿圈组成。齿圈5在磁场中旋转时，齿圈齿顶和电极之间的间隙就以一定的速度变化，则使磁路中的磁阻发生变化。其结果是使磁通量周期地增减，在线圈1的两端产生正比于磁通量增减速度的感应电压，并将该交流电压信号输送给电子控制器。如下图3.2图3.2 轮速传感器结构原理图1-线圈；2-磁铁；3磁极；4-磁通；5-齿圈当齿圈的齿数一定时，传感器信号的频率只与车轮的转速有关。因此，硬件系统的电控单元通常是经过专门的信号处理电路将传感器正弦波信号转换为同频率的方波信号，通过检测方波信号的频率或周期来计算车轮的转速。轮速传感器信号处理电路图如下：图3.3 轮速信号采集电路6、7为信号输出端口，接往单片机I/O口进行信号采集。轮速信号转换流程如下图3.3：轮速传感器滤波电路产生方波信号单片机图3.4 轮速信号处理流程为了提高测量轮速度精度，轮速信号处理电路应具有如下功能：（1）将正弦波信号转换为同频率的方波信号时，方波的占空比应当适中；（2）由于振动，气隙在一定范围内变动时，仍然能正确地进行波形变换；（3）电磁兼容性好，能抑制噪声干扰。由以上信息得出，轮速传感器基本可以满足设计要求，可以选用该传感器和信号处理电路。3.2.2 方向盘转角传感器的选择在本设计当中，使用电子尺测量转向横拉杆的位移测量，电子尺的采集信号为0-5V的电压信号。图3.5 电子尺由方向盘转角信号输出的信号时方波信号，通过集成电路信号处理端口，将方向盘信号-720+720的信号转换为05v电压信号，当信号为2.5v时，表征方向盘无转角，电压信号可以直接输入到单片机的A/D端口，可随时取读电压信号作为判断方向盘的转角信号，同时理想的认为是前轮转角信号。侧向范围和侧向精度均可以达到设计要求，因此可以选用电子尺代替方向转角传感器和前轮转角传感器。3.2.3横摆角和G传感器总成的选择横摆角和G传感器总成包括横摆角速度、纵向以及横向加速度传感器，输出的信号都是0V-5V的模拟量，由于汽车颠簸造成的信号波动特性一致，故封装在同一模块中。汽车运行过程中，在较好路面上行驶时，信号较好，而在颠簸路面上行驶，故需要在软件中设计数字滤波环节。数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用滤波器等。在笨设计中，采用短时间连续取值求和，再取平均值的方法，来减少杂波和无效信号的干扰。硬件实物如下图3.6：图3.6 BOSCH的横摆角与G传感仪1-空；2-空；3-5V输入电压；4-横摆角速度信号；5-横向加速度信号；6-接地3.3液压电磁阀回路系统3.3.1液压控制单元结构ECU图3.7 液压控制单元结构3.3.2液压电磁阀控制回路141511957810612134213北京现代ESP制动回路图图3.8 未制动时管路电磁阀图如图所示1为右吸入阀，2为左吸入阀，3为右隔离阀，4为左隔离阀，5为右吸入泵，6为左吸入泵，7为左后增压阀，8为左后减压阀，9为右前增压阀，10为右前减压阀，11为电机，12为左前增压阀，13为左前减压阀，14为右后增压阀，15为右后减压阀。低压回路高压回路图3.9 左转弯转向不足时ESP制动此时工作的电磁阀为右吸油电磁阀，右隔离电磁阀，右前增压阀，左吸油阀，高压油路为工作油路，低压油路为回油油路，此时电机工作，带动左、右吸油泵工作。此时制动的车轮为左后轮。3.3.3驱动电路的设计对于驱动电路的设计，需要电磁阀通过的最小电流为2A，ABS泵需要驱动的电流为20A最小。同时要求12v大电流电路和控制信号电路之间有良好的隔离效果。信号输出为单片机PWM信号，电压范围05V，电流极小，不超过25mA，控制ESP电磁阀工作的是开关电路。在设计电路时，选用光耦P521作为信号隔离元件，选用IRFP250作为大电流承担元件，IRFP引脚如图3.11，分别为G、D、S，当保持Ugs为10V时，IRFP250可通过最大电流为22A。光耦一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。光耦结构原理如下图3.10,1H为信号输入高电压端口，2L为信号输入的地电位端口，3H为信号输出的高电位端口，4L为信号输出的地电位端口。信号电流由1H流向2L，发光二极管发光，产生的光信号，激发光敏三极管，使3H和4L之间单向导通。图3.10 光耦原理图3.3.4驱动电路图对于驱动回路，由于有带铁芯的电感线圈，因此在高频断电的时候，会产生高压感应电动势，因此在断电的时候，必须给电磁阀回路短路处理，消耗掉线圈的感应电流，在初期制作电路板的时候，由于没有短路回路，继电器直接就被高压电火花吸引而不断开，或者直接被击穿了。因此在电路改进的过程中，将继电器换成了汽车上常用的三极管IRFP250，在Ugs=10V的时候能经受最大电流为22A,为了防止长时间工作导致三极管温度上升，在三极管上安装了散热装置。在三极管D端口和12V之间，制作一个单向回路，用单相管IN4007隔断，IN4007的击穿电压高达1000V,工作电流为1A，在IN4007后串联的是主要的耗能电阻100/1W，可经受住30A电流冲击。由以上措施，确保了在光耦回路断电后，电磁阀的感应电流和电压不干扰三极管的工作，而直接消耗在由电磁阀电阻电磁阀的这个循环回路，由于电磁阀的电阻小，因此只承担了很小的一部分能量的消耗。如下图3.11图3.11 电路图局部视图3.4飞思卡尔MC9S12XS128单片机本文中采用Freescale MC9S12XSl28B单片机作为汽车稳定性控制器的主控制单元，Freescale单片机在汽车电子领域应用的非常广泛。MC9S12XSl28是以CPUl2为核心的单片机，其CPU芯片内部频率为16MHz，有128Kb的ROM，采用5V电压供电，输入输出引脚的电压为5V。