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感应式智能刹车系统摘要 智能刹车系统是位移传感器测量车与障碍物的距离，再由智能控制系统进行数据的分析，根据传感器感应的距离大小输出信号，促使汽车的油门电磁阀提供适当关度，使汽车慢下来，最重要的是给刹车控制元件合适的信号，以致刹车电机启动，避免事故发生。它只受汽车的速度和与障碍物之间距离远近的控制，不受其他因素的影响，这就是它的优势。 本设计首先对智能式刹车系统研究意义和前景做简单介绍，然后进行刹车系统的功能设计，再对感应式智能刹车系统的原理进行设计，接着对智能刹车系统的方案设计与仿真，最后对系统进行初步结构设计。现在汽车防抱死制动系统 (ABS ) 的运用已经比较完善，如果想在该领域得到要想得到更好的方案，就必须运用更加合理的设计方法。本文运用机电一体化概念设计方法，对整个汽车制动系统进行了重新设计，最终得出了更为理想的设计方案。本文在这次改进设计中，运用了新的户一、自寻优控制方法，并在制动系统中运用了制动压力反馈，通过轮速与制动压力双环路控制，达到控制滑移率变化的作用，从而使汽车在遇到紧急刹车时更加安全的刹车，减少事故的发生。关键词: 智能刹车系统 传感器 仿真AbstractIntelligent braking system is a displacement sensor for measuring distance and obstacle, and intelligent control systems for data analysis, based on sensor size sensing distance output signal, auto throttle solenoid valve to provide appropriate shut of, to slow the car down, the most important thing is for the brake control unit suitable signal, so that the brake motor starts, to avoid an accident. It only by the distance between the car and obstacles control and not under the influence of other factors, and this is its strength.This design first on the research significance and foreground of intelligent braking system introduction and function design of the braking system, then inductive principle of intelligent braking system is designed and intelligent braking system design and simulation, final preliminary structural design of the system. Now, anti-lock braking system (ABS) using a relatively complete, if you want to receive if you want a better solution in this area, you must apply a more rational design methods. This method of conceptual design of Mechatronics, the entire brake system was redesigned in order to work out a more ideal design. In this paper, the improved design, using a new, self optimizing control method and applying brake pressure in the brake system of feedback, through the brake pressure of wheel speed and dual-loop