硕士论文-汽车abs控制算法及基于arm的控制器开发研究.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 汽车ABS控制算法及基于ARM的控制器开发研究 姓名：黄明 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：王其东 20090301 汽车A B S 控制算法及基于A R M 的控制器开发研究 摘要 汽车防抱死制动控制系统( A B S ) 是改善汽车主动安全性的重要装置，在汽 车日益普及的今天，它的应用更为广泛和具有重要意义。作为制动系统中的闭 环控制装置，它能防止制动过程中的车轮抱死，以保持车辆的方向稳定性和减 少轮胎磨损。A B S 的主要部件有：液压调节器、轮速传感器和用于信号处理、 触发报警灯和控制液压调节器的E C U 。 本文首先简要介绍了A B S 的发展历史和基本功能，整个系统的基本结构及 其控制原理。利用M A T L A B S i m u l i n k 建立各部件的模型，包括单轮旋转动力学 模型、1 2 车辆纵向动力学模型、7 自由度整车模型、车辆制动器模型。 分析A B S 控制方法，建立A B S 滑模变结构控制系统模型。将滑模变结构控 制和传统逻辑门限控制进行比较。在高附着系数路面上可以看出滑模变结构控 制较传统逻辑门限控制能进一步缩短制动距离。进一步地，利用相同制动力在 不同附着系数路面上引起的车轮角减速度不同的特点，在线修正目标滑移率， 仿真结果显示获得了更好的制动效果。 根据防抱死制动系统的工作原理，以A R M 单片机L P C 2 2 9 2 为核心，完成了 轮速信号调理电路、电磁阀和回液泵电机驱动电路等电路的设计，阐述了A B S 各功能模块软件的设计思想和实现方法，完成了防抱死制动系统的硬件和软件 设计。 最后，自主设计的控制器在某车型上进行了替换试验。试验结果表明：自 主开发的A B S 控制器满足了制动防抱死功能的需要，各项试验指标皆与原装A B S 接近。 关键词：防抱死制动系统路面识别控制器A R M 道路试验 S t u d yo fA n t i l o c kB r a k i n gC o n t r o lA l g o r i t h m E l e c t r o n i c C o n t r o lU n i tD e v e l o p m e n tB a s e do nA R M A B S T R A C T A n t i l o c kB r a k i n gS y s t e m ( A B S ) i sa ni m p o r t a n td e v i c et oi m p r o v et h ea c t i v e s a f e t yo fv e h i c l e W i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v et o d a y ，i t ss i g n i f i c a n c eh a s b e e nr e g a r d i n gm o r et h a ne v e r A n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( A B S ) i sb r a k i n g s y s t e m c l o s e d l o o pc o n t r o ld e v i c ew h i c hp r e v e n tw h e e ll o c kw h e nb r a k i n ga n d ，a sar e s u l t ， r e t a i nt h ev e h i c l e S s t e e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t y T h e m a i nc o m p o n e n t so fA B S i n c l u d i n g ：h y d r a u l i cm o d u l a t o r ，w h e e ls p e e ds e n s o r ，a n dE C Uw h i c hu s e d t o p r o c e s s i n gs i g n a la n dc o n t r o l l i n ga c t u a t o r s F i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n db a s i cf u n c t i o no ft h ea n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e ma n dt h ew h o