（附单片机电路图）单片机外围功能模块如下：（1）串行外接设备（SPI）；（2）串行通信设备（SCI）；（3）总线接口；（4）增强型捕捉定时器（ECT）；（5）模数转换器（ATD）；（6）脉宽调制模块（PWM）；（7）CAN控制器。3.4.1飞思卡尔S12芯片A/D转化模块特点：8/10 位精度；7 us, 10-位单次转换时间.；采样缓冲放大器；可编程采样时间；左/右对齐, 有符号/无符号结果数据；外部触发控制；转换完成中断；模拟输入 8 通道复用；模拟/数字输入引脚复用；1 到 8 转换序列长度；连续转换模式；多通道扫描方式。ATD 模块有模拟量前端、模拟量转换、控制部分及结果存储等四部分组成。其中模拟前端包括多路转换开关、采样缓冲器、放大器等，结果存储部分主要有8个 16 位的存储器和反映工作状态的若干标志位。飞思卡尔S12单片机的PWM 调制波有 8 个输出通道，每一个输出通道都可以独立的进行输出。每一个输出通道都有一个精确的计数器（计算脉冲的个数），一个周期控制寄存器和两个可供选择的时钟源。每一个 PWM 输出通道都能调制出占空比从 0100% 变化的波形。3.4.2 PWM的主要特点1、它有 8 个独立的输出通道，并且通过编程可控制其输出波形的周期。2、每一个输出通道都有一个精确的计数器。3、每一个通道的 PWM 输出使能都可以由编程来控制。4、PWM 输出波形的翻转控制可以通过编程来实现。5、周期和脉宽可以被双缓冲。当通道关闭或 PWM 计数器为 0 时，改变周期和脉宽才起作用。6、8 字节或 16 字节的通道协议。7、有 4 个时钟源可供选择（A、SA、B、SB），他们提供了一个宽范围的时钟频率。8、通过编程可以实现希望的时钟周期。9、具有遇到紧急情况关闭程序的功能。10、每一个通道都可以通过编程实现左对齐输出还是居中对齐输出。PWM寄存器的设置（1）禁止PWM PWME = 0（2）选择时钟 PWMPRCLK，PWMSCLA，PWMSCLB，PWMCLK（3）选择极性 PWMPOL（4）选择对齐方式 PWMCAE（5）选择占空比和周期PWMDTYx，PWMPERx（6）使能PWM PWME = 13.5 本章小结本章主要介绍了控制器的硬件部分的选择和结构原理，控制器的硬件部分包括信号输入部分，信号处理部分和执行器三部分，还介绍了自主设计和制作的电路。第4章软件设计4.1 软件设计总体思路汽车侧向稳定性控制系统，根据采集到的各种数据，通过加速度的计算，确定汽车是否处于主动减少状态，决定是否经行制动控制，通过滑移率的计算，确定车轮是否处于最大滑移率范围内，通过控制相应的电磁阀的开启和闭合，达到最优制动的结果。通过一定的算法计算出横摆角速度的大小与实际测量的大小相比较，得出汽车目前稳定的状态，通过控制算法，对相应的车轮做制动，减轻横摆角的进一步增大，通过PWM波输出，控制增压、减压电磁阀的开启和闭合，达到稳定性的控制。本系统的软件设计主要包括各模块初始化、主程序设计、A/D转换模块程序设计、PWM驱动模块程序设定、串口程序设定等。在本次设计中主要应用单片机飞思卡尔MC9S12XS128的模块有A/D,PWM，定时模块，I/O模块等。引用头文件定义全局变量设定A/D信号采集设定PWM信号输出设定时钟模块设定轮速信号采集设定横摆稳定性控制主程序初始化各模块取读输入信号稳定性判断输出控制延时图4.1 总体流程图图解：（1）全局变量为所有程序公用的信息，如车速信号，制动压力信号，加速度信号等；（2）A/D采集信号包括电子尺转向信号、横摆角速度信号、侧向加速度、纵向加速度信号、制动回路压力信号；（3）PWM波形输出控制，设定波形周期，占空比在实际使用的是设置。（4）轮速采集信号使用的I/O串口，制动主缸增压电机由I/O控制输出。设置横摆稳定性控制器的控制周期为0.1s,即100ms，因此设置PWM的周期也为100ms,只需要控制PWM的占空比，也就可以控制一个周期内电磁阀的开启时间，方便设置改变和控制。4.2方向盘转角（前轮转角）信号的采集在试验车上，安装的是电子尺，用于测量转向横拉杆的横向位移量，将位移量转化为前轮转角，这个值比方向盘转角信号来的准确。电子尺的工作行程为200mm，转向横拉杆的极限行程为150mm,因此将0-5v等效为0-200mm，5v/200mm=0.025v/mm,即25mv/mm,选用10位A/D转换精度，精度为4.8mv，因此可以测量到0.2mm。定义无转向信号的时候，信号输出为2.5v，电子尺的位移为100mm,试验车的横向拉杆的实际位移量为150mm，因此采集的有效信号范围是0.625-4.375v,将此范围的电压信号转换为车轮的转角信号。车轮的转角信号范围是负30到正30，即3.75v/60=0.0625v/=62.5mv/，精度足够高，满足使用要求。由以上换算得到角度和电压的关系=,假设向左转为正，向右转为负。4.3横摆角信号与侧向加速度信号的采集横向加速度信号，横摆角速度信号以及电子尺的信号均为电压信号，而且为0-5v电压，因此采用A/D转换，可得到比较精确的结果。A/D寄存器设置如下：void ATD_Init(void) /8bit模式 ATD0CTL2=0x42; /禁止外部触发 ATD0CTL3=0xc0; /7:1数据右对齐无符号,每次转换8个序列, No FIFO, Freeze模式下继续转 ATD0CTL4=0x17; /765: 采样时间为 4 个 AD 时钟周期,ATDClock=BusClock*0.5/PRS+1=1MHz(BusClock=16MHz) ATD0CTL5=0x30; /6:0 特殊通道禁止,5:1 连续转换 0 单次转换 ,4:1 多通道轮流采样567: ATD0DIEN=0x00; /输入允许寄存器4.4 轮速信号采集本设计采用频率法采集轮速，原理如下：在单位周期内，计算累计脉冲的个数，然后经行计算，轮速脉冲经过引号处理后为标准的脉冲。