control, to control the sliding effect of changes in rates, making cars safer in case of an emergency braking brake, reduce the occurrence of accidents.Key words: intelligent brake systems sensors simulationII郑州华信学院毕业设计（论文） 感应式智能刹车系统目录1 绪论11.1 引言11.2 产品创新设计现状11.2.1 产品设计技术11.2.2 概念设计11.3 本文主要研究的内容和意义31.3.1 主要研究的内容31.3.2 本文研究的重要意义42智能刹车系统的功能设计52.1 制动系统的设计要求52.1.1 制动时车轮的受力情况52.1.2 各制动力之间的关系62.1.3 附着系数与滑移率的关系72.1.5 制动效能的恒定性82.1.6 刹车时后轮的侧滑与前轴转向能力的丧失82.2 刹车系统的功能设计92.2.1 刹车系统的总功能描述92.2.2 刹车系统的功能分解93智能刹车系统的原理设计113.1执行装置113.1.1执行装置的功能原理求解113.1.2 执行装置的原理解评价对比143.2 检测装置153.2.1 检测装置的功能原理求解153.2.2 检测装置的原理解选择153.3 信号处理装置173.3.1 控制系统功能原理求解173.3.2 控制系统的控制策略选择214 智能刹车系统的方案设计与仿真224.1 系统模型的建立224.1.1车辆系统模型224.1.2 轮胎模型234.1.3制动器模型234.1.4 传感器模型2542仿真对比26421电磁阀性能对比仿真264.2.2控制策略性能对比284.2.3 智能刹车系统的初步结构设计29结论31致谢32参考文献33331 绪论1.1 引言 汽车的制动系统与人们的行车安全直接相关，汽车拥有一个性能完善的制动系统不仅能够提高行车的主动安全性，而且还能使乘车人员感觉到乘车的舒适性。经过多年来许多专家学者对汽车防抱死刹车系统 (Anti-lock Braking System ) 的研究，使ABS 从开始作为汽车可有可无的附加设备到现在的基本设备，说明ABS的发展已经被广大用户所认可，成为汽车的一个保护伞，并且现在ABS的技术已经发展的比较完善了。 随着科技的发展，简单的防抱死刹车系统已经不能满足广大用户的需求，这就需要在原有的技术上进行改进研发，做出一些更为好用的产品，产品的创新及创新的速度成为市场竞争的焦点，智能刹车系统就是刹车系统下一个发展目标。文献中指出，一种基于机电一体化新的理念是对于整个制动系统的重新设计能够导致刹车系统领域有所提高。汽车防抱死刹车系统就是普遍的机电一体系统，为了在这个领域得到新的启发、创新，就必须借助一种新的设计理念即概念设计，运用机电一体化的设计思想和设计方法来完成系统的设计，从而得到新的产品。1.2 产品创新设计现状1.2.1 产品设计技术 产品的理论设计在产品创新中起着重要作用。所以如果想要产品在某项领域取得巨大成就，准确的理论设计是必不可少的步骤。比如利用当前先进的网络信息技术、产品数管理系统 (PDM ) 、计算机绘图技术 (CAD )、借助目前设计过程中常用的管理技术工程配置(QFD )等。从产品设计方面来说，PDM 不能满足客户的所有要求，就称不上理论意义上的产品创新设计;CAD 主要用来解决绘图、计算等问题，例如绘制一些工程制图和相关计算题，还不能满足用户的需求和对产品设计中遇到的问题;虽然QFD能满足用户对信息转化的设计需求，但它只提出定性的分析方法、产品设计的指导方法，而在实际运用中还有很多欠缺的地方，并且很难以与网络技术相互结合运用，实际运用性不强。1.2.2 概念设计 随着科技的发展，为了满足客户的更多需求，提高企业的市场竞争能力，创新设计是必不可少的，公司不断地把研究的重点放在了如何去定义和把握客户需求和如何分析客户需求上面，即产品设计的前期准备工作，也就是人们统称的概念设计。 1. 概念设计的内涵 因为概念设计的设计内涵应用十分广泛和深刻，就不能将它和一般的方案设计等同。概念设计就是根据不同产品生命周期的各个不同阶段的需求，对产品进行功能创新、拆分和功能结构的创新设计;在满足结构和功能需求的运行状况下求解，满足功能结构的原理方案和创新设计。概念设计是一个应用发散思维进行改进创造的过程，是一个在满足各项技术要求、可能存在其他方法并能确定出最合理的方案的一个过程。