l es t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fs y s t e ma l s ob e e n m e n t i o n e d A c c o r d i n gt oM A T L A B S i m u l i n k ，t h ec o m p o n e n t s m o d e l sh a v eb e e n e s t a b l i s h e d ，w h i c hi n c l u d i n g ：s i n g l ew h e e ld y n a m i cm o d e l ，s e m i c a rb r a k i n gm o d e l ， s e v e nf r e e d e g r e ew h o l ec a rm o d e l ，a c t u a t o rm o d e l S e c o n d l y ，e s t a b l i s ht h eS M C m o d e lo fA B Sa f t e ra n a l y z i n gc o n t r o la l g o r i t h m s M o r e o v e r ，C o m p a r et h eS M Cc o n t r o le f f e c tw i t ht r a d i t i o n a ll o g i c a lc o n t r o le f f e c t T h es i m u l a t i o nr e s u l tc l e a r l ys h o e st h eb e t t e re f f e c t i v e n e s so fS M Ca p p l i e d B a s e d o nt h ev a r i e dw h e e la c c e l e r a t i o no nt h ed i f f e r e n tr o a ds u r f a c ew h e na p p l i e ds a m e b r a k i n gf o r c e ，a na l g o r i t h mf o ri d e n t i f y i n gr o a ds u r f a c eh a sb e e ni n v e n t e d T h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h eb r a k i n gd i s t a n c eh a sb e e ns h o r t e na p p a r e n t l ya f t e r a p p l i e d t h er o a di d e n t i f i c a t i o n T h ed r i v ec i r c u i to fe l e c t r o m a g n e tv a l v ea n dp u m pm o t o r ，t h ec i r c u i tf o r p r o c e s s i n gw h e e ls p e e ds i g n a l ，a n dt h ed i a g n o s t i cc i r c u i ta r ed e s i g n e db a s e do n A R Ms e r i e ss i n g l ec h i pL P C 2 2 9 2 T h ed e s i g ni d e aa n dm e t h o do fe v e r ys o f t w a r e m o d u l ei nA BSi ss e tf o r t h F i n a l l y ，t h eo r i g i n a lE C U h a sb e e ns u b s t i t u t e db ys e l f - d e v e l o p m e n tE C U ，a n d t h er o a dt e s tc a r r i e do u t T h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ee f f e c to fs e l f - d e v e l o p m e n t E C U ，a n de a c ht e s tt a r g e ti sa p p r o a c ht ot h en a t i o n a ls t a n d a r d K e yw o r d s ：A n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ；r o a de s t i m a t i o n ；E C U ；A