（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的汽车电子稳定控制系统设计.pdf

基于a r m 的汽车电子稳定控制系统设计 摘要 e s p 系统( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ，电子稳定程序，在欧洲称为e s p ，而 在美国和日本则称为v d c ，v e h i c l ed n a m i c sc o n t r o l ，即车辆动力学控制系统) 是德国b o s c h 公司l9 9 5 年推出的用于改善车辆操纵稳定性的一种车辆动力学控 制系统。它是一种新型主动安全性控制系统，是继汽车防抱死制动系统和牵引 力控制系统之后发展起来的。它能够根据驾驶员的意图、路面状况及汽车运动 状态控制车辆的运动，防止出现危险状况，从而更有效、更显著地提高汽车的 操纵稳定性和行驶安全性。 汽车e s p 控制系统是一个复杂的系统，其控制方法是目前汽车界研究的热 点。本文通过阅读大量的文献，做了以下一些工作： 1 了解了e s p 系统的原理和工作过程，分析了汽车系统的模型和e s p 的控制 系统结构，最后以实测横摆角速度和理想横摆角速度之间的偏差为控制器的输 入变量，用逻辑门限值控制算法实现对e s p 的控制。 2 根据汽车e s p 系统控制的实时性要求，本文以支持实时仿真的3 2 位a r m 处理器l p c 2 2 9 2 为核心，进行了基于逻辑门限值控制算法的e s p 控制器丌发，并 扩展了外围硬件电路，包括：轮速调理电路、电磁阀和回液泵电机驱动电路及 液晶显示电路等。 3 引入了嵌入式实时操作系统l x c o s i i 并成功移植到l p c 2 2 9 2 上，阐述了 e s p 控制系统各功能模块软件的设计思想和实现方法，完成了e s p 控制系统的软 件设计。 4 对所设计的系统进行了基于l a b v i e w 平台的硬件在环仿真试验，验证了 本文所使用的控制策略。结果表明：汽车e s p 控制系统的硬件电路设计合理可 行，软件所采用的控制策略正确、有效，整个系统运行稳定可靠，有效地改善 了汽车横向操纵稳定性。 关键词：汽车电子稳定程序 p c o s i i 硬件在环汽车动力学稳定性 d e s i g no fa u t o m o b i l ee s p b a s e do na r m a b s t r a c t e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a me s p ，i nt h ea m e r i c aa n dj a p a n ：v h i c l ed y n a m i c c o n t r o ls y s t e m ( v d c ) ) i sas y s t e mw h i c hc a ni m p r o v et h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo f v e h i c l e ，i tw a si n t r o d u c e di n1 9 9 5b yb o s c h t h ee l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a mi sa n e wt y p eo fv e h i c l ea c t i v es a f e t ys y s t e m ，d e v e l o p e da f t e ra n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m a n dt r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m i tc a nc o n t r o lv e h i c l eb e h a v i o ri na c c o r d a n c ew i t ht h e d r i v e r si n t e n t i o n ，r o a dc o n d i t i o n sa n dv e h i c l ed r i v i n gs t a t et op r e v e n tc r i t i c a l s i t u a t i o n sa n di m p r o v eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fv e h i c l ea n dd r i v i n gs a f e t ym o r e e f f e c t i v e l ya n dm o r er e m a r