进行概念设计，必须要求从业人员熟练掌握机械制造技术、现代设计方法、专业理论等方面的知识。 概念设计是对大多数用户的需求的分析，经过设计人员的讨论研究，生产出一些产品，再通过市场调查，分析用户对产品提出的意见，经过往复的调查，最终投入大量生产的一个过程。设计概念是进行概念设计的一条主线，整个生产过程都是围绕这条主线进行的。它是一个完整而全面的设计过程，设计者把自己丰富的感性认识和瞬间的灵感融入整个设计过程，使这个设计更加人性化。 概念产品是一种理想化的物质形式。所谓概念产品此指具备独特的销售主张（USP）的产品或是具备独特消费观念的产品。成功的概念产品推广,不仅能够提升品牌形象更能够给企业带来巨大的经济效益，因此为各企业所采用。以汽车行业为例，各种新概念层不出穷,即为很好的例证。 概念产品是用来评估、验证产品对社会市场的适应性和满足消费者对产品的满意度，也为将来制定、实施产品后续生产、销售、服务等计划的奠定技术基础。概念产品不是直接应用于生产、营销、服务等的最终产品，而是制造企业开拓市场、赢得竞争的有力工具。根据市场及用户的不同需要，及时通过对产品的结构、性能、系统技术的改进来满足用户的需求，以提高产品在市场的竞争力和主导性。 2. 概念设计的特征概念设计包含的内容非常广泛，具有以下几个特征: （1）创新性 创新是概念设计的灵魂。创造性是指人们应用新颖的方式解决问题,并能产生新的、有社会价值的产品的心理过程。 这里的创新可以是多层次的，如从结构改进、结构替换的低层次创新到工作原理更换、功能结构的修改、整体设计理念的更新等高层次创新改进都属于概念设计的范畴。产品创新的核心在于构思创新产品的理念。产品的概念发展与产品的设计在产品创新中起着主导作用，从分析市场开始对概念产品进行概念设计，完成产品设计的主要任务与内容。 (2) 多样性 概念设计的多样性主要表现在设计成果的多样化和设计过程的多样化。对功能定义、工作原理、功能分析不同研究，得到个不相同设计理念和方法，从而在产品功能设计基础上产生出多种解决方案。 (3)层次性 层次性是概念设计的心脏，主要体现在两点：一是概念设计主要作用在功能层和载体结构层，并达到从功能层向结构层的过渡;二是在功能层、结构层中又包含自己的层次结构关系。概念设计的层次是概念设计规律新的表征，这表明概念设计需要更多的理性思考，才能实现概念设计不间歇的循环往复，螺旋上升。 (4)残缺性 残缺性是概念设计的外表。概念设计阶段区别于其他设计阶段的最显著特点之一是，在该阶段产品信息是残缺的，表现为:产品信息是定性的、不精确地、不确定的、不完全的。尽管概念设计具有残缺性的特点，但瑕不掩瑜，最终概念设计必会通过适当的设计实现脱胎换骨。 概念设计主要有一下内容: 产品性能的创新设计； 产品功能结构图的绘制设计； 工作原理解的计算和确定； 产品的设计方案和决策。 概念设计在产品设计中起着先导作用，也是产品外形设计的必要步骤，只有在概念设计做好的前提下，设计出东西才有可能达到一定高的水平。目前，计算机辅助设计己经广泛应用于现代实际生产，概念设计可以在计算机辅助智能化设计和专家系统技术的基础上得到充分发展。 3. 概念设计的作用 为了能够在市场竞争激烈的环境下取得一席之地，产品快速设计就成为企业在市场竞争中取得成功的重要法宝。 创新设计是一个民族进步的灵魂，是决定竞争力的最重要阶段，其中产品的创新设计就需要一个思维具有流畅性、灵活性、独创性、精细性、敏感性和直觉性的团队协力工作。就产品创新方面来看，设计就是为产品生产做铺垫，一个完美的设计方案设计好以后，产品生产的工作量也就完成了60%左右。所以可以得知设计在生产中所起不可取缔的作用。1.3 本文主要研究的内容和意义1.3.1 主要研究的内容 概念设计是产品设计中最重要的一环，也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手段。随着科技水平的大大提高，很大程度的促使各个不同学科的相互参考借鉴，促使汽车行业在技术方面有所改进。 本文主要研究将机电一体化技术与概念设计相互结合的设计方法，建立机电一体化产品设计的理论体系，并结合现在汽车使用的防抱死制动系统，将这种新的设计理念应用在汽车的刹车系统上，力图使得产品在原来技术基础上的得到提升，为汽车在行驶中多设一道保护装置。1.3.2 本文研究的重要意义 当今各工业、制造业的首要任务就是设计生产出能够满足用户需要的新产品，并迅速的占领市场。