R M ；r o a d t e s t 插图清单 图卜1 防抱死制动系统示意图：2 图2 1 汽车单轮动力学模型5 图2 2 汽车半车制动模型 6 图2 3 七自由度整车动力学模型7 图2 4 液压对角线双回路制动系统8 图2 5 制动力矩变化曲线9 图2 6 魔术公式拟合曲线11 图3 1 不同路面滑移率和附着系数关系13 图3 2 路面识别系统原理图1 5 图3 3 切换面上运动点特性1 7 图3 4 滑模变结构控制模型图2 0 图3 54 0 k m h 制动初速下的试验曲线2 1 图3 65 0 k m h 制动初速下的试验曲线2 4 图3 76 0 k m h 制动初速下的试验曲线2 2 图3 8 车身纵向加速度变化曲线对比2 2 图3 9 制动距离对比2 2 图4 一l A B S 硬件结构框图2 4 图4 2A R M 引脚接线图2 6 图4 3I R Q 中断处理过程2 8 图4 4 轮速传感器安装图3 3 图4 5 轮速信号调理电路3 4 图4 6 电磁阀驱动电路3 5 图4 7 回液泵电机驱动电路一3 6 图4 8 制动踏板电路3 7 图4 9 A B S 控制器实物图3 7 图4 一1 0 系统主程序流程图3 8 图4 一l l 车轮加速度测量原理图3 9 图4 1 2 车轮加速度计算初始化程序流程图2 4 0 图4 1 3 防抱死控制逻辑流程图4 6 图5 1 实车道路试验测试系统搭建图4 4 图5 2 D S P S 系统构成图4 5 图5 3D S P S 系统主界面4 5 图5 4V G 4 0 0 陀螺仪4 6 图5 5 试验车和车速传感器4 9 图5 6D S P S 测试仪正视图和后视图4 9 图5 7h M - 2 6 0 0 s 数据采集器正视图和后视图4 9 图5 8 踏板传感器安装位置4 9 图5 - 9 陀螺仪安装位置4 9 图5 1 0 自行开发A B S 电子控制单元5 0 图5 1 l 改装后的A B S 液压调节器5 0 图5 1 2 改装后A B S 液压调节器安装位置5 0 图5 13h M - 2 6 0 0 s 汽车性能试验系统界面5 0 图5 1 4 测试系统装车试验总图j 5 0 图5 1 58 0 k m h 制动初速无A B S 控制5 2 图5 1 68 0 k m h 制动初速自主开发A B S 5 2 表格清单 表3 一l 汽车结构参数表2 1 表3 2 不同控制方法制动距离对比2 2 表4 1 引脚连接模块2 6 表4 2 引脚选择寄存器功能2 7 表4 3 引脚功能描述2 9 表4 4 捕获匹配寄存器功能3 0 表4 5 定时器功能3 l 表5 一l4 0 k m h 制动初速下紧急制动试验结果5 1 表5 26 0 k m h 制动初速下紧急制动试验结果5 1 表5 38 0 k m h 制动初速下紧急制动试验结果5 1 表5 48 0 k m h 制动初速下紧急制动试验结果对比5 1 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志和致谢的地方外，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 金胆量些太堂 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。 学位论文作者签字：名参霜目 签字日期：z 一阵畅f ，缪日 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些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金壁王些态堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名：横d d 签字日期：加9 年尹月，莎日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩躲渺气 签字日期刎年哗月r 日 l 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王其东教授。在我攻 读硕士学位的三年时间里，自始至终得到了王老师的精心指导和热情关怀。本 论文中的每一项研究成果，都凝聚着王老师的心血。王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，我将以王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! 感谢秦明辉、刘罡、初长宝、祝辉、赵林峰、刘翔宇、秦炜华、骆涛、章 贵华、江迎春、周慧会、王祺明、朱茂飞、夏光、何艳则、李芳龙、夏云峰、 张伟峰、吕春天、吕风明在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! 