轮速脉冲采样周期图4-2 频率法计算轮速周期原理图轮速信号的频率计算公式4.1：（4.1）轮速计算公式为：（4.2）其中：r为车轮半径；为一个测量周期的脉冲数；Z为轮速传感器齿圈的齿数，Z=43；T为采样周期。以下为轮速信号采集的相关寄存器的设置：/通道0输入捕捉初始化void ECT0_Init(void) TSCR2=0X06; /禁止溢出中断，分频系数为64（24/64MHZ） TIOS_IOS0=0;/ 通道0为输入捕捉 TCTL4=0X01; /捕捉为上升沿 TIE_C0I=1 ; /允许0通道输入捕捉 TSCR1=0X80;/时能定时器/定时器0输入捕捉中断#pragma CODE_SEG _NEAR_SEG NON_BANKED void interrupt 8 Timer0_Onput(void) TFLG1_C0F=1 ;/清中断标志 Input_Num+; PORTB=Input_Num; if(Input_Num=255) Input_Num=0; 轮速控制范围假设为5m/s到30m/s，则轮速信号频率范围是136Hz到820Hz,设定采样周期为50ms,则在车速最低的时候，每个周期采集的轮速信号6个脉冲，有实际意义。将采集的轮速信号，相加取平均值作为车速信号。4.5 PWM寄存器设置PWM设置如下：void PWM_Init(void) PWME=0x00; /禁止 PWMPRCLK=0x77; /时钟预分频A=B=16M/128=125K PWMSCLA=125; /SA=A/2/125=500HZ PWMSCLB=125; /SB=B/2/125=500HZ PWMCTL=0x00; /控制寄存器设置 PWMCLK=0xff; /时钟寄存器为SB PWMPOL=0xff; /Duty=High Time 极性设置 1,高电平输出 PWMCAE=0x00; / left-aligned 左对齐方式 PWMPER0=50; /Frequency=SB/50=10Hz 周期寄存器设置 PWMPER1=50; PWMPER2=50; PWMPER3=50; PWMPER4=50; PWMPER5=50; PWMPER6=50; PWMPER7=50;4.6判断稳定系控制程序的编写取读输入信号控制方法判断控制车轮控制输出延时控制返回图4-3 控制流程图等待信号输入转换完成程序如下：while(!ATD0STAT2_CCF5); sum4=ATD0DR5L; while(!ATD0STAT2_CCF5); sum5=ATD0DR5L; while(!ATD0STAT2_CCF6); sum6=ATD0DR6L; while(!ATD0STAT2_CCF7); sum7=ATD0DR7L; ATD0STAT0_SCF=1; while(!ATD0STAT0_SCF); /转换4，5，6，7通道数据将数据换算赋值给相应的变量：cs=sum4/20.48; hx=sum7/20.48; / sum7横向加速度，m/s2。加速度范围-25m/s2到25m/s2 hb=sum6/20.48; fx=sum5/17.07;其中：cs-车速；hx-横向加速度；hb-横摆角速度；fx-方向转角。将数据换算成最终比较值，程序代码如下： hbc=hb-cs/(1+cs*cs*0.003)*fx; zxcp0=cs*10/0hx-zxcp1*10; zxcp1=cs*10/hx;其中hbc是横摆角速度差值，zxcp0是质心侧偏角速度，zxcp1是质心侧偏角。下表是根据液压制动管路图3.8和控制策略表2.1得出下表。表4.1 车轮制动时各电磁阀导通和截止状态制动轮右吸入左吸入右隔离左隔离左前增右前增左后增右后增代码左后轮导通导通截止导通截止截止导通截止ed右前轮导通导通截止导通截止导通截止截止eb左前轮导通导通导通截止导通截止截止截止d7右后轮导通导通导通截止截止截止截止导通de右前后左后导通导通截止截止截止导通导通导通f8右前后导通导通截止截止截止导通截止导通fa左前后导通导通截止截止导通截止导通截止f5右前左前后导通导通截止截止导通导通导通截止f1右前后左前导通导通截止截止导通导通截止导通f2右后左前后导通导通截止截止导通截止导通导通f4四轮制动导通导通截止截止导通导通导通导通f0具体控制程序如下：if(fx30&zxcp112) /转向过多 PWME=0xf2; /(1111 0010) 参照制动表查看 else if(hbc30&zxcp1-12) PWME=0xfa; /(1111 1010) else if(hbc-30&zxcp112) PWME=0xf7; /(1111 0111) else if(hbc-30&zxcp1-12) PWME=0xee; /(1110 1110) else if(hbc12) /转向不足 PWME=0xf5; /(1111 0101) else if(hbc-30&zxcp10) /向zuo转弯 if(hbc30&zxcp1=12) /转向过多 PWME=0xf2; /(1111 0010) else if(hbc30&zxcp1-12) PWME=0xfa; /(1111 1010) else if(hbc-30&zxcp112) PWME=0xe7; /(1110 0111) else if(hbc-30&zxcp1-12) PWME=0xeb; /(1110 1011) else if(hbc=12) PWME=0xf5; /(1111 0101) else if(hbc-30&zxcp1-12) PWME=0xf4; /(1111 0100) 4.7 本章小结本章主要介绍了软件的结构和组成，程序主要包括时钟模块，PWM模块，A/D模块，I/O模块等，主程序主要详细介绍了信号处理分析和输出控制车轮的情况。