汽车侧向稳定性控制器的设计

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on of is a be on to is be to in be as 摘 要.侧向稳定性控制器的研究意义.侧向稳定性控制器的优点.国内、外的现状.研究内容.汽车侧向稳定性控制器的结构组成.横摆角速度、质心侧偏角与汽车稳定性的控制策略. 和Y+、.控制算法设定占空比.本章小结.控制器硬件系统概要.传感器的选择与电路设计.液压电磁阀回路系统.飞思卡尔.转化模块特点：.本章小结.件设计.软件设计总体思路.方向盘转角（前轮转角）信号的采集.横摆角信号与侧向加速度信号的采集.轮速信号采集.判断稳定系控制程序的编写.本章小结.程序的下载.测试A/D、.侧向稳定性控制的实验.实验分析和结论.本章小结.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。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。内、外的现状汽车侧向稳定性控制器的研究是从前在国外已经发展成为一种非常成熟的技术。国内对内研制通部重庆公路研究所、重庆宏安西兴平514厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从80年代初就开始研究较早研究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庆公路研究所相继开发出了两代一代二代装置的6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已达到年产50万套的生产能力，是我国国内最大的子稳定程序(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。德国论是术上都一直处于领先地位，为国际大多数汽车厂商供应995年，博世成为首家把在1983年，博世的工程师就通过优化的世在1987年注册了相关的专利，1991年博世同戴姆勒995年3月电子稳定控制系统开始批量生产。同年，接下来的数年里，博世不断优化前，全球有6家汽车零部件制造商生产们是德国的博世，日本电装，日本爱信精工，德国大陆国德尔福，美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。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（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。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 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。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。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 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。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。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。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。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 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 侧滑摩擦力和法向反作用力之间的比值为侧向附着系数 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 侧向附着系数 正比。大，纵向附着力越大，刹车的距离越短， ，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。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。车的合速度与 心侧偏侧偏角速度公式： （ 是两个相邻控制周期质心侧偏角速度的差值， 公式（12 （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：汽车沿车只有沿着外，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。入理想横摆角速度:Y )k+(1= 2Y 理想横摆角速度，单位(s)参考车速,单位(m/s)；前轮转角，单位(s)；L轴距，单位m，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 的差值 式如下：Y （义横摆角速度向左为正，向右为负。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+和心侧偏角速度 的阀门值设定为+制策略参考变量 控制策略 右前 右后 左前 左后0W +YY B + 小增 小增 小增0W +YY Y- + 小增0W +Y- 小增 大增0W + 小增 小增 小增 0Y 大增 小增0=255) ;轮速控制范围假设为5m/s，则轮速信号频率范围是136定采样周期为50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。 ; /时钟预分频A=B=16M/128=12525; /; /; /控制寄存器设置; /性设置 1,高电平输出; /B/50=10期寄存器设置0;0;0;0;0;0;0;制流程图等待信号输入转换完成程序如下：=; /转换4，5，6，7通道数据将数据换算赋值给相应的变量：cs=/hx=/7横向加速度，m/速度范围s2hb=/fx=/中：数据换算成最终比较值，程序代码如下：1+cs*fx;0/00;0/中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 通 导通 截止 导通 截止 导通 截止 截止 通 导通 导通 截止 导通 截止 截止 截止 通 导通 导通 截止 截止 截止 截止 导通 通 导通 截止 截止 截止 导通 导通 导通 通 导通 截止 截止 截止 导通 截止 导通 通 导通 截止 截止 导通 截止 导通 截止通 导通 截止 截止 导通 导通 导通 截止 通 导通 截止 截止 导通 导通 截止 导通 通 导通 截止 截止 导通 截止 导通 导通 通 导通 截止 截止 导通 导通 导通 导通 if(2) /转向过多 (11110010) 参照制动表查看0&2)(11110111) /(11110101) if(0&12) /转向过多 (11110010)0&2) (11100111)2) (11110101)Y /*#*#,;/声明计数变量; ;_(1); /; / ; /时钟预分频A=B=16M/64=25025; /; /; /控制寄存器设置; /性设置 1,高电平输出; /B/100=10 周