最后要感谢机械与汽车工程学院的王荣贵老师、胡延平老师、唐永琪老师、 王文平老师和实验室其他老师在我的实验过程中给予的大力支持。 感谢所有关心、帮助、支持我的人! 作者：黄明 2 0 0 9 年3 月2 0 日 第一章绪论 随着汽车车速的提高和人们安全意识的增强，车辆的制动性能越来越受到 广大消费者的关注和政府的重视。A B S 就是在这样的一个背景下得到越来越广 泛的应用。防抱死制动系统( A B S ) 是制动系统中的闭环控制装置，能有效防止 车轮在制动过程中的抱死现象，以保持车辆的转向能力和方向稳定性。A B S 的 主要部件有：液压调节器、轮速传感器和用于信号处理、控制以及触发液压调 节器的电控单元( E C U ) 。 1 1A B S 的主要功能 汽车防抱死制动系统，简称A B S ( A n t i - L o c kB r a k i n gS y s t e m ) ，是现代汽 车制动系统的关键电子控制部件。它是在汽车制动过程中，防止车轮完全抱死， 提高汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离的一种安 全装置心】。A B S 的功能概括起来主要有以下几点： ( 1 ) 提高制动过程中汽车行驶的方向稳定性。车辆制动时如果前轮抱死拖 滑，车辆就失去了转向操纵能力，只能按惯性力的方向运行，无法避开行人和 障碍物。A B S 则可以通过防止前轮抱死拖滑，避免出现车辆丧失转向能力的现 象。 ( 2 ) 缩短制动距离。A B S 作用下能够充分利用纵向峰值附着系数和较大的 侧向附着系数，在轮胎和地面间产生最大的地面制动力，从而缩短制动距离。 ( 3 ) 改善车辆制动时的横向稳定性能。如果车轮抱死，横向附着系数( 也 称侧向附着系数) 就非常小，车辆极易侧滑。A B S 把滑移率控制在1 0 2 5 之间， 横向附着系数较大，能产生足够的侧向力抵抗横向干扰。 ( 4 ) 减小轮胎的局部磨损，延长轮胎使用寿命。车轮抱死拖滑会造成轮胎 局部磨损加剧，缩短轮胎的使用寿命，而防抱死装置可以防止这种情况的出现。 1 2A B S 基本结构和工作原理 A B S 作为汽车上最重要的电控装置之一，它的类型也较多，但基本都是由 电子控制单元( E C U ) 、液压调节单元、车轮转速传感器等组成( 如图卜1 所示) 。 其中，电子控制单元是A B S 系统的神经中枢，它接受轮速传感器信号，并通过 计算、分析、判断后对液压调节单元发出相应控制指令。另外电子控制单元对 整个系统还具有监测功能：液压调节单元的作用是接收E C U 的指令，驱动液压调 节器中的电磁阀动作( 或电机转动) ，调节各制动轮缸的制动压力，使车轮始 终处于边滚边滑的状态；轮速传感器是A B S 系统中最重要的一个传感器，其作 用是检测车轮转速信号的变化心3 。 I 笙竺塑翌垄l 图卜1 防抱死制动系统示意图 一般制动情况下，驾驶员施加在制动踏板上的力较小，车轮不会出现抱死， A B S 不工作。此时就如常规的制动系统，地面制动力完全通过驾驶员施加在制 动踏板上的力来决定。当出现紧急制动或在湿滑路面上制动时，A B S 将开始工 作。工作过程如下；制动开始时，轮缸压力骤升，车轮转速迅速下降，车轮滑 移率在极短时间内到达最优滑移率切胁，。此时E C U 判断出车轮抱死趋势并发出 控制信号到液压调节器降低制动压力，减小车轮制动力矩，使车轮滑移率下降 到A , o p t i m a l 附近的稳定区域，压力保持，车轮转速上升j 而当车轮的角加速度超过 某一值时，增大制动力矩，车轮转速将下降，滑移率将上升。A B S 系统就按上 述“压力降低一压力保持一压力升高一压力保持一压力降低 循环往复将车轮 滑移率控制在l o p t t m a l 附近的稳定范围内，以获得最佳的制动效能和制动时的方向 稳定性。 1 3 A B S 发展历史和现状 1 3 1A B S 的发展历史 尽管A B S 早就开始应用于火车与飞机，但其首次应用于汽车却是在1 9 5 4 年 F o r d 公司把法国生产的民航机用A B S 装配在林肯牌轿车上 I5 。2 0 世纪6 0 年 代末期和7 0 年代初期，一些电子控制的防抱死制动系统开始进入产品化阶段。 如凯尔塞海伊斯( K a l s e - H a y e s ) 的两轮防抱死制动系统( S u r e T r a c k ) ；克 莱斯勒公司和本迪克斯( B e n d i x ) 合作研制的“S u r e - B r a k e ”。进入7 0 年代后 期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展极大地推动了A B S 技术的发 展。1 9 7 8 年博世公司为M e r c e d e sB e n z 配套生产了A B S 2 型，自此揭开了现代 A B S 生产的序幕。