k a b l y t h ee s ps y s t e mi sc o m p l i c a t e ds y s t e m t h ec o n t r o lm e t h o do ft h ee s ps y s t e mi st h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf o c u si nt h e v e h i c l ef i e l d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 t ou n d e r s t a n dt h ep r i n c i p l e w o r kp r o c e s sa n dt h es t r u c t u r eo ft h ee s p s y s t e m ，a n dc o m p a r et h em e a s u r e dy a w r a t ew i t hi d e a ly a wr a t e ，a n du s et h ee r r o r a st h ei n p u to fc o n t r o l l e r ，f i n a l l yu s et h el o g i ct h r e s h o l dc o n t r o la l g o r i t h mt or e a l i z e t h ev a l u eo fe s pc o n t r 0 1 2 b ya n a l y z i n gt h en e e d st o t h ee s ps y s t e mc o n t r o l l e r ，t h ep a p e ru s e l p c 2 2 9 2m c ua st h ec o r et od e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dd e v e l o pt h ee s p c o n t r o l l e rb a s e do nt h el o g i ct h r e s h o l dc o n t r o la l g o r i t h ma n de x p a n s i o no ft h e p e r i p h e r a lh a r d w a r e ，i n c l u d i n g ：w h e e ls p e e dp r o c e s s i n gc i r c u i t ，s 0 1 e n o i d v a l v e s a n dp u m pm o t o rd r i v ec i r c u i ta n d b a c kt ol i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i t 3 t h e i t c o s i i i m b e d d e d r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) i s s u c c e s s f u l l yi n t r o d u c e da n dt r a n s p l a n t e d ，a n dd e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f e s ps y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e di d e aa n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed i f f e r e n ts o f t w a r e m o d u l e sa n dd e s i g nt h es o f t w a r eo fe s ps y s t e m 4 t h i sp a p e rc o m p l e t et h eh a r d w a r e i n t h e - l o o ps i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so n t h ed e s i g no ft h ee s pc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yu s e di nt h i sa r t i c l ei s v e r i f i e d t h et e s tr e s u l t sv e r i f y ：a u t o m o t i v ee s