企业想要在激烈的市场竞争中存有立足之地，就必须能够快速响应市场需求，为用户提供满意的新产品。本文研究的机电一体化概念设计方法符合现代科学的发展趋势，并且在汽车工业产品设计中表现出明显的优势。本文主要运用机电一体化与概念设计相结合对智能刹车系统的功能设计、原理设计、方案设计等进行创新设计，为企业在汽车制动系统的未来发展提供一些基础知识。2智能刹车系统的功能设计 防抱死制动系统ABS全称是Anti-lock Brake System，即ABS，绝大多数的汽车都可以安装此装置。它的工作原理是当遇到紧急情况时，驾驶员急踩刹车，传给制动系统油压力，使阀体内的橡胶气囊产生压力，保证车轮不会被锁死而出现交通事故。汽车防抱死制动系统 (ABS) 在汽车行业中己经广泛应用，从刚开始的附加装备到现在的普及，证明ABS发展得己经比较完善。而今天，我们将基于刹车系统的工作原理，并运用机电一体化概念设计方法对其刹车系统各部件进行重新设计，从而在此领域有所提高。2.1 制动系统的设计要求 汽车防抱死制动系统 (ABS) 简单说就是防止汽车在刹车过程中出现车轮抱死拖滑现象的发生。汽车刹车系统应该朝着智能化的方向发展，即感应式智能刹车系统 ，就是在突发情况下汽车能够自动运行刹车系统，确保人员不会出现危险的前提下减小经济损失。车轮突然抱死会导致汽车发生交通事故，据统计，汽车在碰到突发条件刹车时，85%以上的驾驶员都会一下将刹车踏板踩到底，这种情况下，安装一般刹车系统的汽车，将很容易发生纯粹性的滑动并发生偏移，也就是的“甩尾”。“甩尾”很容易导致事故发生，存在很大的安全隐患。当汽车安装了感应式智能刹车系统，汽车即使在路面复杂的状况下、采用何种猛烈的制动操作下，都可以防止车轮抱死，并能达到最大的制动力，并且汽车的制动距离变短、避免甩尾发生，能保持最佳的方向操纵性能。汽车防抱死制动系统的目的是为了改善汽车的制动性能，制动性是指汽车在正常行驶时能在短距离内停车或减速且能维持行驶方向的稳定性和在下坡时能保持一定车速的能能。汽车制动性能的评价指标主要有以下三个方面： (1) 制动效能 即制动距离与制动减速度; (2) 制动效能的恒定性 即抗衰退性; (3) 制动时汽车的方向稳定性 即当制动时汽车不会发生跑偏、侧滑以及失去方向盘的控制能力。 制动效能即制动距离与制动减速度，是指在良好路面上，汽车以一定初速制动到停车的制动距离或制动时汽车的减速度，是制动性能最基本的评价指标。 2.1.1 制动时车轮的受力情况当汽车遇到紧急情况，进行刹车停止或者进行减速时，它所需要的阻力就只能来自与地面的摩擦力或空气阻力，因为来自空气阻力相对较小，因此汽车所受的阻力只有地面来提供了。地面制动力越大，制动加速度也随之变大，制动距离也就缩短。以图2.1.1为例，车轮在前进工程中，地面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力: 其一是刹车内片与制动鼓或制动盘的摩擦力; 其二是轮胎表面与路面间的摩擦力，即附着力。 一 地面摩擦力 一 制动器摩擦力 一车轮半径图2.1.1 车轮的情况受力2.1.2 各制动力之间的关系 在制动时，如果车轮只做滚动和抱死滑移这两种情况，当踩踏制动踏板的力较小时，会使制动器的摩擦力矩不太大，这时地面制动力也不是很大，汽车客服摩擦力矩使车轮做滚动运动。很明显，车轮制动时所受的摩擦力与车轮与地面的摩擦力大小相同，并且与踏板力的关系成正比。但如图2.1.2 所示，地面提供的制动力是滑动摩擦的约束反力，其值不能超过附着力，即: 或由地面提供的最大摩擦力 当制动系压力上升到某一值时，地面摩擦力F达到附着力F值时，车轮即抱死不转而出现滑移现象。此时，如果制动系压力继续上升，而地面制动力不能再增加。可见，汽车的地面摩擦力首先取决于制动器的摩擦力，但同时又受到来自地面附着力的约束，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供高的附着力时，才能获得足够的路面摩擦力。 图2.1.2 制动力与附着力关系 2.1.3 附着系数与滑移率的关系 当汽车的刹车强度加加时，轮子会出现滑动现象。一般才用滑移率S来解释这个过程中滑移量的多少。 滑移率可以用下面的式子来表示: 做纯转动时, 在纯滑动时, 在边转边滑时, 地面附着系数用表示。当滑移率不同时，值不同。侧向力系数由侧向力与垂直载荷之比来表示，侧向力系数越大，滑移率就越低，汽车抵御滑移能力就越强。 