第5章实验与分析5.1程序的下载将单片机与电脑之间，用BDM连接上，单片机BDM接口电路如下图图5.1 单片机BDM电路然后打开编程软件的设置：1、打开CodeWarrior IDE软件。2、新建工程,选择MC9S12XS128。图5.2 选择MC9S12XS1283、选择编程环境C语言。图5.3 选择非在线编程5、选择ANSI startup code图5.4 启动兼容程序6、选择浮点类型数据类型。图5.5 选择浮点运算7、选择Full Chip Simulation和TBDML图5.6 选择全芯片模拟和TBDML8、将写好的程序放在程序编写的main.c里，编写完成，点击make9、在make无错误的条件下，点击Debug(调试)，等待计算机将C语言编译单片机语言，图5.7 等待调试完成5.2测试A/D、PWM和I/OA/D信号的测试A/D供电A/D的测试如下：将写好的测试A/D的程序下载到单片机，连接AN00口与电位器，单片机通电，使电位器的信号在LED灯上显示大小。如下图：AN00口图5.8 A/D测试图PWM波形输出与I/O脉冲计数输入测试如下：将编写好的测试程序写入单片机，连接PWM0（PP0）口与I/O信号输入口PK0,将I/O口得到计数结果在LED显示：如下图：图5.9 脉冲计数测试5.3 侧向稳定性控制的实验在试验的初期，首先选着了单独控制前轮，信号输入选择使用试验规定的横摆角速度，单独使用横摆角速度的阀门值控制前轮的制动，试验如下图5.10：横摆角速度右前轮制动右前轮制动延时解除压力图5.10 基于横摆角速度控制流程图本次试验是在张老师的指导下，以一定车速在试验场，做圆周运动，然后轻踩油门。得到单个前轮的制动，通过反向试验，得到了另一个车轮的单轮制动效果。图5.11 ESP泵输出的四根管路图5.11是ESP泵的四根制动油输出管路，为方便试验，在制动管路上安装了制动管路压力表，如图5.13和图5.14，为制动管管路压力显示。图5-12 横摆角和G传感仪与单片机的连接图5.13 单片机与控制电路的连接与单片机连接的，如上图5.13，左边的为信号输入，右边的一排为放大电流输出，其中有ESP制动压力泵电机，隔离阀和吸入阀的并联电路，以及左前轮右前轮的增压减压控制阀。图5.14 左前轮制动压力图5.15 右后轮的制动压力5.4 实验分析和结论在多次试验中，证明了本控制器可以对侧向稳定性有初步的控制，基于控制内容的繁多，容易出错，所以实验的时候要求细心仔细，稳步前进。于对实验时所使用的一些基本参数，要针对实际经行修正，只有不断的实验，不断的修正，把前期的实验做好了，再进行实车实验，这个是很必要的。实验结论如下:（1）在车速较低的时候，横摆角速度产生的主要来源是汽车的转向运动，此时可能产生转向不足或者转向过多。（2）在控制过程中，控制周期越短，控制的效果将会越好，但是由于受到执行器条件限制，选择一个合适的控制是很必要的。（3）在控制实验的初期，选择控制简单的实验和选择开阔的场地，以及选择较低的车速是安全实验的首要条件，在遇见突发事件，不要慌张，直接接触控制器的电源，然后再刹车制动，因为侧向稳定性控制器工作的时候，制动是无效的。5.5 本章小结本章主要介绍了实验的项目、实验过程、实验成果以及实验注意事项以及实验结论和今后需要改进的地方。结论本设计是汽车侧向稳定性控制器的设计，主要基于汽车横摆角速度的控制。在前期的学习和电路制作过程中，遇到了很大的困难，但是都一一解决了，通过老师的帮助和自己的不屑努力，终于基本完成了设计的要求，完成的主要工作如下：（1）控制器的硬件设计。主要设计了电磁阀和电机的驱动隔离电路。（2）在试验车上安装了转向横拉杆电子尺，车身横摆角速度和侧向加速度信号传感器。（3）控制器的软件设计。设计了可以驱动电机和电磁阀的程序，方向转角信号的采集，横摆角速度信号的采集，侧向加速度的信号采集，同时将模拟信号转换为数字信号，还通过单片机对轮速信号进行采集，通过平均值法获取车速。（4）确定侧向稳定性控制方法。本文主要基于北京现代ESP控制回路进行分析和韩安的硕士论文经行仿照性控制。（5）完成了基于横摆角速度控制的前轮实验。对于更深入设计和实验的期待：（1）在硬件处理方面，加强硬件滤波处理，将所有输入信号均进行滤波处理，如电子尺和横摆角速度以及侧向加速度信号。（2）在软件控制方面，尽量使用模拟仿真，然后再经行实车实验，因为安全性能控制不好就会出现意外的危险。（3）在硬件实验条件方面，还需要努力在试验车上安装上轮速传感器，就可以对汽车进行更加复杂的控制。参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术M.北京航空航天大学出版社，2005，(10). 2谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计M.清华大学出版社,2006,(8). 3李涵武,赵雨旸.汽车电器与电子技术M.哈尔滨工业大学出版社,2003,(9). 4王望予.汽车设计M.机械工业出版社.2004,(8). 5韩安.基于嵌入式系统的汽车稳定性控制器的开发和研究D.