pc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g ni s r e a s o n a b l ya n dp r a c t i c a b l e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yu s e db yt h es o f t w a r ei sc o r r e c ta n d e f f e c t i v e ，t h ee n t i r es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，e f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h ev e h i c l e l a t e r a lh a n d l i n gs t a b i l i t y k e y w o r d s ：e s p ；l x c o s - i i ；h a r d w a r e - i n t h e - l o o p ；v e h i c l ed y n a m i c ss t a b i l i t y 插图清单 图2 1 汽车电子稳定控制系统的工作过程示意图6 图2 2e s p 系统自动纠正轿车的不足或过度转向运动趋势一7 图2 3 汽车电子稳定控制系统的控制框图8 图2 4 七自由度非线性汽车动力学模型9 图2 5 二自由度车辆模型1 1 图3 1e s p 系统硬件设计结构框图1 4 图3 2l p c 2 2 9 2 最小系统原理框图1 5 图3 3 电源电路1 6 图3 4 复位电路16 图3 5 时钟电路1 7 图3 6j t a g 调试接口电路1 7 图3 7 电磁式轮速传感器的结构和工作原理图1 8 图3 8 轮速信号调理电路1 9 图3 9 电磁阀驱动电路2 0 图3 1 0 回液泵电机驱动电路2 0 图3 1l 制动踏板电路2l 图3 12 液晶显示电路21 图3 1 3c a n 总线通信电路2 2 图4 1 软件系统设计层次图2 4 图4 2 系统主程序流程图2 5 图4 3u c o s i i 硬件和软件体系结构2 6 图4 4 车身状态程序流程图31 图4 5 轮速捕获程序流程图一3 2 图4 6e s p 控制策略的流程图3 3 图4 7 电磁阀和回油泵电机控制流程图3 3 图5 1l a b v i e wr t 结构图3 5 图5 2l a b v i e w 中建立的轮胎仿真程序图3 5 图5 3l a b v i e w 中建立的硬件在环仿真程序图3 6 图5 4l a b v i e w 中建立的硬件在环仿真界面图3 6 图5 5 实时仿真平台构架示意图3 7 图5 6l a b v i e w 平台下的e s p 硬件在环试验方案3 8 图5 7p x i1 0 4 2 q 硬件系统3 9 图5 8e s p 控制单元电路图3 9 图5 9 轮速传感器、转向角度传感器和横摆角速度传感器3 9 图5 1 0b o s c he s p 的液压单元和改造的接口电路4 0 图5 1 l 方向盘转角一4 1 图5 一1 2 车速为4 0 k m h 时的e s p 仿真图一4 2 图5 一1 3 车速为9 0 k m h 时的e s p 仿真图一4 q 表格清单 表2 1 主动制动车轮选择策略1 3 表4 1 任务的优先级和功能 2 5 表5 1 部分车辆参数4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得金目巴王些态堂或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工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谢意。 学位论文作者签名：嗝缛尹 签字日期：力加年r a 厂n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王、业太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权 金旦曼互些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：2 杉年) 1r 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩弥极 签字日期：年月同 电话： 邮编： 致谢 在硕士学位论文即将完成之际，我深深感谢我的导师方敏教授。在我攻读 硕士学位的三年时间里，自始至终得到了方老师的精心指导和热情关怀。本论 文中的每一项研究成果，都凝聚着方老师的心血。