图2.1.3 滑移率与附着系数关系2.1.4 制动距离的分析 制动过程的实测曲线如图2.1.4所示，其中包括驾驶员反应的时间延迟和制动器起作用的时间延迟。 -蹄片接触到制动鼓所用时间 一 制动器制动力增长过程所用时间 图 2.1.4 制动距离曲线 由此可知，决定汽车制动距离的主要原因是: 制动器起作用的时间、最大制动加速度 (即附着力)、制动时的起始车速。附着力越大 ，起始车速越低，制动距离越短。2.1.5 制动效能的恒定性 在短时间内连续制动后，制动器温度升高导致制动效能下降，称之为制动器的热衰退，连续制动后制动效能的稳定程度为制动效能的恒定性。 抗热衰退的性能与制动器摩擦副材料及制动器结构有关。一般制动器用铸铁作制动鼓盘，摩擦片由石棉摩擦材料组成。正常刹车时，摩擦副的温度在200左右，摩擦系数大概为0.3- 0.4，但在过高的温度条件下，摩擦系数会大大降低，从而出现所谓的热衰退现象。盘式制动器的制动效能没有鼓式制动器效果好(一般盘式制动器加装真空助力器来增大制动效能)，但其在制动时稳定性好，虽然摩擦材料的摩擦系数有所下降，但不会影响汽车的制动效果。2.1.6 刹车时后轮的侧滑与前轴转向能力的丧失 (1)紧急刹车时，汽车前轴先被抱死，这时车子只能保持直线前进，但汽车不能转向。如果碰到障碍物，绕开的方法只有放松制动器。 (2) 如果前轮比后轮抱死晚0.5S，会出现后轴甩尾现象，极易发生事故。 (3) 只有车速不小于50km/h 时，汽车才可能出现危险。在湿路面上，汽车纵轴转角比干路面上要大，在附着系数低的路面上刹车，出现侧滑的主要因素是制动时间的缘故。综合上述分析并结合市场需求，得到如下设计要求: 能够保证车辆的转向能力和稳定性； 必须能够最快地适应各种不同的路况变化； 在左右侧路面附着系数不同时，系统应能降低偏转力矩； 控制系统必须考虑湿路面状况并进行最优控制； 在满足制动距离最短的情况下保持汽车方向的稳定性； 产品成本应尽量低，体积小，重量轻，可靠性好； 当刹车系统出现问题时，应该能够自行关闭，而汽车的常规刹车系统必须能安全工作。2.2 刹车系统的功能设计2.2.1 刹车系统的总功能描述 根据汽车制动系统的相关规定列出感应式智能刹车系统的总功能图如图2.2.1所示： 颠簸 噪声 功热 灰尘 电磁波 湿度 图2.2.1 ABS系统的黑箱示意图 刹车系统的总功能是使车轮不出现制动滑移，当驾驶员完全踏下踏板时，系统能够自行测出车辆行驶情况，并提供出适当的制动力使车辆安全停下。考虑设计步骤的简洁，本文就以单轮的ABS制动控制为模板进行设计。2.2.2 刹车系统的功能分解 机电一体化概念设计法的设计理念是在三个子系统模块的基础上与各学科有机结合的设计，接下来我们将分别对制动系统的执行装置、检测装置、信息处理装置进行研究。 1. 执行装置的功能描述 执行装置的动作表现为当收到系统提出的刹车信号时，驾驶员通过用力踩脚踏板，刹车系统将制动力传到刹车装置使汽车停下来。接收制动信息制动车轮图2.2.2-1 执行装置功能图 2. 检测装置的功能描述 检测装置的工艺动作是整理车辆的行驶状况，主要包括汽车的车速、加速度、车轮角加速度和轮子所受的摩擦力。测量车轮的运行状况图2.2.2-2 检测装置功能分析 3 . 信号处理装置的功能 信号处理装置就是控制装置，其工艺动作是对收集的检测信号进行推理计算，并得出相应的控制信号传递给执行装置。根据检测信息给出制动信号图2.2.2-3 控制装置功能分析3 智能刹车系统的原理设计 原理设计即是确定实现功能的技术原理。在这一阶段最能充分体现机电一体化相互渗透的特点，当求功能原理解时，有很多方案可以被选择来达到产品预期功能的需求。由于机电一体化产品设计涉及广泛的知识领域，所以丰富的信息资源是非常有必要的。原理设计还可以解决各功能的原理解，是专家们在解决各学科问题的的有效方法。信息库的创建需要一个漫长的知识积累过程。 刹车系统设计不仅需要大量的信息辅助，还需要设计人员灵活的大脑创造一些新的解法。 本文是在丰富的信息资料的基础上，结合自己对智能刹车系统的了解上加以改进，便得出下面的原理解:3.1执行装置3.1.1执行装置的功能原理求解 每个执行装置的功能原理解如表所示，汽车的智能刹车系统是辅助配置，所以刹车器不能影响汽车的其他系统功能，我们对制动器的设计方面就铰简单了，主要是对控制部分进行创新设计。 