东南大学,2009,(4). 6宗长福,郑宇,田承伟,潘钊,董益亮.基于直接横摆力矩控制器的汽车稳定系控制策略J吉林大学学报，2008,10:26-30. 7欧健,房占鹏. 车辆动力学稳定性系统综合反馈控制仿真J.拖拉机与农用运输车,2010,06:13-15 8陈胜金,李法宗,黄妙华. 波许ESP四通的理论分析J.汽车技术,2004：22-24 9 李君车辆ABS控制系统快速开发研究D.上海:上海交通大学,2002. 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by extending the traction control system with four additional sensors: steering wheel angle,brake pressure, yaw rate and lateral acceleration.Since the nominal trajectory desired by the driver is unknown, the drivers inputs are taken to obtain nominal state variables that describe the intended vehicle motion instead. These inputs are the steering wheel angle, the engine drive torque as derived from the accelerator pedal position and the brake pressure.The handling performance of the car can be improved if in dependence of the steering wheel angle the yaw moment on the car can be controlled.The main task of ESP as an active safety system is, however, to limit the slip angle of the vehicle in order to prevent vehicle spin.ESP can control the yaw moment on the car by controlling the value of the slip at each wheel. This can be shown by the influence of some brake slip value at the left front tire of a free rolling car in a right turn (Fig. 1). is the lateral force on the free rolling tire. Because of the brake slip the lateral force will be reduced to where it is assumed, that neither the normal force nor the tire slip angle are changed. As a result of the brake slip the brake force is generated. is the resultant force on the tire, which is the vectorial sum of and . If the tire friction limit is reached, the magnitudes of and are approximately equal. Fig. 1 Yaw moment change by slip controlThe influence of brake slip is now obvious: a change in the brake slip value results in a rotation of the resultant force on the tire. As a result of the rotation the yaw moment on the car is changed.However, simultaneously the lateral force and thelongitudinal force on the car are influenced. The control concept determines by what amount the slip at each tire shall be changed to generate the required change in the yaw moment. Usually it is required that the driver must not have the impression that with ESP the car is slower than without ESP.The vehicle dynamics controller part of ESP (Fig. 2) constitutes the upper part of a hierarchical control. Output are the nominal tire slips In the lower part the slip