方老师严谨求实的治学作风， 宽厚坦诚的待人之道，诲人不倦的师者风范，对教育事业满腔热情、无私奉献 的工作精神，无时不感染着我，教育着我，将使我受益终生，在将来的工作和学 习中，我将以方老师为榜样严格要求自己。同时，我还要感谢机械与汽车工程 学院的陈无畏教授，陈老师在学术上给了我许多悉心指导和帮助，陈老师兢兢 业业、一丝不苟的工作精神，给我留下了深刻的印象。 感谢我的父母，他们不仅给予我物质上的支持，而且在精神上鼓励我不断 超越自我，迎接新的挑战，正是他们的厚望和无私奉献使我能够全身心地投入 到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力与源泉! 感谢尹一鸣、罗来豹、刘震、陈良燕、张明、丁康、任文娟、吴镇宇、刘 翔宇、夏光、黄鹤、赵林峰以及8 0 5 a 所有的兄弟姐妹们在我的研究课题及论 文写作期间给予我的帮助。在此，祝他们前程似锦、事业有成! 感谢所有关心、帮助、支持我的人! 作者：喻海军 2 0 1 0 年4 月2 0 同 第一章绪论 1 1汽车主动安全性研究概况和意义 汽车的安全性从汽车诞生时就一直受到世人的关注，因为它不仅关系到人 们的生命和财产安全，也影响着人们的生活环境。近年来，随着汽车逐渐进入 普通入的家庭，导致驾驶员非职业化，使得交通安全成为摆在每个人面前的问 题，影响着每个人的生活。据统计【l l ，全世界每年有将近5 0 万人死于交通事故， 有1 0 0 0 多万人在交通事故中受伤，更是有数以百万的财产在交通事故中损失， 因此汽车的安全性在严酷的现实面前显得尤为重要。相比之下，我国的情况则 更为严重。从上世纪末开始我国汽车的产销量都以较高的比例增长，而自2 0 0 6 年以后汽车产销量的增长比例更是居高不下，即使在2 0 0 8 年出现全球金融危机 时汽车产量也达到9 0 0 多万辆，2 0 0 9 年的最终产销数字更是愈千万辆，达到1 3 5 0 万辆，产销量均跃居全球第一，同年年底全国机动车保有量已超过1 8 6 亿辆。 巨大的汽车保有量导致的直接后果就是高死亡率的交通事故。2 0 0 1 年2 0 0 3 年，我国每年因道路交通事故死亡的人数均达1 0 万人以上；2 0 0 5 年2 0 0 8 年， 因交通事故死亡的人数占各类事故死亡总人数的8 0 左右；仅2 0 0 8 年，我国就 发生一次死亡3 人以上交通事故1 2 9 0 起，一次死亡5 人以上道路交通事故2 5 0 起。 a d u i 公司1 2j 的调查研究表明，由于现代汽车的行驶速度越来越快，导致的交通 事故也随之上升。汽车速度到8 0 k m h 和1 0 0 k m h 之间时，交通事故中有4 0 的死 亡率与急速转向有关；而速度达到1 6 0 k m h 以上时，交通事故的死亡率与急转 的关系近似达到1 0 0 。因此，我们要通过不断的提高汽车的横向稳定性才可以 减少交通事故和人们的经济与财产损失。所以如何提高汽车的安全性就成为当 今科研人员的当务之急。 主动安全性和被动安全性是汽车行驶安全性问题的两大分类。汽车行驶的 被动安全性问题是指车内的保护系统在汽车发生危险情况才开始工作来保护 乘客的安全，使乘客所受到的伤害降到最低程度。智能安全带系统，安全气囊 就是其具有代表性的技术1 3 j 。汽车被动安全性技术和措施在时代和技术不断发 展的步伐中已逐渐显露出其不足之处，不能满足现代汽车对汽车安全性的要 求，因此把汽车被动安全技术发展成为以“预防”为核心的汽车主动安全技术是 当今社会汽车领域里亟待解决的难题之一。 汽车行驶的主动安全性是指在汽车发生危险情况之前就主动介入进行干预 的性能，是根据汽车的整体结构来进行设计的。轮胎性能、制动性能、操纵稳 定性能等都属于汽车主动安全性的范畴。其中最重要的当然是操纵稳定性，它 已经成为汽车主动安全的主要指标。因此在当今计算机技术和电子技术飞速发 展的前提下，汽车操纵稳定性的研究成为当前汽车主动安全性技术的研究重 点。 汽车安全性已经不仅仅是技术问题，在某种程度上也是一个社会问题。以 “预防”为主的汽车主动安全性越来越受到汽车生产厂商和驾驶人员的重视，因 此其技术也越来越受到政府和汽车研究人员的关注。目前在汽车上安装的主动 安全系统主要有驱动防滑系统( a s r ) 、汽车防抱死制动系统( a b s ) 、汽车电动 助力转向系统( e p s ) 和汽车电子稳定程序系统( e s p ) 等。汽车a b s 系统 4 3 - 4 5j 是通 过电磁阀和回油泵电机的动作来调节制动管路的压力，缩短制动距离，防止车 轮抱死而产生前轮不能转向或后轮侧滑，从而提高汽车的操纵稳定性的系统。 它已基本上成为现代汽车的标准配置，在提高交通安全方面做出重要贡献。汽 车a s r 系统【4 乱4 7 】也是应用于车轮防滑的，它是在a b s 之后才被研发出来的，是 a b s 功能的扩展和补充。