对下表的各解进行排列组合，可得到执行装置的方案数为: 在这72 种方案中，根据目前的技术、各机构的配合性、各项设计费用的限制等约束条件来判断，可以得出下面较合适的6种方案:方案 I: 比例电磁阀-一 电动液压泵驱动-一 新双盘制动方案 II: 比例电磁阀-一电动液压泵驱动-一钳盘式制动方案III: 反比例电磁阀-一 电动液压泵驱动-一 新双盘制动方案IV: 反比例电磁阀-一 电动液压泵驱动-一 钳盘式制动方案V: 伺服电机驱动-一新双盘制动方案VI: 伺服电机驱动-一钳盘式制动表3.1.1-1 接受信号功能原理求解 接收信号 特点 特性曲线二位三通阀结构简单，具有通、断两个状态 三位三通阀结构简单，具有通、断、保持二种状态比例电磁阀比例调节，能够伺服调节阀门位置 反比例电磁阀反比例控制使得输入电流为零时输出压力最大，具有失效保险功能，减轻振动噪声，简化机构表3.1.1-2 驱动功能求解 给出制动力 特点伺服电机驱动操作简便，结构简单，维护方便，响应快，无污染，动力大，但过载差，外部环境影响大，可靠性低 气动压力泵 结构复杂，响应慢电动液压泵驱动结构复杂，响应较快，动作平稳，能输出较大功率，有定位伺服的功能，易于控制，但存在漏液问题表 3.1.1-3 制动功能求解 制动器类型特点图形鼓式刹车效果不好，且构件结构复杂，拆装不方便钳盘式刹车效果好，散热效果好，结构简单易更换，尺寸小，价格便宜新双盘式由两个摩擦片组成，刹车效果好，结构简单，拆装方便全盘式刹车效果不好，但稳定，散热性差，拆装不便楔形38*鼓式结构复杂，但刹车效果好，是一般刹车系统的 3倍，不易生产楔形38*盘式刹车效果好，且稳定，是一般系统的1.5倍，但结构复杂，不易生产3.1.2 执行装置的原理解评价对比 对机构的参数量化比较，可以从下表中选出最好的设计方案,如表3.1.2-1所示。 表3.1.2-1设计方案量化体系表性能指标具体项目方案I方案II 方案 III方案IV方案V方案VIA功能1) 动作规律方式2)传动精度15815815815815101510B运行性能1) 应用范围2) 可调性3) 运转速度4) 载能力5554*1.54555*1.53553*1.52553*1.51553*1.51554*1.5C动力性能1) 加速度峰值2) 噪声3) 耐磨性4) 可靠性4444*1.54454*1.54545*1.54555*1.54441*1.54451*1.5D经济性1) 加工复杂系数2) 加工误差系数3) 整方便性4) 能耗543444354434343524532453E结构紧凑1) 尺寸2) 重量3) 构件难易程度223223223 1 2 3444444评价量8586.584.5858082.5 从上表可知，方案I、II、III和IV的性能系数接近，这时借助相互比较的方法进行进一步筛选。试用同一种控制方法在两种制动器上进行仿真实验，其制动器模型如图31所示，K为制动效能因数，双盘式制动效能因数K2约为单盘式的2倍。得到比较的结果如下表3.1.2-2所示：表3.1.2-2输出数据对比始速度为25m/s单盘式系统双盘式系统速度降至5m/s的时间s2.352.21提供最大油压力N/m1070550降至5m/s时的刹车距离m35.733.3 从上表可知，单盘式刹车系统没有双盘式刹车系统效果好，双盘式制动器不仅在刹车距离由于单盘式制动器，并且在制动油压方面也有更高的优势，使汽车的安全系数大大提高。从这可以得出方案II、IV作为执行装置的最佳选择，即：方案II：比例电磁阀-一电动液压泵驱动-一钳盘式制动方案IV：反比例电磁阀-一 电动液压泵驱动-一 钳盘式制动 在对一个新产品设计时，方案的选择是一个复杂、谨慎的过程，方案选择的好坏直接关系到以后生产机器的费用、性能的好坏。一般情况下一个完美的方案需要多个专家整理大量的文献资料，经过讨论研究总结出来的。本文的创新设计，由于自身知识水平有限，只能借助大量书籍资料来处理设计中遇到的难题，可能还存在一些不足的地方，尽力完成自己的这次创新设计。3.2 检测装置3.2.1 检测装置的功能原理求解表3.2.1-1转速检测转速传感器特 点磁电式应用广泛，阻抗低，输出频率响应低，幅值稳定性差，受电磁影响大霍尔式应用广泛，输出频率响应高，幅值稳定，不受电磁影响，但对A 度敏感表 3.2.1-2 速度检测速度传感器特点多普勒式测量精确，但费用较高表3.2.1-3 压力检测 压力测量特点硅阻式传感器结构简单，体积小，易集成，使用方便，检测范围广，频率响应快，但 存在温度误差，需要安装温度补偿装置压电式传感器结构简单，工作可靠，使用方便，价格便宜，不用外加电源，线性好，灵敏度高，迟滞小，重复性好，受温度影响小压磁式传感器能输出较大功率，信号强，有很强的抵抗干扰能力，工作可靠，寿命长，可以在环境艰苦的条件下正常工作，而响应速度慢，精度较低把以上用排列组合统计后，可用的检测装置方案有：3.2.2 检测装置的原理解选择 因为压磁式传感器的检测速度不快，但是在系统中主要测量的是动态压力，所以这种形式不予采纳; 又由于压电式传感器比较贵，而硅阻式传感器就能满足系统要求，考虑到经济问题，硅阻式压力传感器就可以被选择，较合适的检测装置有一下 2 种: 方案 I: 磁电式转速传感器-一多普勒车速传感器-一硅阻式压力传感器 方案 III: 霍尔式转速传感器-一 多普勒车速传感器-一 硅阻式压力传感器 1.