values of the tires are controlled. The vehicle dynamics controller part consists of several processing blocks. On the top left the motion desired by the driver is derived from his inputs by a linear bicycle model (which uses a linear relationship between the slip angle and the lateral force of the tire). On the top right the motion of the car is measured and missing state variables are estimated.Fig. 2 Simplified block diagram of the ESP controlThis estimate is valid if the pitch and roll angles of the car are neglected and furthermore, if the car moves on a horizontal plane. In this equation is the lateral acceleration of the car and is its longitudinal acceleration, is its velocity and is its yaw velocity. If the car velocity is constant and its slip angle is small then the estimate can be readily obtained by a simple time integrationOffset and other errors in the sensor and estimated signals may quickly lead to large errors in the estimate. Furthermore, during full braking the car deceleration can not be neglected. Therefore,during full braking an alternative estimate of the slip angle based on an observer is used.The observer is based on a full four wheel model of the car and uses two dynamic equations, one for the yaw velocity and the other for the lateral velocity of the car. These equations are rearranged and discretized to be used as the model for a Kalman filter. Since the yaw velocity is measured, the solution of the differential equation of the yaw velocity is used to derive the measurement equation.Here denotes a known brake constant, denotes the brake fluid pressure in the brake wheel cylinder, R denotes the known tire radius, denotes half of the engine torque at the axle, denotes the known moment of inertia of the wheel about its axis of rotation and denotes the wheel speed which is the product of the wheel angular velocity and the tire radius.The engine torque value can be obtained from the engine management system, while the rotational wheel velocity is measured by the wheel speed sensor. Finally by modeling the hydraulic unit the wheel brake pressure is estimated at each wheel.The side forces are not readily available.Therefore a tire model is used. Specifically, the HSRI tire model is used which allows for a simple relation between the lateral and the longitudinal force.The estimate of the lateral velocity by the Kalman filter is robust