基于路面識別實時控制車輪滑移率的ABS系統(tǒng)

摘要:汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)是一種很重要的汽車主動安全技術(shù)。并針對路面具體情況，對車輛防抱制動系統(tǒng)的滑移率實時控制進行研究。該文在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下，建立車輛動力學(xué)模型，實現(xiàn)了對路面狀況識別，同時對基于滑移率控制的防抱制動系統(tǒng)的計算機仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能真實地反映汽車ABS系統(tǒng)的實際工作過程，達到了滿意的控制效果。

關(guān)鍵詞:防抱死制動系統(tǒng);路面識別;實時監(jiān)控;仿真

中圖分類號:TP391.9 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)36-10417-03

Wheel Slip Ratio for ABS System Based on Road to Identify and Real-Time Control

LIU Chang-zhen， CUI Ming-bo

(Computer College， Harbin University of Science and Technology， Haerbin 150080， China)

Abstract: Automobile anti-lock braking system(ABS) is a very important vehicle active safety technology， For the specific circumstances of the road， real-time monitoring of vehicle slip rate of ABS anti-lock braking system to be studied. In this paper， under MATLAB/Simulink simulation environment， establish the vehicle dynamics model， Achieved the recognition of road conditions， and computer simulation based on the anti-lock braking system of controlling the slip rate.

Key words: anti-lock braking system; road identification; real-time monitoring; simulation

汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)在車輛安全行駛的過程中起著關(guān)鍵的作用，特別是在制動過程中[1]。汽車防抱死制動系統(tǒng)是具有自動控制、調(diào)節(jié)制動力及防止車輪抱死功能的汽車制動系統(tǒng)。它在制動過程中通過自動調(diào)節(jié)車輪的制動力矩從而防止車輪抱死，使車輛獲得最大地面制動力。當(dāng)前，汽車防抱制動系統(tǒng)ABS中廣泛采用邏輯門限控制方法[2]，模糊控制法[3]等，但這些方法在路面識別上存在困難，且整個控制過程中車輪滑移不是保持在最佳滑移率上，而是在它的附近呈較大波動，并未達到最佳的制動效果。因為不同路面產(chǎn)生最大附著系數(shù)不同，相應(yīng)的最佳滑移率也不同，為了進一步提高ABS的性能，使ABS可以實時監(jiān)控路面狀況，并對滑移率加以調(diào)整，保持在最佳滑移率狀態(tài)，因此路面識別系統(tǒng)非常重要[4]。本研究根據(jù)相關(guān)傳感器采集路面信息，然后確定路面具體情況。最后，針對以制動力矩為控制目標(biāo)的控制器進行仿真研究。

1 車輛動力學(xué)模型

1.1 整車模型

根據(jù)汽車?yán)碚撥囕v在制動過程的整車受力分析， 二輪汽車制動模式如圖1所示。汽車的總質(zhì)量認(rèn)為集中在它的質(zhì)心上，并且質(zhì)心距后軸距離為C，距地面高度為h。前后車輪認(rèn)為是相同的，每個有效滾動半徑R和轉(zhuǎn)動慣量為J，它們的中心是分開的距離L=b+c。車輛沿著路面在x方向上以速度u(t)=x(t)縱向移動。在水平方向上，前后車輪和路面之間的摩擦力分別為Xr和Xf，地面對前后車輪的支持力分別為Zr和Zf。前后輪的制動機制產(chǎn)生制動力矩Tbi，Tbi>0(i=r，f)，并提供摩擦力Xi。該系統(tǒng)是平面的，就是說橫向移動，轉(zhuǎn)彎等不考慮。此外，空氣阻力和滾動阻力等對車輛減速的影響不納入模型。

根據(jù)整車受力模型，可以得到汽車縱向運動力平衡方程:

Mu=-Xf-Xr(1)

Mg=Zr+Zf(2)

h(Xr+Xf)+cZr=bZf(3)

2.2 車輪模型

車輪受力分析，車輪半徑為R0，縱向的速度為u(t)=x(t)，角速度為w(t)=φt()。制動力矩Tbi，Tbi>0，提供縱向制動力X，地面支持力Z。 根據(jù)牛頓運動定律車輪運動公式如下，m，R，和j分別為車輪質(zhì)量，有效轉(zhuǎn)動半徑，車輪的轉(zhuǎn)動慣量，g為重力加速度。如圖2。

車輪運動公式:

(4)

1.3 汽車滑移率

汽車被施以制動時，車身速度由于輪胎與路面間摩擦力的作用而減小，車輪角速度由于制動器的摩擦力矩和地面制動力產(chǎn)生的力矩共同作用而減小，車輪與車身產(chǎn)生速度差，制動車輪產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，用滑移率r來表示車輪滑移的程度，即:

(5)

式中，r為滑移率;V為車體速度，m/s;w為車輪角速度，rad/s;r為車輪半徑，m。

1.4 輪胎模型

路面附著系數(shù)定義如下:

(6)

u是一個包括許多物理變量的非線性函數(shù)，如車輛的速度，路面條件和滑移。隆德(瑞典)和格勒諾布爾(法國)自動化控制部門的LuGre摩擦模型眾所周知是用來描述某些特殊情況下的摩擦情況[5-6]。加拿大的de-Wit和他的同事已經(jīng)應(yīng)用該模型于輪胎建模，并且說明制動力矩作用于輪胎時的動態(tài)過程[7-8]。偽穩(wěn)態(tài)下絕對摩擦力的表達為:

(7)

(8)

(9)