它主要通过控制发动机的节气门开度，使发动机的输 出扭矩减小，从而防止汽车驱动轮打滑，以保证汽车行驶的稳定性【4 1 。汽车e p s 系统1 48 j 是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的动力转向系统。汽车e s p 系统能够 使汽车在高速行驶或低附着系数的路面上保持横向稳定性。它通过控制液压系 统对车轮制动，产生附加的横摆力矩，使汽车从转向不足或转向过度的轨迹上 回到驾驶员期望的轨迹上来。它是继a b s 和a s r 后汽车主动安全技术方面的又 一个里程碑。因此，欧洲很多新车都配备了该系统，在2 0 0 9 年3 月10 日召丌的 欧洲议会作出决定，n 2 0 l1 年1 1 月所有在欧洲注册的新商用车和乘用车都必须 配备e s p 系统，而从2 0 1 4 年1 1 月起所有新车都必须装配该系统。这些技术不断 进步和发展，一方面提高了汽车行驶的稳定性和驾驶人员的舒适性，另一方面 也大大降低了交通事故发生的几率。而我国的汽车主动安全技术远远落后于欧 美只等发达国家，技术投入与热情也远远没有发达国家高，因此加强汽车主动 安全技术的研发对我国汽车业的发展和减少交通事故维持社会稳定有重要意 义。 1 2 汽车e s p 系统的研究现状 到目前为止，汽车动力学稳定性控制系统还处于发展中，国际上还没有给 出统一的命名。汽车电子稳定程序( e s p ) 是德国b o s c h 公司对其的命名；汽车稳 定性控制系统( v s o 或汽车稳定性辅助系统( v s a ) 是丰田公司对这一系统的命 名；而汽车动力学稳定性控制系统( d s c ) 则是宝马公司对这一系统的命名。虽 然不同的公司对其命名也不尽相同，然而在设计目标、控制策略、追求的性能 上大体还是差不多的。 1 2 1国外e s p 系统的发展概况 由a b s 和t c s 逐渐发展起来的e s p 控制系统是上世纪末起源于德国的。到今 天其技术已经相当发达，在国际上一直占据领先和主导的位置。紧随其后的是 日本和美国，他们也具备独立生产这种产品的能力。 汽车e s p 系统是在a b s 和t c s 的基础上经历了数十年的发展，从理论的提出 2 逐渐发展成为控制汽车稳定性的电子部件，对汽车行驶的安全性提供可靠的保 障。h e e b 和m c l e l l a n 等提出的控制方法为现有的稳定性控制提供了理论基础。 h e e b 等人提出采用集成控制的方法来控制车辆的操纵稳定性，即把a b s 、a s r 、 悬架和转向系统集成到一起进行控制；m c l e l l a n 等人则利用反馈回来的驾驶员 期望轨迹和实际轨迹之间的差别来控制车轮滑移率，从而进行车辆的稳定性控 制。 有了以上的这些理论为基础，一些公司开始研发其产品。最初的汽车电子 稳定性控制的思想只是把a b s 和t c s 结合起来，改进控制算法，对汽车进行控 制，解决了汽车稳定性的一部分问题，还有很多问题未能解决。因此，此时的 控制系统还不可以称为汽车e s p 系统。2 0 世纪9 0 年代初，一些著名汽车公司开 始研发其产品，提出对汽车进行直接横摆运动控制( 即d y c ：d i r e c ty a w c o n t r 0 1 ) ，它是通过采集方向盘转角传感器信号，计算出驾驶员的期望轨迹， 然后和通过车速和横摆角速度传感器信号计算出的汽车实际轨迹相比较，进行 控制车轮的制动力，产生附加横摆力矩，使汽车回到期望轨迹上来。第一个e s p 系统应用的传感器较少，参数计算的方法也受到一定的限制，所以很难保证汽 车在复杂的工矿下也能稳定行驶。其后，b m w 公司和b o s c h 公司联手推出第 一代汽车电子稳定控制系统。19 9 4 年两家公司又推出第二代系统，该系统不仅 仅检测横摆角速度，同时也检测左右车轮的轮速差，联合a b s 和t c s 的控制算 法对汽车进行控制。19 9 5 年，e s p 的概念正式由b o s c h 公司提出【5 】【6 1 ，这一年 才是真正意义上的汽车稳定性控制诞生的一年。同年，日本的t o y o t a 公司也 提出了自己的汽车稳定性控制系统概念【7 】，并称其为v s c ；福特公司也从理论 上提出了b s s ( b r a k es t e e rs y s t e m ) 的概念。到1 9 9 6 年，b o s c h 公司与b m w 公司 再次合作推出基于横摆角速度和质心侧偏角联合控制的第三代系统，使得汽车 的行驶稳定性更加安全可靠。从1 9 9 8 年开始，b o s c h 公司的e s p 系统已可以对 所有方式驱动的汽车进行稳定性控制。而此时丰田研发出了自己的v s c 系统； 奔驰推出了e s p 系统，并安装到奔驰系列轿车上，成为奔驰汽车的标配；卡迪 拉克成为美洲的独立生产厂商，推出了产品s t a b i l i t r a ks y s t e m 。 