此后T e v e s 公司于1 9 8 4 年推出整体式A B S ，1 9 9 0 年德科( D e l c o ) 推出A B SV I ，使A B S 的生产不断走向成熟。而19 9 5 年博世公司生产的A B S 5 3 型，重量轻( 2 5 k g ) ，体积小( 1 0 0 m m 8 0 m m 1 6 0 m m ) ，采用微型混合电路， 可靠性好，标志着A B S 已进入成熟期，从而使A B S 作为汽车的标准配置已是不 容争辩的事实。而A B S 之所以迅速发展，是因为它在减少交通事故中发挥了重 要作用m 1 。 目前，在美国、西欧、日本等发达国家和地区，A B S 己成为轿车的标准设 2 备，装车率达到1 0 0 ；在大型客车和货车上A B S 的应用也日益普及。 1 3 2 A B S 的研究现状 随着电子技术和计算机技术的发展，A B S 理论研究的工作开始向更加纵深 的方向发展。8 0 年代末9 0 年代初，国外A B S 理论研究的力度加大，开始基于 现代控制理论进行研究与设计工作n 引。如把最优控制、模糊控制、神经网络控 制、自适应控制应用于A B S 控制逻辑的研制与开发，并试图解决A B S 控制机理 问题。G F M a u e r 和G F G i S S i n g e r 等人将模糊控制应用于防抱死制动的控制 3 1 。J R L a y n e ，K M ，P a s s i n o 和S ，Y u r k o v i c h 将模糊自学习引入了A B S 控制1 。 W K L e n n o n 和K M P a s s i n o 还设计了A B S 的智能控制器。C M a r o n 对A B S 系统 的液压调节单元控制机理进行了特别的研究。K M a s u g i 和J K a r l 运用自适应 滑模控制方法对在轮胎附着力饱和情况下的A B S 控制进行了研究。A B w i ll 和 S H u i 设计了滑模变结构控制器，并对比了其他控制方法的控制效果钔。研究 表明，在不同路面上最佳滑移率是有差异的。S K K o r o v i n 和V I U t k in 在基 于统计规律基础上进行了变滑移率控制的研究。此外，在各组成部件的模型建 立上也取得了一定的突破。早在2 0 世纪8 0 年代末，B a k k e r 和H B P a c e j k a 等 人就建立了魔术公式轮胎模型并将其用于车辆动力学的研究雎扪。2 0 世纪9 0 年 代末，P V a nD e rJ a g t 和A W P a r s o n 等人在基本魔术公式的基础上进行了大 量的试验，最后得到了不同路面和不同研究对象时魔术公式系数。A V a n Z a n t e n ，W D R u f 和A L u t z 对轮胎瞬时受力的测量和仿真进行了研究。S L e e 和J P C h r s t o s 等人对车辆行驶中的纵向、侧向动力学响应都进行了分析。 J S L o e b 等人对轮胎的侧向、纵向刚度进行了详细分析并进行了大量的试验。 G a r e t t ，A S o h l ，J a m e s 和E B o b r o w 对防抱死制动系统中的液压伺服系统进行了 详尽的研究晗 。 在国内，A B S 技术发展起步较晚，在理论研究和产品装车方面都与国外有 不小的差距。理论研究方面，吉林大学以郭孔辉院士为代表的汽车动态模拟国 家重点实验室在轮胎模型的建立上取得了大量的成就。清华大学汽车安全与节 能国家重点实验室的宋健教授等人针对A B S 做了多方面的研究。其中，在A B S 控制量、轮速信号抗干扰处理、轮速信号异点剔除、电磁阀动作响应等方面的 研究处于国内领先地位，并在产学研发展上走在了国内高校的前列。上海交通 大学的喻凡教授在A B S 控制策略研究方面作了大量的工作。合肥工业大学的陈 无畏、王其东教授等人在汽车底盘集成控制方面进行了长期的工作，并在控制 器开发方面积累了一定的经验。上海交通大学的余卓平等人在汽车动力学和 A B S 路面识别等方面都作了大量的研究。国内配套市场方面，比较有代表性的 公司有重庆聚能、浙江亚太、西安博华、武汉元丰等。但是它们的主要产品还 是集中在气压A B S 市场，目前还未出现有国内零部件厂商在液压A B S 领域的大 3 规模配套。 1 4 本文的研究目的和内容 1 4 1 研究目的 从理论上分析汽车防抱死制动系统的基本结构，建立各主要部件和控制系 统模型。设计滑模变结构控制器以实现制动系统的防抱死制动控制，改善紧急 制动时的制动效果，提高制动性能。设计汽车A B S 电控系统，并进行实车道路 试验验证所设计电控系统的有效性。 1 4 2研究内容 ( 1 ) 总结汽车防抱死制动系统的研究现状。 ( 2 ) 阐述防抱死制动系统组成和工作原理，分析A B S $ 0 动系统的工作特点。 ( 3 ) 建立汽车单轮旋转运动模型、半车制动模型、轮胎一路面模型、制动 器液压模型，分析不同路面下滑移率和附着系数关系曲线。 ( 4 ) 仿真不同控制方法在防抱死制动控制上的应用效果并进行比较。针对 不同路面上滑移率一附着系数关系曲线的差异，引入路面识别技术进行变滑移率 目标的滑模变结构控制，并进行高低附着系数路面的仿真。 ( 5 ) 基于A R M 平台开发A B S 控制器，完成轮速采集滤波、电磁阀泵电机驱动 电路、踏板电路等硬件电路设计和编写软件控制程序。 ( 6 ) 对自主开发的控制器进行装车试验，验证其控制效果并进行控制参数 的调节优化。最后，对各项工作进行总结并对下一步应努力的方向给出建议。 4 第二章A B S 系统动力学模型建立 汽车A B S 研究的内容主要是汽车纵向动力学及控制，作为一套完整的控制 系统，对其动力学模型的建立是整个研究的基础。模型是对所研究系统在某些 特定方面的抽象。通过模型对原型系统进行研究，是以计算机为工具对系统进 行实验研究的一种方法心6 1 。有了能反映系统实体本质特性和数量关系的模型 ( 特别是数学模型) ，就可以借助数学理论及计算机对系统进行分析和处理旧引。 在防抱死控制系统中，本文考虑的是在直线路面上的制动，所以对模型进行了 部分简化，主要以考虑车辆的纵向动力学为主。 2 1 车轮旋转动力学模型 本文所论述的A B S 系统属于四通道独立控制，在控制过程中各轮胎的动力 学性能基本相似。所以，以单个车轮为代表描述车轮制动过程中的动力学模型 ( 如图2 1 所示) 羔：一 图2 1 汽车单轮动力学模型 车轮的水平运动方程： F ：垅一d v ( 2 2 ) 4 破 车轮的旋转运动方程： c R 一瓦= ，。i d o ) ( 2 3 ) 车轮所受纵向摩擦力： E = l u C ( 2 4 ) 定义滑移率允： 旯：1 一璺坐( 2 5 ) 其中，J 为地面给轮胎的纵向摩擦力( 在制动过程中忽略滚动阻力的影 响) ，研为1 4 车辆的质量，R 为车轮半径，瓦为制动器制动力矩，J 为单个车 轮的转动惯量，为轮胎一路面附着系数，只为车轮的法向载荷( 此处忽略了 侧倾、俯仰等影响) ，兄为滑移率。 不同滑移率下路面的附着系数不同，所以附着系数是关于A 的函数，即 = ( 允) 。 综上所述，定义五2 痧，x 2 = 面，x 3 。旯；X ：防I ，而，j c 3 】r 。 得系统的状态方程为： X = A x + B U ( 2 - 6 ) 其中 A = 00 一二( 允) oo 冬E ( 允) 一了R 2t 1 。磊m ) 一条棚) U = 乃 B = 。一专 2 21 2 车辆纵向动力学模型 车辆制动过程中纵向加速度的突然增大( 绝对值) ，必然带来较大的轴荷 转移。有研究表明，车辆制动过程中，前制动系统担负整个制动工作的6 0 一7 0 ， 而后制动系统只担负3 0 一4 0 。这都是由于汽车俯仰和纵向加速度引起的轴荷 转移造成，所以对汽车半车模型的分析也尤为重要。 图2 2 汽车半车制动模型 图2 - 2 所示即为汽车制动过程中的半车模型。如图所示沿行驶方向的运动 微分方程为： 工 肘等= 一( E l + 磊2 ) ( 2 7 ) 口f 上式中M 是汽车的半车质量：E 。，圪：分别是汽车前轮和后轮的地面制动力。 受纵向加速度影响，前、后轮地面法向反力将会发生变化，这就是垂向载 荷在前后车轮轴的转移( 即轴荷转移) 。通常地，垂向载荷可由下式来描述： 疋I = t ，越 ( 2 8 ) 其中，t 。，E ：称为静态载荷，是汽车静止时车轮处的垂向载荷。幔称为 动态载荷。如前所述，对于半车模型而言，汽车制动减速度和车身的前后俯仰 运动是引起动载荷的主要原因。但是当不考虑悬架对制动系统的影响时，制动 减速度是影响车轮垂向载荷变化的主要因素。此时前、后车轮处的垂向载荷可 6 由下式给出： 易Fzl ( 2 9 ) 式中，a 、b 分别为汽车质心至前、后轴中心线的距离；J i l 为整车质心高度； 为轴距。 2 3 七自由度整车模型 汽车作为一个复杂的系统，包含了多个自由度。由于本文旨在分析汽车的 制动工况，而不考虑车辆的俯仰，垂向位移等情况。故采用7 自由度整车模型， 包括车辆质心纵向运动、车辆质心侧向运动、整车横摆运动、第i 个车轮的旋 转运动( i - - 1 ，2 ，3 ，4 ) 共七个自由度。通常运用于整车运动的分析，但是在 纵向动力学分析中，可以将前轮转角以O 度角代入进行计算。整车模型示意图 见图2 3 。 图2 3 七自由度整车动力学模型 V x2 b r + F 一, c o s 4 一s i n 4 ) ，。工- + 去善( 呲+ 嘲) ( 2 - 1 0 ) = - y 。