磁电式转速传感器 在参考资料中可以知道，智能刹车系统中多用磁电式传感器，而这类传感器也存在不足，主要表现有: (1) 随着传感器的转速改变，输出的信号大小是会变化的，在一定的转速范围内会从1V 到 15V 之间变化。假如车速放慢，输出的传感电压小于1V ，就不能够检测。如图3.2.2所示为该传感器的输出脉冲信号。图3.2.2 转速传感器的输出电压 (2) 信号反应较低，当速度较大时，传感器的响应度不高，容易出现错误的信号。 (3) 克服电磁干扰的能力较弱，尤其是在输出较小的幅值时。并且车上装配着各种用电设备，从而产生各种电信号，对磁电式传感器的影响较大，会导致其不能正常工作。当前国内外的汽车智能刹车系统的速度一般会控制在 15- 160km/h，以后会把速度控制范围调整到8- 260km/h 或者更大。从而对转速传感器和信号传感器的性能提出进一步的要求。 2. 霍尔式转速传感器 霍尔式转速传感器是利用霍尔效应的原理制成的。霍尔效应是指在霍尔元件的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象就是霍尔效应。当磁性材料制成的传感器转子上的凸齿交替经过永久磁铁的空隙时，这时会出现一个变化的磁场作用于霍尔元件（半导体材料）上，使霍尔电压产生脉冲信号。依据所产生的脉冲数目即可检测转速。 霍尔式转速传感器解决了磁电式轮速传感器的不足，主要优点有: （1）车上使用的电压为12V ，输出的幅值必须保持在11.5- 12V，这时不论车速是多少，幅值始终保持不变。 （2）受电磁影响小。因为输出信号保持不变，并且输出幅值较大，所以受到电磁的影响很小。 （3） 输出频率响应大 (可达20kHz)。能够测出 1000km/h 的信号，很容易完成检测任务。 考虑到霍尔传感器的价格合理，从长远利益考虑来看，我们会选择性价比较高的方案，即：方案 III: 霍尔式转速传感器-一多普勒车速传感器-一硅阻式压力传感器。3.3 信号处理装置3.3.1 控制系统功能原理求解 控制装置的输入与输出功能一般由电路进行 A/D, D/A的转换，现在对单片机的处理方案进行创新设计。 1. 逻辑门限控制法 (方案 I) 在逻辑门限值法中,轮速信号处理的好坏将直接影响到整个ABS(anti-lock braking system)的控制过程。提出一阶滤波系数自适应法对轮速信号进行平滑滤波处理,并针对试验中车辆跑偏现象,分别对前后轮的控制策略进行了设计。道路试验结果表明:经过滤波后的轮速信号较为光滑,能满足实时控制的要求,汽车在制动过程中车轮未出现抱死及跑偏现象,所运用的控制策略取得了良好的控制效果。 从图3.3.1-1可以看出整个控制过程，当驾驶员刹车时，轮缸被制动液充进做功，汽车开始减速。无论哪个车轮抱死，控制器就会发出指令，使抱死的车轮接收指令使其轮缸内的油压降低，防止车轮抱死。根据汽车的具体行驶情况，控制器发出不同的指令。 逻辑门限值法优点有: 首先，它不用大量的数学来支持，这样会省去复杂的数学计算，可以使系统的实时响应快，使刹车系统的问题简单化。其次，刹车系统控制量较少，省去了一些不必要的装备，从而制动系统的成本降低，结构简单。其缺点是: 控制系统较复杂，不稳定。并且这种控制方式，通用性不强，很多汽车不能实现互换性，主要原因是不同车型需要不同的控制参数。 逻辑门限值法在汽车防抱死制动系统的控制中非常广泛，四相控制方法在传统的逻辑门限值法中增加了高压保持和低压保持两个模式，改进了逻辑限值方法的一些缺点，四相控制方法的关键是门限值的确定，在对车轮受力分析的基础上，推出了门限值的三个基本公式。通过仿真验证了ABS四相控制方法在不同路面下的有效性及研究应用的正确性。现在对所计时间和给定的时间门限比较，如果达到门限值，则压力保持模式结束。而C-Y Kuo和 E.C.Yeh 以下面三个公式为基础，经过计算确定出了所用的四个门限值的范围。 