1 2 2国内e s p 系统的发展概况 在我国，汽车动力学稳定性控制系统的研究开始的较晚，到目前为止，还 没有一个能够生产这种产品的厂商。近两年，国产轿车中有一些开始装配该系 统( 如奇瑞a 3 、东风雪铁龙凯旋系列轿车) ，但是他们都是通过购买国外的产 品装配到自己的汽车上，没有独立生产这种产品的能力。而国内的一些研究人 员主要集中在该系统的理论研究上。文献 8 】利用p i 控制算法，用横摆角速度和 质心侧偏角为被控变量对汽车动力学控制系统进行了仿真研究。文献f 9 1 f 10 1 简 要分析了e s p 原理，采用逻辑门限值控制算法，对车身侧偏角进行控制，并进 行了虚拟的仿真试验。文献1 11 利用最优控制理论设计横摆力矩控制策略和车 轮制动力分配策略，用模糊理论设计滑移率的分配算法，在m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真研究。文献【1 2 】利用模糊逻辑估计了汽车行驶过程中的侧偏角，并 利用侧偏角的偏差进行反馈控制。文献 1 3 】利用横摆角速度和侧偏角偏差的反 馈来设计控制器，用硬件在回路仿真技术建立e s p 试验台进行试验。近些年， 模糊控制、神经网络、自适应等智能控制方式也被应用到汽车e s p 的控制中。 不仅国内研究人员对e s p 系统进行了研究，许多高校和汽车公司也对e s p 系统进行了研究。合肥工业大学通过汽车底盘集成控制对e s p 系统进行了模拟 仿真研究，而其他的高校( 如清华大学、吉林大学和同济大学等) 也分别从控 制算法或e s p 控制方法的实现方面做了验证和仿真研究。而国内的一些汽车公 司( 如济南捷特汽车电子研究所、上海汇众汽车制造有限公司和中国重汽集团 等主要从理论仿真和硬件在环这两个方面对e s p 系统进行研究。 1 3汽车e s p 系统的控制方法简介 汽车e s p 系统是一个复杂的非线性系统，要控制好这样一个系统，考虑的 因素必然很多，然而，考虑的因素越多控制的效果也就越差，因此要解决好这 样的矛盾就须要做一些简化并选择合适的控制方法，而后者的选择更为重要。 通过阅读大量的文献资料显示，目前应用于汽车稳定性控制的方法有很多，既 有经典的控制方法，也有现代的控制方法和智能控制方法。以下是归纳出的一 些主要控制方法，有逻辑门限值控制、普通p i d 控制【2 0 】以及基于数学模型的状 态控制或最优控制【l5 1 ，还有一些智能控制方法，如：模糊控制【l6 1 、神经网络控 制、滑膜变结构控制【1 7 】【1 8 】以及自适应控制【1 9 】等。 自7 0 多年前p i d 控制方法诞生后，凭其结构简单、工作稳定可靠、易于调 整的特点迅速被应用到各种工业控制中，尤其是那些不能被完全了解的控制系 统。由于以上的一些优点，p i d 控制在e s p 系统中应用的较早，其关键问题就是 对p ，i ，d - - - 个参数的选择和整定，一旦三个参数被确定，控制的效果也就随 之被确定下来。它的不足之处就是不便于在不同的汽车上移植，即对于一个汽 车系统参数被确定后，控制逻辑就被确定，而对于另外的汽车系统就不在适用 了。 状态控制和最优控制都是以汽车的动力学模型为基础的，然后确定系统的 控制变量对系统进行控制。理论上说控制效果会很好，实际却不是这样，因为 汽车的动力学模型是经过简化而抽象出来的，忽略了许多行驶中的实际因素， 导致模型与实际汽车有很大差别，因此控制效果不理想也就可想而知了。 采用语言型控制规则的模糊控制是以现场操作人员或专家的知识为依据， 不需要精确的数学模型而做出判断决策的控制系统。它的不足之处就是操作人 员的经验或专家的知识，因为这些经验或数据对不同的汽车系统是难以确定和 得到的，因此模糊控制在现实中难以实现。 4 由于逻辑门限值控制方法是一种使用历史最长久的控制方法，b o s c h 公司 最早研发的e s p 系统就是运用这种控制方法实现的。其原理简单，它采用一些 参数( 如横摆角速度、质心侧偏角) 的门限值进行控制，并附加一些辅助门限， 这对于非线性系统是一种有效的控制方法。实现方便，在汽车动力学稳定性控 制中得到了应用。所以本文就是运用逻辑门限值控制方法对汽车e s p 系统进行 研究。 1 4本文研究的主要内容 汽车e s p 系统是当今社会汽车主动安全方面研究的热点，它能在复杂的条 件下提高汽车的安全性。本文针对汽车动力学稳定性的特点，以传统的逻辑门 限值控制方法对汽车动力学稳定性进行硬件在环仿真研究，主要包括以下的具 体研究内容： ( 1 ) 了解了e s p 系统的原理和工作过程，分析了汽车系统的模型和e s p 的控 制系统结构，最后以实测的横摆角速度和理想的横摆角速度之间的偏差为控制 器的输入变量，用逻辑门限值控制算法实现对e s p 的控制。 ( 2 ) 根据汽车e s p 系统控制的实时性要求，本文以支持实时仿真的3 2 位 a r m 处理器l p c 2 2 9 2 为核心，进行了基于逻辑门限值控制算法的e s p 控制器开 发，并扩展了外围硬件电路，包括：轮速调理电路、电磁阀和回液泵电机驱动 电路及液晶显示电路等。 ( 3 ) 在分析了嵌入式实时操作系统斗c o s i i 内核和该操作系统移植的基础 上，设计了系统的软件，讨论了“c o s i i 在l p c 2 2 9 2 微处理器上的移植，编 写了系统控制程序。 ( 4 ) 通过l a b v i e w 的硬件接口将e s p 的控制e c u 与p x i 主机相连，对 l a b v i e w 中建立的车辆模型进行控制，检验本文中所使用的控制策略和设计 的e c u 是否有效。 第二章汽车e s p 系统分析 汽车的行驶速度太快或路面附着系数太低时突然转向造成交通事故的概率 是很高的，而汽车在行驶时又是个非常复杂的系统，那么要对这个系统进行控 制是非常困难的，因此要对汽车进行简化，建立适合的汽车模型进行研究。本 文设计的e s p 系统是采用逻辑门限值比较的控制方法，以方向盘转角为输入， 以横摆角速度的偏差为被控变量对汽车进行硬件在环仿真试验的。本章确定了 汽车e s p 的控制结构，分析了汽车e s p 的动力学模型和逻辑门限值控制的控制策 略，为第五章在l a b v i e w 软件平台下设计的车辆模型和硬件在环仿真试验做 准备。 2 1 汽车e s p 系统的原理和工作过程 汽车e s p 系统由中央处理单元( e c u ) 及转向角度传感器、轮速传感器、横摆 角速度传感器和液压控制单元组成。其目的就是通过采集传感器信号，然后进 行计算，最后通过实时控制预防汽车出现危险情况。 在汽车行驶过程中，转向角度传感器感知驾驶员期望的转弯方向和转向角 度，轮速传感器感知车轮的转速，而横摆角速度传感器则感知汽车的横摆角速 度。电子控制单元e c u 在了解这些信息之后，通过由转向角度和轮速计算判断 驾驶员期望汽车行驶的轨迹和由横摆角速度判断的汽车实际行驶轨迹之间的偏 差，然后e c u 向液压单元的电磁阀和回油泵电机发出控制信号，修正汽车的过 度转向或不足转向，以避免汽车失稳，从而保证汽车的行驶稳定性。 汽车电子稳定控制系统能够负责实时监控汽车的行驶状态。其工作过程如 图2 1 所示。 驾驶员竺竺塞里一j i 汽车行驶路线i 厂 广 i 测方向盘i 侧车轮1i 测横摆角 转角转速 i 速度 宦堇区量 e 苤区蓝 图2 - l 汽车电子稳定控制系统的工作过程示意图 6 汽车动力学稳定性控制措施如削2 - 2 所示。通过比较横摆角速度和前轮转角 判断汽车的转向情况。一旦出现不足转向或过度转向，就启动e s p 系统进行控 制。 在不足转向时，电子控制单元( e c u ) 会发出控制信号，对转向内侧的两 个车轮进行同时制动那么这两个车轮受到得侧向力会减小，纵向力迅速增大， 广：生一个与横摆运动方向一致的附加力矩来纠正汽车的转向不足。 在过度转向时，电子控制单元( e c u ) 同样会发卅控制信号，对转向外侧 的两个车轮进行同时制动制动力产生一个横摆力矩，该力矩与横摆运动方向 + 甘反，纠限了汽牟的过度转向。 冯车偏禹朋单的行驶轨连时e s p 动作 图2 2e s p 系统f l 动纠止轿乖的不足或过度转向运动趋势 所以汽车电予稳定控制系统( e s p ) 就足通过不断比较检测到的汽车实际 行驶状态和期望状态，对汽车行驶时是否稳定作出判断及时控制汽车的失稳 状况，保证汽车能够稳定行驶。 2 2 汽车e s p 控制结构 汽车 乜了稳定控制系统是由传感器、巾央控制处理单元e c u 和执行器三大 部分组成。图2 - 3 为其控制系统框图。 圄 ”回 6 匪塑至斗5 _ 磊习“- 哼。叵”4 7 r 丽五订 轮速传感嚣h 尉 一 d 整车 方向盘转角 隰弭 图2 3 汽车电子稳定控制系统韵控制框图 在汽车e s p 的控制框图中，控制器是以理想的横摆角速度v d 和实际的横摆 角速度t 的偏差为被控变量，以开关量为输出变量，用来控制整车中的液压控制 单元对车轮制动从而调整汽车的运行姿态；整车是包括液压单元、制动管路 和制动器的汽车模型；传感器包括轮速传感器、转向角度传感器和横摆角速度 传感器分别用来枪测轮速v 、转向角度6 和横摆角速度v ：信号处理主要是对 传感器输出的信号进行滤波、整形等处理；参考模型是用来计算理想的横摆角 速度。其中，虚线框中的部分即为e s p 系统的电子控制单元e c u 。 2 3 汽车动力学模型的分析 23 1 汽车动力学模型 本文采用基于如图2 4 所示的七自由度非线性汽车动力学模型，这里的七自 由度包括纵向、侧向、横摆和四个车轮的回转运动。 