to tire changes as only the ratio of the lateral and longitudinal tire stiffness is used.For winter tires the ratio is nearly the same as for summer tires. The same is true for new and worn tires, conventional and wide tires etc. Thus both evaluations of the slip angle are more or less insensitive to changes in the tire properties.Unfortunately the vehicle slip angle estimation is not always sufficiently accurate and the confidence level of its value is sometimes low. Therefore, the vehicle dynamics controller uses additionally a model following control for the yaw velocity of the car, for which the already mentioned linear bicycle model is taken. Output of the linear bicycle model is the nominal value of the yaw rate . Thus a first value for the nominal yaw velocity is obtained (Fig. 3).The wheel base l is a simple geometric paameter while the vehicle forward velocity is estimated by the brake slip controller.Fig. 3 Nominal yaw velocity from the linear bicycle modelThe characteristic speed depends mainly on the lateral tire stiffness of the tires. Therefore, the nominal yaw velocity changes with the tire type, make and state (new or worn). This change may occur suddenly if new tires are mounted. The model following control is thus sensitive to changes in the tire stiffness and ESP may suddenly change its behavior. This will be shown below. ESP must therefore be checked to correctly perform with all released tires.Since the lateral acceleration of the car can not exceed the maximum coefficient of friction between the tire and the road , the nominal yaw velocity must be limited to a second value by the following relation (see the hyperbola in Fig. 3).For summer tires the nominal yaw velocity is different from that of winter tires (Fig. 4). Similarly,for worn tires the yaw velocity is different from that of new tires. The vehicle becomes oversteer if on the front axle worn and on the rear axle new tires are mounted (Fig. 5). In such cases the vehicle behavior deviates significantly from the behavior of the linear bicycle model (Fig. 3) and ESP interventions can be expected for vehicle maneuvers which are well within the physical limit.Fig. 4 Nominal yaw velocity from the full four wheelmodel with nonlinear new and worn summer and wintertires (steering wheel angle 60)Fig. 5 Nominal yaw velocity from the full four wheel model with nonlinear summer and