图3.3.1-1逻辑门(3.1） (3.2) (3.3) 式中，带下标 i的量为初始点的各项数据,不带下标 l的量为结束点的各项数据。 图3.3.1-2刹车力矩与滑移率关系 公式(3.1)对刹车力矩和距离曲线进行描述，得到的点之间的滑移率关系; 公式 (3.2) 是对刹车力矩曲线上距离 进行时间关系的阐述; 公式 (3.3) 是在压力保持阶段起始点对刹车力矩和距离 的描述。 2. 滑模变结构控制 (方案 II) 滑模变结构控制作为一种特殊的鲁棒控制方法，在解决不确定非线性系统的控制问题上显示出了巨大的生命力。变结构控制系统的特征是具有一套反馈装置和一个决策规则，该决策规则就是所谓的切换函数，将其作为输入来衡量当前系统的运动状态，并决定在该瞬间系统所应采取的反馈控制律，结果形成了变结构控制系统。该变结构系统由若干个子系统连接而成，每个子系统有其固定的控制结构且仅在特定的区域内起作用。引进这种变结构特性的优势之一是系统具有每一个结构有用的特性，并可进一步使系统具有单独每个结构都没有的新的特性，这种新的特性即是变结构系统的滑动模态。 控制方式是以车轮滑移率为控制目标变量，设理想滑移率为，则误差 一阶线性函数为: 采用滑模变结构控制方法的好处有:在进行模型不确定性因素等方面具有很强的适应性，可完成简单的控制规律来解决动态和稳态性能之间的矛盾。不足有: 计算需要静差调节，静态精度很难被保证。另外控制量的随时变动，也会导致系统在滑移面产生高频颤动，这样会对执行元件照成损坏，还有可能引起自激运动，使系统工作不稳定；这样对设备的质量及可靠性要求过高，很难实现。 3. PID 控制 (方案 ) PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 完成这项工作需要用两个PI控制，分别为内环压力控制和外环滑移率控制，要外环的响应远小于内环控制响应，这样才可以保证控制的精度和稳定性。根据不同情况采用不同的 PI 参数，其PI的计算方法为： 式中，为误差值、 ，分别代表PI控制中的比例系数和积分系数，根据不同的误差区域选取不同的值; 就是两个连续时间的控制量，PID 控制系统框图3.3.1-3 如下: 图3.3.1-3 PID 控制框图 这种控制方法的优点是: 简单实用，准确度高，性能稳定。缺点有: 生产成本较高，性价比低。且对PID 参数感应比较灵敏，在稳定控制区域内的参数变化范围较小，对控制器的操作带来很多不便。 4. 自寻最优控制 (方案) 能自动搜寻输出的最优点并使输出保持在最优点附近的自动控制系统。这种系统中，至少存在一个在性能上代表最优工作状态的极值点，所以有时称为极值控制系统。 自寻优控制是由两位美国专家提出的。其目的是为了被控对象的工作状态达到最优状况，自寻优控制系统的最主要的一个反映对象极值特性的非线性环节，通过这个环节来确定相应的最优运转条件。系统有一个最优的运转点，输出函数在输入的地方有一个极大值，如图3.3.1-4所示: 图3.3.1-4自寻优搜索 坐标系的原点作为最优点，可得系统的输入为,输出为,最优点就是。该系统的任务就是寻找最优点，保证系统在这一点正常运行。3.3.2 控制系统的控制策略选择 综合考虑上述控制策略，由于防抱死刹车系统要求高的可靠性、实用性和稳定性，因此我们选取方案 I (逻辑门限四相控制) 和方案 (自寻优控制) 作为控制装置的原理解。 将各子系统的功能原理解进行合理组合，共得到 6 种系统原理解如上页表3.3.2 所示。表3.3.2 系统原理解方案 控制装置执行装置检测装置接收信号制 动力制 动器 轮速车速压力I逻辑门限四相控制 比例电磁阀电动液压泵新双盘制动器霍尔轮速传感器III自寻优控制硅阻式传感器IV逻辑门限四相控制反比例电磁阀VI自寻优控制硅阻式传感器4 智能刹车系统的方案设计与仿真 对以上的方案进行分析研究，选出最合适的设计方案。对上章的原理解表格中可以了解到，先对比例电磁阀和反比例电磁阀进行性能比较，很快就能得出最佳设计方案。对此，我们从上述的六个方案进行仿真对比，选出最优方案。4.1 系统模型的建立4.1.1车辆系统模型 为了使计算简单，我们只对汽车的一个轮子进行系统模拟，并且不考虑空气摩擦力和车轮滚动摩擦力。汽车行驶方程: 车轮运动方程： 车轮纵向阻力: 汽车质量； 汽车速度； 车轮摩擦力； 车轮转动惯量； 车轮滚动半径； 车轮角速度； 车轮与地面附着系数； 车轮对地面法向反力。 图4.1.1车轮模型4.1.2 轮胎模型 车