图2 4 七自由度非线性汽车动力学模型 通过对上图进行受力分析，根据牛顿力学定律和运动学知识，整车力学特 性可用下面的方程描述： 纵向动力学方程为： m ( t i v r ) = ( + ) t o s s + f = , + 如一( + ) s i n 8 ( 2 3 1 ) 横向动力学方程为： 肌( 帚一u r ) = ( + ) s i n s + + 一( 嘞+ ) c o s 8 ( 2 3 2 ) 横摆动力学方程为： 易户= ( + ) s i n 8 。0 一( r c r f x ：) c o s 8 寺q + ( + ) c o s 万0 + ( 一) s i n 万告d 一( + ) 卜( 如一e ，) 三q ( 2 3 3 ) 左前轮运动方程： 厶呶，) 2 乃( ，) 一c ( ，。，) 。彤一吩( ，) 一瓦( ，) ( 2 3 4 ) 右前轮运动方程： 厶噍，) = 乃( ，r ) 一只( ，r ) 一吩( ，) 一瓦( ，) ( 2 3 5 ) 左后轮运动方程： 9 厶礅，) = 一e ( ，) i 。吃一吩( 一) 一瓦( r ，) 右后轮运动方程： ( 2 3 6 ) 厶嗷r r ) = 一只( r ，) 吃一吩( r r ) 一瓦( r ，) ( 2 3 7 ) 式中万为转向轮转向角，r a d ；f x 为纵向轮胎力，n ；f y 为横向轮胎力，n ； f w 为阻力，n ：i i ，i r 分别为汽车重心至前后轴的距离，m ：d r ，d r 分别为前后 轮距，m ；v 为汽车速度，m s ；t l 为汽车在固定坐标系下的纵向车速，m s ；v 为汽车在固定坐标系下的侧向车速，m s ；y 为汽车的横摆角速度，r a d s ：m 为 整车质量，埏： d 为轮胎半径，m ：i z 为整车转动惯量，k g m 2 ：m f 为汽车滚 动摩擦阻力矩，n m ；j w 车轮转动惯量，k g m 2 ；t a 、t b 分别为驱动力矩与制 动力矩，n m ；( 7 ，- ，) 为各轮转动角速度，r a d s 。 2 3 2 轮胎模型 d u g o f f j 线性轮胎模型既可以替代f i a l a ( 1 9 5 4 年) 的理论模型计算侧向力， 也可以代替p a c e j k a 和s h a r p ( 1 9 9 1 年) 的经验模型计算纵滑、侧偏联合工况下的侧 向力和纵向力。 因为轮胎的纵向刚度与侧向刚度差异很大，所以该模型较其他的模型有一 个突出的优点是在横向和纵向允许有独立的轮胎刚度值。它所需的参数较少， 能较好的表达出轮胎的非线性特征【2 3 1 ，表达式如下： 毛。z 吒_( 江f t ，夕，r r ，) ( 21 r 、 f x i = 少c y i 0 = ，夕，) 肛p 筹，筹 虼 竽 和竽 其中，吒，轮胎的纵向和侧向刚度； 口一轮胎侧偏角； 吒轮胎的垂直载荷； 墨，轮胎滑移率； 舶路面最大附着系数； 各轮的侧偏角表达式如下： l o ( 2 3 9 ) ( 2 3 1 0 ) 一一n “【詈差 ，一8 , ，+ t a n - i 【詈引 233 参考模型 汽车线性二自9 a 度模型描述汽车的转向特性是比较理想的，结合轮胎模型 对汽车稳定性的f 2 , n t h 是有效的。所蚍计算汽车的期望轨迹采用_ 二自由度模型 是合适的。本文从实际需出发，将整车模型简化成二自由度的参考模型即横 向平移运动以及绕z 轴的横摆运动2 个自由度【4 ”，米计算汽车的期望轨迹。一自 由度模型如冈2 - 5 所i f , 。 f ， 厶，0 矿一) 参 f ， ! r _ r 以 ， 1 图2 5 一自由度车辆模型 分析时做如下假没： 忽略汽车转向系统的影响，直接以前轮转角作为输入，卞且认为左、有转 向轮转角相同； 忽略汽车悬架系统的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的运动，即汽车 沿z 轴的位移为0 ： 汽车沿x 轴的前进速度v 视为不变； 汽车绕y 轴的俯仰角和绕x 轴的侧倾角均为0 。 分析时，令车辆坐标系的原点与汽车质心重台。 车辆二自由度线性模型表达式如下： m h p + n = f 口c o s 6 f + f f 。t ，2 o 。0 3 一i ( 2313 ) 考虑到。7 较小渗考模型方程可表为： 啪 n = f 口+ f 、i z = 1r f 口? f y ? ( 2 3 1 4 ) 其中汽车前轮和后轮所受到的侧向力与其相应的侧偏角成线性关系，即： 式中： ( 2 3 1 5 ) ( 2 3 1 6 ) ( 2 3 1 7 ) 将2 3 1 5 、2 3 1 6 、2 3 1 7 代入2 3 1 4 得二自由度汽车运动微分方程为： ( xm v ( f l + n = 一k f ( f l + lr ) ，iv 一6 f 、一k r ( 罗一l r r li z5 2 k ：( p + l ：r v 一0 ) 0 + 2 k r