數(shù)量Vr是一個相對速度，σ0是剛度系數(shù)，σ1是的阻尼系數(shù)，σ2是粘性相對阻尼系數(shù)vs是斯特里貝克相對速度，us是靜態(tài)摩擦系數(shù)，uc是庫侖摩擦，L是一個參數(shù)，它體現(xiàn)了路面和輪胎之間接觸面的動態(tài)長度，參數(shù)θ代表路面狀況的變化情況:例如，通常情況下，θ=1表示干路面，θ=2.5表示濕路面，θ=4表示冰路面。η的公式把公式(5)中定義的制動滑移率s轉(zhuǎn)換成驅(qū)動滑移率，公式(8)建立在η的公式轉(zhuǎn)換上。

圖3是在θ取不同值的情況下，u和s的關(guān)系曲線。這些曲線是根據(jù)公式(8)，在v=30mph，θ取不同值時得到的?；坡蕇從0變化到1，0表示車輪自由滾動，1表示車輪抱死;上述曲線清楚的表明隨著θ的增大，u的最大值和在車輪抱死時u的值都減小。值得注意的是，和干路面相比濕路面和冰路面(θ>2.5)，u的值減小很多。

2 基于路面識別的滑移率控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

滑移率控制是一種連續(xù)量控制，由于各種路面最佳滑移率值不同，控制器根據(jù)路面狀況和實際的滑移率，對滑移率進行實時控制，調(diào)整制動氣壓從而使滑移率在峰值附近來回波動。路面識別系統(tǒng)在制動過程中始終工作，不斷檢測路面狀況，一旦發(fā)現(xiàn)路面狀況發(fā)生改即重新設(shè)定對應(yīng)的最佳滑移率參考值。如圖4所示。

2.2 路面識別系統(tǒng)設(shè)計

目前的發(fā)明給機動車輛提供了設(shè)備和檢測方法來檢測的路面情況。這個系統(tǒng)通過一個溫度傳感器，超聲傳感器和一個照相機來檢測路面數(shù)據(jù)。這些傳感器提供相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，粗糙度數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。隨后，路面數(shù)據(jù)被過濾。過濾后的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)做必較，基于比較篩選路面數(shù)據(jù)，路面的可靠數(shù)據(jù)可以獲得。過濾后的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)做必較可能確定路面條件的環(huán)境類型，如干旱，冰，雪，或水。路面的表面情況也可分類，如混凝土，瀝青，泥土，草，或砂礫?？煽康臄?shù)據(jù)是結(jié)合過濾后的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上得到的。通過傳統(tǒng)的顯示面板上的圖像或文字告知司機路面的具體情況。車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的制動系統(tǒng)，牽引力控制系統(tǒng)，偏航和滾動穩(wěn)定系統(tǒng)等。

過濾后的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)做必較可能確定路面條件的環(huán)境類型，如干旱，冰，雪，或水。路面的表面情況也可分類，如混凝土，瀝青，泥土，草，或砂礫?？煽康臄?shù)據(jù)是結(jié)合過濾后的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上得到的。通過傳統(tǒng)的顯示面板上的圖像或文字告知司機路面的具體情況。車輛穩(wěn)定性系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的制動系統(tǒng)，牽引力控制系統(tǒng)，偏航和滾動穩(wěn)定系統(tǒng)等。

機動車輛檢測的路面情況的方法包括，如圖5所示。

通過溫度傳感器檢測溫度數(shù)據(jù)，超聲傳感器檢測粗糙度數(shù)據(jù)，照相機獲得圖像數(shù)據(jù);

過濾路面數(shù)據(jù)對過濾后的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)進行比較，獲得可靠數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，獲得路面環(huán)境類型和路面的表面情況。如圖5所示。

2.3 控制器的設(shè)計

控制器內(nèi)存有各種路面情況下的最佳滑移率，接收路面情況和實際的滑移率，針對具體路面情況計算實際的滑移率與最佳滑移率的差值，然后調(diào)整制動壓力，使路面附著系數(shù)在最大值附近，從而保持汽車的穩(wěn)定性和可操縱性。例如，實際的滑移率與最佳滑移率的差值大于零0.1，說明實際的滑移率已經(jīng)超出滑移率的允許范圍，這時要增加制動壓力;反之當(dāng)實際的滑移率與最佳滑移率的差值小于零0.1時，說明實際的滑移率還沒有達到滑移率的允許范圍，相應(yīng)的要減少制動壓力。各個路面的最佳滑移率如表1所示。

3 仿真研究

圖6顯示的是車速仿真結(jié)果。a圖是整車的加速度。圖b是車輪的輪速，而另外一條曲線是a圖中的整車加速度曲線，兩個曲線都是對整車車速的估計。然而問題就出現(xiàn)了，怎么才能從兩條曲線中得到更準(zhǔn)確的值呢?圖c顯示了解決車輪速度問題的估計算法。圖d中顯示了單輪系統(tǒng)對整車速度的測量，盡管和上述的方法結(jié)果非常相似，不能測量出它們之間的區(qū)別，但是我們在圖e中繪制了它們的不同之處。圖e中區(qū)別非常小，這樣估計的車輛速度能滿足防抱死系統(tǒng)的需求，其最大的測量偏移只有0.4m/s。上述所有的正確性驗證了該算法。

圖6

4 結(jié)論

通過加速度值獲得車速的值與實際車速仍然有很大的差距;類似的，利用傳感器聚焦的方法，運用最小二乘法根據(jù)輪速值計算出的車速也有較大誤差。這篇論文提供了一個新的評估方法，該方法根據(jù)輪速信號和整車加速度信號，并加以實驗估測車速值。結(jié)果顯示估測的速度值和實際速度的值非常接近，可以應(yīng)用該方法來得到ABS控制系統(tǒng)的參數(shù)滑移率 ，并加以有效控制。與此同時，這個算法也非常簡單，不需要太多的計算，也很容易實現(xiàn)。

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