, E t 盯( c o s 8 f 一s i n 6 , ) + l y , ( F 删s i n 8 f + c o s 6 f ) q = 去( 一互一“) 其中： 匕一一车辆质心纵向速度 b 一一车辆质心侧向速度 一一第i 个车轮上纵向力 7 L 三 忍 咖一出咖一出 M M + 一 己 易 西 蚓 垤 F 耐一一第i 个车轮上的侧向力 ，一一整车横摆角速度 鳓一一第i 个车轮的旋转角速度 以，六，一一分别是整车回转惯量和单个车轮的转动惯量 t - 2 如= 一，L ：2 ，t2 ( I t 是半轮距，默认前后轮距相等) l y I2l y 22 l ，1 y 3 。l r 4 = - t , ( 1 ，l r 是前后辅虱质心懿距离) 4 = 盈= 一万，国= 以= 0 2 4 车辆制动器模型 车辆制动时，车轮制动器对车轮产生制动力矩。因而制动器模型是用来计 算汽车各车轮在一定制动油压条件下输出的制动力矩。 在本文所研究的车辆模型中，所安装的前后轮制动装置不同，前轮是盘式 制动器，后轮是鼓式制动器。所以在相同的制动踏板力输入下前后车轮的制动 器制动力矩也不尽相同。该车所采用的制动油路为X 型液压对角线双回路制动系 统，布置如图2 4 所示，其中1 为制动踏板机构，2 为真空助力器，3 为串联式制 动主缸，4 、5 为制动回路，6 为前轮盘式制动器，7 为后轮鼓式制动器。 图2 4液压对角线双回路制动系统 建立制动油路模型，得到车轮分泵处输出油压和踏板力F 之间的关系， 从而得到分泵油压和时间t 的关系，迸一步利用制动器模型得到制动力矩毛 和时间t 的关系。不考虑油的弹性、油压传递滞后、制动盘和制动鼓的弹簧回 位力等其他因素的影响，得出输入踏板力，和输出油压气之间的关系为： P o = 4 Fi b r l B I t a D 2 ( 2 1 1 ) 式中： b 一一制动杠杆比 ，7 一一操纵机构效率 召一一助力器助力比 一一制动主缸直径 则单个前轮制动盘最大制动力矩为： = n z - P o o 哆D 矽2 4 ( 2 1 2 ) 式中： 夥一一单个夹钳制动油缸数目 。，一一制动盘制动效能因数 ，一一制动盘工作半径 谚一一前轮油缸活塞直径 若用K ，= n i d l B C s D r D 何2 D m 2 作为系数，则制动力矩为： L = K ，F ( 2 1 3 ) 单个后轮制动鼓最大制动力矩为： = 线C ，D ，D 。2 4 ( 2 1 4 ) 式中： 乙r 一一制动鼓制动效能因数 r 一一制动鼓工作半径 ：w r 一一后轮油缸活塞直径 若用K ，= i b ，T B C , D , D 。2 D 。2 作为系数，则制动力矩为： 虬= K ，E ( 2 1 5 ) 制动器制动力并不是一直等于最大制动力，而是随着驾驶员踩踏板的动作， 制动器制动力随着踏板力的增大而增大。达到最大值之前制动器制动力与踏板 力近似成正比关系。选取不同的踏板力，就可以确定制动器的最大制动力矩， 并可以模拟不同的制动工况。设正，为固定踏板力所对应的最大制动力矩值，制 动力矩随时间的变化曲线可用如图2 - 5 近似表示： 蓬 乏T 囊b 一 穴 蒋 磊 0 毛t2t 3 制动时间s 图2 5 制动力矩变化曲线 制动力矩模型的表达式为： l 瓦m a 。t t l0 t t l T b iO ) = 瓦叫t l t t 2 【毛懈( t t 3 ) ( t 2 一t 3 ) t 2 f t 3 2 5 轮胎一路面接触模型 轮胎是车辆重要的组成部分，主要作用包括：支撑整车重量； 缓冲来自路面的不平度激励，以保证车辆具有良好的乘坐舒适性； 接触，保证汽车获得足够的驱动力和地面制动力。 现代轮胎是一个复杂的粘弹性结构，具有明显的非线性特性。 9 ( 2 - 1 6 ) 与悬架共同 直接与地面 也正是由于 轮胎材料、结构及其路面相互作用关系的复杂性，在进行汽车动力学建模以及 底盘的电子控制系统研究时，建立一个合适的轮胎模型就显得非常重要。 一般意义上，轮胎模型可以分为物理模型和经验模型。前者是根据轮胎与 路面之间的相互作用机理和力学关系建立模型，旨在模拟力或力矩产生的机理 和过程( 典型的有弦模型、梁模型、刷子模型和辐条模型) 。经验模型则是根 据轮胎实验数据，通过插值或函数拟合方法给出的预测轮胎特性公式( 常用的 有幂指数统一轮胎模型、魔术公式轮胎模型和D u g o f f 轮胎模型) 。物理模型和 经验模型都有其特定的应用场合，其精度和复杂程度也不尽相同。而在进行汽 车动力学控制系统的理论研究中，常采用经验模型。 2 5 1 D u g o f f 轮胎模型 2 0 世纪7 0 年代，D u g o f f 将轮胎与道路间的摩擦系数表示成胎面滑移速度、 滑移速度为零时的摩擦因数和摩擦降低因素的函数。 = P p e a k ( 1 一A ，R 。拓面) ( 2 1 7 ) 其中： H = e = 口，一一轮胎侧偏角 么。一一D u g o f f 系数 戚一一路面最大附着系数 允一一车轮滑移率 只一一车轮垂向载荷 C 。