winter tires, with worn tires at the front axle and new tires at the rear axle(steering wheel angle 60)A first nominal limit value for the slip angle of the car (Fig. 5) is chosen as discussed using the Beta method in dependence of the coefficient of friction between the tires and the road. This value is reduced in dependence of the velocity of the car to a second value , in order to improve the support for the driver at higher speeds.If the state of the car as described by its yaw velocity and its slip angle differs from its nominal state, then the vehicle dynamics controller checks if this difference is within some tolerable dead zone. If not, a yaw moment is generated to reduce this difference to within this tolerable dead zone.附录B 外文文献中文翻译通过在牵引力控制系统上扩展方向盘转角、制动压力、横摆角速度和侧向加速度四个传感器，就可以实现对车辆运动的反馈控制。由于驾驶员所希望的名义轨迹是未知的，需要采集驾驶员的输入变量来获得能描述期望车辆运动的名义状态变量。这些输入变量包括方向盘转角、通过加速踏板获得的发动机驱动转矩和制动压力。如果汽车独立于方向盘转角的横摆运动得到控制，汽车的操纵性能就会得到提升。然而，ESP作为主动安全系统，其主要任务是限制车辆的知心侧偏角来防止车辆侧翻。图1 由侧偏角控制引起的横摆运动ESP能通过控制每个车轮上的侧偏角的值来控制汽车的横摆运动。在向右转向的自由滚动的汽车上，左前轮的制动侧偏角的作用可以说明这一点，如图1所示。为作用在自由滚动轮胎上的侧向力。由于制动侧偏角，侧向力会减小到假定值，法向力和轮胎侧偏角都不变。由于制动侧偏，车辆产生了制动力。是轮胎上的纵向力，是和的矢量和。如果到达轮胎的摩擦极限，和的值近似相等。现在，制动侧偏角的作用很明显：制动侧偏角的变化会造成轮胎上合力的旋转。由于该旋转，汽车的横摆运动发生变化。但与此同时，汽车上的侧向力和纵向里也会受到影响。控制原理取决于每个轮胎上的侧偏角需要变化多大才能产生期望的横摆运动的变化。通常驾驶员不能有这样的想法：装配有ESP的汽车比没装配的要慢。图2 ESP控制的简单框图ESP系统的车辆动力学控制器部分组成分层控制的上层部分，如图9所示。输出是轮胎侧偏角。在下层部分控制轮胎侧偏角。车辆动力学控制器部分包括一些过程模块。在左上方，驾驶员期望的运动通过现行车辆模型由他的输入得到(该模型使用车轮侧偏角和侧向力的线性关系)。在右上方，测量车辆的运动并估计实际的状态变量。第一种估计车辆侧偏角方法用到侧偏角的导出公式：如果忽略汽车的前倾角和摇摆角，并且如果汽车在水平面上行驶，这个估计就是合理的。在这个等式中，是汽车的侧向加速度，是纵向加速度，是车速，是横摆角速度。如果车速是常量并且侧偏角较小，可以通过对时间积分很容易地得到估计值。传感器的补偿和其他误差以及估算信号可能会很快的导致估计中很大的偏差。另外，在全速制动过程中，汽车的减速度不能被忽略。因此，在全速制动过程中，需要用到另外一个基于监测器的侧偏角估计量。该监测器建立在汽车四轮模型基础上，使用两个等式：一个是横摆角速度，另一个是汽车的侧向速度。这些等式被重新整理和离散化用作卡尔曼滤波器模型。由于横摆角速度是测量的，该微分方程的解用来推导估计等式。这些等式中都需要每个轮胎上的纵向加速度，可以通过下面的等式估算出来。其中，指一个已知的制动常数，指的是制动缸内的制动液压力，R代表已知的轮胎半径，指发动机在车轴上转矩的一半，指车轮相对于其转动轴线的转动惯量，车轮速度即车轮角速度和轮胎半径的乘积。发动机转矩可以通过发动机管理系统得到，而车轮转速是通过轮速传感器获得的。最后通过液压单元的模型估算每个车轮上的制动压力。侧向力不是直接就能用的，需要一个轮胎模型。特别地，要用到文献15中描述的HSRI轮胎模型，这个模型考虑到了侧向力和纵向力间的简单关系。在等式中，和是侧偏角和轮胎的侧偏刚度，和分别是轮胎侧偏角和侧偏角。由卡尔曼滤波器得到的侧向速度的估计值适用于车辆的变化，因为只用到了轮胎侧向和纵向侧偏刚度的比值。对于冬季轮胎来说，该比值和夏季轮胎大致相同。同样，新轮胎和旧轮胎，常规轮胎和宽轮胎，该壁纸都相同。因此，侧偏角的估计值或多或少不受轮胎特性变化的影响。然而，车辆侧偏角估计值经常不够准确，有时置信水平也较低。因此，车辆动力学控制器又另外使用了一个车辆横摆角速度模型跟踪控制，前面提到的线性车辆模型就可以被认为是这种模型。线性车辆模型的输出是名义横摆角速度值。因此得到了一个名义横摆角速度值，如图3所示。轴距是一个简单的几何参数，车辆前进速度由制动侧偏控

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