，C ，一一车轮纵向，侧向刚度 C ，E 一一车轮纵向，侧向力 日 0 5 ( 2 1 8 ) H 0 5 ( 2 1 9 ) 日 = 1 时) 。C 为曲 线形状系数，它控制了公式中正弦函数的范围，决定了所得曲线的形状，其值 由曲线峰值Y 。以及稳态值决定；系数B 、C 、D 的乘积对应于原点处的斜率。当 C 和D 决定后，即可求B ，故B 也称为刚度系数；E 用来控制曲线峰值处的曲率。 图2 6 魇术公式拟合曲线 综上所述，“魔术公式”轮胎模型的特点是：它用一个公式表达出轮胎的各 向力学特性，统一性强，各个参数都有明确的物理意义，容易确定其初值。但 是参数的拟合较困难，计算量较大，C 值的变化对拟合的误差影响较大。经过 对比后选择更加适用于纵向动力学分析的D u g o f f 轮胎模型作为轮胎模型进行 仿真。 2 6本章小结 在参考大量文献的基础上进行了车辆纵向动力学系统和A B S 相关主要部件 的建模。在分析了被控对象车轮的旋转运动特点后建立了制动器制动力、地面 制动力、车轮旋转运动等动力学问相互关系；考虑到制动过程中相伴纵向加速 度产生的前后车轮垂向载荷的变化，建立了1 2 车辆制动模型；轮胎模型种类 繁多，各有特点。选用D u g o f f 轮胎模型模拟制动过程中的一s 助曲线以作为 下文仿真时最佳滑移率的选择依据。 第三章基于路面识别的滑模变结构控制仿真分析 汽车防抱死制动控制系统是一种典型的非线性系统，在传统意义上很难找 到好的控制方法。近几年来，随着控制理论及电子技术、测试技术等学科的不 断发展，特别是最优控制、智能控制等现代控制技术在车辆控制系统中的应用， 使得汽车防抱死控制技术日益完善。考虑到路面附着系数和滑移率的对应关系， 许多控制方法中都将车轮滑移率作为一个重要的控制参数。因此，大部分A B S 的控制目标都集中在希望保持最优滑移率以阻止车轮抱死并获得最佳制动效果 上。但是，在不同的路面条件下，最优滑移率并不是不变的。这就为在任何路 面上获取最佳制动效果带来了非常大的难度。为了克服这一困难，诸多专家学 者对传统的A B S 进行了改进，滑模变结构控制( S M C ) 、模糊控制、自适应控制、 神经网络控制等陆续被运用在防抱死制动控制系统中。本文选择滑模变结构控 制作为A B S 的控制策略，并针对不同路面下最优滑移率参数变化的情况，采用路 面识别在线修正参数的方法来获得变附着系数路面下最理想的制动效果。 3 1 路面辨识技术介绍 大量交通安全的调查数据显示，交通事故发生的概率在很大程度上与路面 状况有很大关系。例如，数据显示在湿滑或冰雪路面上交通意外发生的风险大 大增加。究其原因，主要是低附着路面上汽车的制动性能大大下降，使得汽车 的主动安全性能得不到保障。所以，汽车制动防抱死控制系统作为提高行车安 全的关键装置，其作用越来越重要。但是，传统A B S 装置由于缺乏对路面附着 系数的准确估计，常常使得控制过程的自适应性比较差，不能够实时地判断路 面附着系数，从而减弱了制动防抱死控制的效果。因此，在变附着系数路面上， 采用变滑移率控制方法，实时改变系统的控制参数来提高制动性能。 3 1 1 路面辨识的意义 在变附着系数路面上，制动防抱死装置的控制效果与控制变量能否及时跟踪 到最优滑移率有很大关系。其中控制变量的调节速度和控制参数能否稳定在最 优值附近是一个重要的问题；而另一个重要的问题则是估算出当前路面的最优 滑移率究竟是多少。几种典型附着系数路面一s l i p 关系曲线如图3 1 可见在不 同路面上，达到最大附着系数时所对应的最佳滑移率是不同的，而且滑移率与 附着系数的变化关系差异也很大。此时能够根据路面识别程序及时辨识出路面 类型并使系统及时调整控制参数就显得尤为重要了。 1 2 图3l 不同路面滑移筚和跗着系教关系 31 2 路面辨识的方法 ( 1 ) C a u s e - b a s e d 估算法 C a u s e - - b a s e d 估算法是通过测量一些对路面附着系数影响较大的因索，并 根据以往经验预测当前路面附着系数的大小”。这种方法主要是通过试验仪器 来直接对路面的附着系数进行测量。2 0 世纪7 0 年代在英国就已经有了可以测量 路面附着系数的设备，经过多年的发展不断得到完善，其中测量原理也不尽相 同。围内的科技工作者在道路| ；忖着系数的检测仪器研究方面也开展了一定的工 作。湖南大学从1 9 7 9 年开始研制路面纵向附着系数洲景仪。于1 9 8 3 年通过了原 一机部的定型鉴定，对道路纵向附着系数与滑移类别、车速、路面等因素的关 系进行了一定深度的研究并获得了较好的效果。综上所述，由于光学传感器等 一般是安装在汽车的前部，所以这种方法往往在汽车轮胎真正接触到地面之前 就能够正确判断出该路面的附着性能，以便于驾驶员或汽车的控制系统采取相 应措施。一些日本学者还通过采用一种峰值功率为2 0 0 W 的激光束对路面进行判 别，该装置对干路面、湿路面以及冰雪路面的正确识别率可达9